Fisiologia e Desenvolvimento Vegetal

Fisiologia e Desenvolvimento Vegetal Lincoln Taiz Eduardo Zeiger Ian Max Møller Angus Murphy lojagrupoacombr BOTÂNICA Fisiologia e Desenvolvimento Vegetal Leitores de edições anteriores desta obra perceberão uma novidade signifi cativa já na capa da presente edição o título foi alterado de Fisiologia vegetal para Fisiologia e desenvolvimento vegetal além do acréscimo de dois organizadores O novo título reflete uma reorganização importante da Unidade III Crescimento e Desenvolvimento em vez de capítulos separados sobre estrutura e função de hormônios e fotorreceptores suas interações são agora descritas no contexto do ciclo de vida vegetal Com a autoridade e o rigor científi co de sempre a obra continua trazendo os recentes avanços na área e introduzindo melhorias pedagógicas solicitadas por leitores o que torna os conteúdos mais acessíveis e atraentes ao público interessado Em wwwplantphysnet estão disponíveis materiais complementares em inglês que auxiliarão no estudo dos temas Professores podem fazer download do material complementar exclusivo em português Acesse nosso site lojagrupoacombr cadastrese gratuitamente como professor encontre a página do livro por meio do campo de busca e clique no link Material para o Professor Fisiologia e Desenvolvimento Vegetal Taiz Zeiger Møller Murphy Lincoln Taiz Eduardo Zeiger Ian Max Møller Angus Murphy 6a Edição 6a Edição 6a Edição Quatro apêndices em português estão disponíveis online nesta edição Para acessálos entre em lojagrupoacombr encontre a página do livro por meio do campo de busca e clique no link Conteúdo Online 02307 TAIZ Fisiologia e Desenvolvimento Vegetalindd 1 02307 TAIZ Fisiologia e Desenvolvimento Vegetalindd 1 14112016 082305 14112016 082305 Tradução Alexandra Antunes Mastroberti Capítulo 14 Bióloga Professora associada e chefe do Departamento de Botânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRGS Doutora em Ciências pela UFRGS Armando Molina Divan Junior Capítulos 3 4 5 6 12 17 22 e Apêndices 1 2 e 3 Biólogo Pesquisador do Centro de Ecologia do Instituto de Biociências da UFRGS Doutor em Fisiologia Vegetal pela Universidade Federal de Viçosa UFV Eliane Romanato Santarém Capítulos 1 11 23 e Apêndice 4 Bióloga Professora adjunta da Faculdade de Biociências da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul PUCRS Doutora em Botânica pela UFRGS Jorge Ernesto de Araújo Mariath Capítulo 14 Biólogo Professor titular do Departamento de Botânica do Instituto de Biociências da UFRGS Doutor em Ciências Biológicas Botânica pela Universidade de São Paulo USP Júlio César de Lima Capítulos 2 18 e 20 Biólogo Professor de carreira do Magistério de Canoas PEB II Ciências Doutor em Genética e Biologia Molecular pela UFRGS Leandro Vieira Astarita Capítulo 13 Biólogo Professor adjunto da Faculdade de Biociências da PUCRS Doutor em Ciências Botânica pela USP Luís Mauro Gonçalves Rosa Capítulos 7 8 10 e 16 Professor adjunto do Departamento de Plantas Forrageiras e Agrometeorologia da Faculdade de Agronomia da UFRGS PhD em Botânica pela Universidade de Maryland College Park EUA Paulo Luiz de Oliveira Capítulos 9 15 19 21 24 Glossário e Índice Biólogo Professor titular aposentado do Departamento de Ecologia do Instituto de Biociências da UFRGS Mestre em Botânica pela UFRGS Doutor em Ciências Agrárias pela Universität Hohenheim Stuttgart República Federal da Alemanha Rinaldo Pires dos Santos Capítulos 2 e 20 Biólogo Professor associado do Departamento de Botânica do Instituto de Biociências da UFRGS Doutor em Ciências Botânica pela UFRGS F528 Fisiologia e desenvolvimento vegetal recurso eletrônico Lincoln Taiz et al tradução Alexandra Antunes Mastroberti et al revisão técnica Paulo Luiz de Oliveira 6 ed Porto Alegre Artmed 2017 Editado como livro impresso em 2017 ISBN 9788582713679 1 Fisiologia vegetal 2 Botânica I Taiz Lincoln CDU 58176 Catalogação na publicação Poliana Sanchez de Araujo CRB 102094 Taiziniciais6edEletronicoindd ii Taiziniciais6edEletronicoindd ii 21112016 105114 21112016 105114 Revisão técnica desta edição Paulo Luiz de Oliveira Biólogo Professor titular aposentado do Departamento de Ecologia do Instituto de Biociências da Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRGS Mestre em Botânica pela UFRGS Doutor em Ciências Agrárias pela Universität Hohenheim Stuttgart República Federal da Alemanha 2017 Versão impressa desta obra 2017 Taiziniciais6edEletronicoindd iii Taiziniciais6edEletronicoindd iii 21112016 105114 21112016 105114 Reservados todos os direitos de publicação em língua portuguesa à ARTMED EDITORA LTDA uma empresa do GRUPO A EDUCAÇÃO SA Av Jerônimo de Ornelas 670 Santana 90040340 Porto Alegre RS Fone 51 30277000 Fax 51 30277070 Unidade São Paulo Rua Doutor Cesário Mota Jr 63 Vila Buarque 01221020 São Paulo SP Fone 11 32219033 SAC 0800 7033444 wwwgrupoacombr É proibida a duplicação ou reprodução deste volume no todo ou em parte sob quaisquer formas ou por quaisquer meios eletrônico mecânico gravação fotocópia distribuição na Web e outros sem permissão expressa da Editora IMPRESSO NO BRASIL PRINTED IN BRAZIL Obra originalmente publicada sob o título Plant physiology and development 6th Edition ISBN 9781605352558 Copyright 2015 by Sinauer Associates Inc All rights reserved Gerente editorial Letícia Bispo de Lima Colaboraram nesta edição Coordenador editorial Alberto Schwanke Preparação de originais Luana Peixoto Neumann Leitura final Sandra Godoy Arte sobre capa original Kaéle Finalizando Ideias Fotografia da capa Castilleja miniata cresce nas encostas do Waterton Lakes National Park Alberta Canadá All Canada PhotosCorbis Editoração Clic Editoração Eletrônica Ltda As ciências biológicas estão em constante evolução À medida que novas pesquisas e a própria experiência ampliam o nosso conhecimento novas descobertas são realizadas Os autores desta obra consultaram as fontes consideradas confiáveis num esforço para oferecer informações completas e geralmente de acordo com os padrões aceitos à época da sua publicação Taiziniciaisindd iv Taiziniciaisindd iv 03112016 151310 03112016 151310 Lincoln Taiz é professor emérito de Bio logia Molecular Celular e do Desenvolvi mento na Universidade da Califórnia Santa Cruz Obteve o título de Doutor em Botânica pela Universidade da Califórnia Berkeley Na sua linha de pesquisa são en fatizadas a estrutura a função e a evolu ção das HATPases vacuolares Dr Taiz tem pesquisado também sobre gibereli nas propriedades mecânicas de paredes celulares transporte de metais transporte de auxinas e abertura estomática Capí tulos 15 16 18 19 20 21 22 e 23 Eduardo Zeiger é professor emérito de Biologia na Universidade da Califór nia em Los Angeles Obteve o título de Doutor em Genética Vegetal na Uni versidade da Califórnia Davis Seu in teresse em pesquisa inclui a função es tomática a transdução sensorial das respostas à luz azul e o estudo da acli matação estomática associada ao au mento da produtividade de culturas vegetais Capítulo 10 Ian Max Møller é professor associado do Departamento de Biologia Molecular e Ge nética na Universidade Aarhus Dinamarca Obteve o título de Doutor em Bioquímica Vegetal no Imperial College Londres Reino Unido Trabalhou na Universidade de Lund Suécia e recentemente no Laboratório Na cional de Risø e na Universidade Real de Ve terinária e Agricultura em Copenhagen Di namarca Ao longo de sua carreira professor Møller tem investigado a respiração vegetal Seus interesses atuais abrangem a renovação de espécies reativas de oxigênio e o papel da oxidação proteica nas células vegetais Capítulo 12 Angus Murphy é professor e chefe do De partamento de Ciências Vegetais e Arquitetu ra da Paisagem da Universidade de Maryland Obteve o título de Doutor em Biologia na Universidade da Califórnia Santa Cruz em 1996 Dr Murphy estuda transportadores de cassetes de ligação ao ATP proteínas de transporte de auxinas e o papel do transporte de auxinas no crescimento vegetal programa do e plástico Capítulos 15 16 17 18 e 19 Autores Allan G Rasmusson é professor de Fisiologia Vegetal na Universidade de Lund Suécia Obte ve o título de Doutor em Fisiologia Vegetal na mesma universidade em 1994 e concluiu seu pósdoutorado na IGF Berlim Sua linha de pes quisa atual está centrada no controle redox no metabolismo respiratório e nas interações peptí deomembrana Capítulo 12 Andreas Madlung é professor do Departamen to de Biologia da Universidade de Puget Sound Obteve o título de Doutor em Biologia Molecu lar e Celular na Universidade Estadual do Ore gon em 2000 Sua pesquisa laboratorial está voltada a questões fundamentais referentes à influência da estrutura genômica sobre a fisiolo gia e a evolução vegetal especialmente no que se refere à poliploidia Capítulo 2 Arnold J Bloom é professor do Departamento de Ciências da Universidade da Califórnia Da vis Obteve o título de Doutor em Ciências Bio lógicas na Universidade Stanford em 1979 Sua pesquisa tem como foco as relações plantani trogênio especialmente as diferenças de res postas de plantas ao amônio e ao nitrato como fontes de nitrogênio Com Emanuel Epstein é coautor do livro Mineral nutrition of plants e autor do livro Global climate change convergence of dis ciplines Capítulos 5 e 13 Bob B Buchanan é professor de Biologia Vege tal e Microbiana na Universidade da Califórnia Berkeley Continua trabalhando com regulação ligada à tiorredoxina na fotossíntese germina ção de sementes e processos relacionados Suas descobertas com cereais são promissoras quanto à aplicabilidade social Capítulo 8 v v V A U V v v v Organizadores Taiziniciaisindd v Taiziniciaisindd v 03112016 151310 03112016 151310 vi Autores Bruce Veit é pesquisador sênior na AgResearch Palmerston North Nova Zelândia Obteve o tí tulo de Doutor em Genética na Universidade de Washington Seattle em 1986 Realizou pós doutorado no Centro de Expressão Gênica Ve getal em Albany Califórnia Sua linha de pes quisa atual abrange os mecanismos que influenciam a determinação do destino celular Capítulo 17 Christine Beveridge é professora na Faculdade de Ciências Biológicas da Universidade de Que ensland Obteve o título de Doutora em Ciências Vegetais na Universidade da Tasmânia em 1994 Sua pesquisa tem como foco a arquitetura de brotos e o controle hormonal do desenvolvi mento especialmente estrigolactonas e inclui abordagens genéticas fisiologia molecular e modelagem vegetal Capítulo 19 Daniel J Cosgrove é professor de Biologia na Universidade Estadual da Pensilvânia Univer sity Park Obteve o título de Doutor em Ciências Biológicas na Universidade Stanford Sua linha de pesquisa está centrada no crescimento vege tal especialmente sobre os mecanismos bioquí micos e moleculares que controlam o cresci mento de células e a expansão da parede celular Seu grupo de pesquisa descobriu as proteínas de afrouxamento da parede celular denomina das expansinas e está estudando a estrutura a função e a evolução desta família de genes Capítulo 14 Darren R Sandquist é professor de Ciências Biológicas na Universidade Estadual da Califór nia Fullerton Obteve o título de Doutor na Uni versidade de Utah Sua linha de pesquisa está direcionada às respostas ecofisiológicas ao dis túrbio à invasão e a mudanças climáticas em ecossistemas áridos e semiáridos Capítulo 9 Eduardo Blumwald é professor de Biologia Ce lular e apoiado pelo Fundo criado por Will W Lester no Departamento de Ciências Vegetais da Universidade da Califórnia Davis Obteve o tí tulo de Doutor em Bioenergia na Universidade Hebraica de Jerusalém em 1984 Sua pesquisa tem como foco a adaptação das plantas ao es tresse ambiental e as bases celulares e molecula res da qualidade das frutas Capítulo 24 Gabriele B Monshausen é professora assis tente de Biologia na Universidade Estadual da Pensilvânia Obteve o título de Doutora em Bio logia Vegetal na Universidade de Bonn Alema nha Sua pesquisa tem como foco os mecanis mos de sinalização celular iônica em respostas hormonais vegetais e as respostas vegetais a forças mecânicas Capítulo 15 Graham B Seymour é professor de Biotecnolo gia Vegetal e chefe da Divisão de Botânica e Culturas Vegetais na Universidade de Nottin gham Reino Unido Seus principais interesses de pesquisa são as bases mecanísticas das carac terísticas de qualidade de frutos e a compreen são do papel do epigenoma na regulação do pro cesso de amadurecimento Capítulo 21 Heven Sze é professora da Universidade de Ma ryland College Park Obteve o título de Doutora em Fisiologia Vegetal na Universidade Purdue e foi bolsista de pósdoutorado na Faculdade de Medicina de Harvard Sua pesquisa tem como foco o mecanismo e regulação de transporte iô nico e como a homeostase de pH e íons estão integrados com crescimento desenvolvimento e reprodução Capítulo 21 James Ehleringer é professor emérito de Biolo gia na Universidade de Utah onde atua como Diretor do Global Change and Sustainability Center e da Stable Isotope Ratio Facility for En vironmental Research SIRFER Sua pesquisa busca o entendimento de processos em ecossis temas terrestres através de análises com isóto pos estáveis trocas gasosas e interações biosfe raatmosfera e relações hídricas Capítulo 9 Joe H Sullivan é professor no Departamento de Ciências Vegetais e Arquitetura da Paisagem da Universidade de Maryland Obteve o título de Doutor em Fisiologia Vegetal na Universida de Clemson em 1985 Seus interesses de pesqui sa incluem Ecologia Fisiológica Vegetal em ecos sistemas naturais e urbanos com interesse particular na reposta de plantas à radiação ultra violeta e outros parâmetros da mudança climáti ca global Capítulo 16 John Browse é professor do Instituto de Quí mica Biológica da Universidade Estadual de Wa shington Obteve o título de Doutor na Univer sidade de Aukland Nova Zelândia em 1977 Sua linha de pesquisa inclui a bioquímica do metabolismo de lipídeos e as respostas das plan tas às temperaturas baixas Capítulo 12 John Christie é graduado em Bioquímica obteve o título de Doutor na Universidade de Glasgow onde atualmente é professor de Fotobiologia Durante seu pósdoutorado com Winslow Briggs em Stanford contribuiu para desvendar a identi dade molecular das fototropinas de plantas supe riores Estabeleceu seu próprio grupo de pesquisa na Universidade de Glasgow em 2002 e continua investigando as bases moleculares da sinalização e função de receptores vegetais de luz azul e UV Sua pesquisa também abrange o desenvolvimen to de novas tecnologias derivadas da caracteriza ção de fotorreceptores Capítulo 16 V v v v Taiziniciaisindd vi Taiziniciaisindd vi 03112016 151311 03112016 151311 Autores vii Jürgen Engelberth é professor associado de Bioquímica Vegetal na Universidade do Texas San Antonio Obteve o título de Doutor em Fi siologia Vegetal na Universidade Ruhr em Bo chum Alemanha em 1995 Realizou trabalho de pósdoutorado no Instituto Max Planck de Ecologia Química em USDA ARS CMAVE em Gainesville e na Universidade Estadual Penn Sua pesquisa tem como foco a sinalização envol vida nas interações plantainseto e planta planta Capítulo 23 Lawrence Griffing é professor associado do Departamento de Biologia da Universidade do Texas AM Obteve o título de Doutor em Ciên cias Biológicas na Universidade Stanford Sua linha de pesquisa tem como foco a biologia celu lar vegetal concentrandose nas interações en tre o retículo endoplasmático e outras membra nas e nas dinâmicas das endomembranas através de suas interações com o citoesqueleto Sua atividade de ensino enfatiza a incorporação da investigação autêntica e das descobertas científicas em cursos de graduação Capítulo 1 N Michele Holbrook é professora do Departa mento de Biologia Organísmica e Evolutiva da Universidade Harvard Obteve o título de Dou tora na Universidade Stanford em 1995 Seu grupo de pesquisa estuda as relações hídricas e o transporte em longa distância através do xile ma e do floema Capítulos 3 e 4 Philip A Wigge é pesquisador principal do la boratório Sainsbury Universidade de Cambrid ge Reino Unido Obteve o título de Doutor em Biologia Celular na Universidade de Cambridge Reino Unido em 2001 No laboratório de Detlef Weigel Instituto Salk Califórnia Dr Wigge es tudou como o florígeno controla o desenvolvi mento vegetal Seu grupo de pesquisa estuda a capacidade das plantas de perceber e responder a mudanças climáticas Capítulo 20 Ricardo A Wolosiuk é professor da Universi dade de Buenos Aires e pesquisador sênior do Instituto Leloir Buenos Aires Obteve o título de Doutor em Química na mesma universidade em 1974 Sua linha de pesquisa concentrase na modulação da assimilação fotossintética do CO2 e na estrutura e função de proteínas vegetais Capítulo 8 Robert E Blankenship é professor de Biologia e de Química na Universidade de Washington St Louis Obteve o título de Doutor em Química na Universidade da Califórnia Berkeley em 1975 Seus interesses profissionais incluem os mecanismos de transferência de energia e elé trons em organismos fotossintetizantes bem como a origem e a evolução inicial da fotossínte se Capítulo 7 Ron Mittler é professor do Departamento de Ciências Biológicas da Universidade de North Texas Obteve o título de Doutor em Bioquímica na Rutgers Universidade Estadual de New Jer sey Sua pesquisa atual tem como foco as res postas vegetais ao estresse abiótico e o metabo lismo e sinalização de espécies reativas de oxigênio em células vegetais e cancerígenas Capítulo 24 Sally Smith é professora emérita e adjunta no Grupo de Solos da Faculdade de Agricultura Alimentos e Vinho na Universidade de Adelai de Austrália É membro da Academia Australia na de Ciências e coautora de um livro acadêmico fundamental sobre micorrizas Seus interesses de pesquisa incluem as interações entre fungos micorrízicos arbusculares e plantas especial mente os papéis da simbiose no crescimento e nutrição de fosfato vegetal Capítulo 5 Sarah M Assmann é professora do Departa mento de Biologia da Universidade Estadual da Pensilvânia Obteve o título de Doutora em Ciências Biológicas na Universidade Stanford Dra Assmann estuda como as plantas respon dem ao estresse ambiental com ênfase em re gulação do estresse abiótico da estrutura do RNA sinalização de proteínas G heterométricas e biologia de sistemas das célulasguarda Capítulo 6 Susan Dunford é professora associada de Ciên cias Biológicas na Universidade de Cincinnati Obteve o título de Doutora na Universidade de Dayton em 1973 especializandose em Fisiolo gia Vegetal e Celular Seu interesse científico inclui os sistemas de transporte de longa distân cia em plantas enfatizando a translocação no floema e as relações hídricas Capítulo 11 Victor Busov é professor da Universidade Tec nológica de Michigan Seu trabalho tem como foco a compreensão dos mecanismos molecula res que regulam o crescimento e o desenvolvi mento de espécies lenhosas perenes Tem inte resse na forma como esses mecanismos são importantes na adaptação ao ambiente na evo lução de diferentes formas de vida e nas aplica ções para o aperfeiçoamento das árvores e bio tecnologia Capítulo 19 Wendy Peer é professora assistente no Depar tamento de Tecnologia e Ciências Ambientais e afiliada ao Departamento de Ciências Vegetais e Arquitetura da Paisagem da Universidade de Maryland College Park Sua pesquisa tem como foco o estabelecimento de plântulas e a integra ção de sinais ambientais e de desenvolvimento que levam ao sucesso no estabelecimento de plântulas Capítulos 15 18 e 19 Taiziniciaisindd vii Taiziniciaisindd vii 03112016 151311 03112016 151311 Javier Abadía Aula Dei Experimental Station Spanish Council for Scientific Research Elizabeth A Ainsworth USDA Agricultural Research Service Richard Amasino University of Wisconsin Diane Bassham Iowa State University Tom Beeckman VIBGhent University J Derek Bewley Emeritus University of Guelph Winslow Briggs Carnegie Institution for Science Stanford Alice Y Cheung University of Massachusetts Amherst KarlJosef Dietz Bielefeld University Anna Dobritsa The Ohio State University Xinnian Dong Duke University Anna F Edlund Lafayette College Christian Fankhauser University of Lausanne Ruth Finkelstein University of California Santa Barbara James J Giovannoni Cornell University Heiner E Goldbach University of Bonn Sigal Sivaldi Goldstein The Technion Israel Institute of Technology Michael Gutensohn Purdue University Philip J Harris University of Auckland New Zealand George Haughn University of British Columbia J S Pat HeslopHarrison University of Leicester Joseph Kieber The University of North Carolina Kenneth L Korth University of Arkansas Clark Lagarias University of California Davis Jane Langdale University of Oxford Andrew R Leitch Queen Mary University of London Gerhard LeubnerMetzger Royal Holloway University of London David Macherel University of Angers Massimo Maffei University of Turin Ján A Miernykj University of Missouri June B Nasrallah Cornell University Lars Østergaard The John Innes Centre Jarmila Pittermann University of California Santa Cruz Jerry Roberts University of Nottingham John Roden Southern Oregon University Jocelyn K C Rose Cornell University Rowan F Sage University of Toronto PillSoon Song Jeju National University Valerie Sponsel The University of Texas at San Antonio Venkatesan Sundaresan University of California Davis Dan Szymanski Purdue University Lawrence D Talbott University of California Los Angeles Paolo Trost University of Bologna Miltos Tsiantis University of Oxford Robert Turgeon Cornell University David Twell University of Leicester Michael Udvardi The Samuel Roberts Noble Foundation Luis Vidali Worcester Polytechnic Institute Rick Vierstra University of Wisconsin Madison John M Ward University of Minnesota John C Watson Indiana UniversityPurdue University Indianapolis Dolf Weijers Wageningen University Ramin Yadegari University of Arizona Revisores Científicos Taiziniciaisindd viii Taiziniciaisindd viii 03112016 151311 03112016 151311 Prefácio Leitores de edições anteriores deste livro perceberão uma novidade significativa já na capa o título foi alterado de Fisiologia vegetal para Fisiologia e desenvolvimento vegetal O novo título reflete uma reorganização importante da Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Em vez de ca pítulos separados sobre estrutura e função de hormônios e fotorreceptores individuais as interações de fotorrecep tores e hormônios são agora descritas no contexto do ciclo de vida vegetal de semente a semente Esta mudança de abordagem foi facilitada pela explosão virtual de infor mações sobre interações de rotas de sinalização e redes gênicas durante os últimos anos Entre os diversos novos assuntos abordados pela primeira vez nesta 6ª edição es tão dormência de sementes germinação estabelecimento de plântulas arquitetura de raízes e partes aéreas desen volvimento de gametófito polinização desenvolvimento de semente desenvolvimento de frutos interações bióti cas e senescência vegetal O resultado é uma apresentação atualizada abrangente e cuidadosamente ilustrada do de senvolvimento vegetal que oferecerá aos estudantes uma compreensão da integração de luz hormônios e outros agentes de sinalização que regulam os diversos estágios do ciclo de vida vegetal Os capítulos das Unidades I e II abrangem assuntos tradicionais de fisiologia vegetal como relações hídricas nutrição mineral transporte fotossíntese e respiração que também foram amplamente atualizados nesta edição Es ses processos funcionam mais ou menos continuamente ao longo da vida das plantas e em nossa opinião tentar posicionálos arbitrariamente em algum estágio do ciclo de vida não é apenas confuso mas também interrompe o fluxo da narrativa do desenvolvimento Assim por ra zões pedagógicas mantivemos a integridade dos capítulos sobre fisiologia no início do livro Depois de dominar os processos fisiológicos básicos abordados nas Unidades I e II os estudantes estarão preparados para direcionar sua atenção às rotas de sinalização e redes gênicas que gover nam as mudanças temporais que ocorrem durante o ciclo de vida vegetal conforme descrito na Unidade III Além da mudança de título outra importante novida de fica aparente a partir da capa a inclusão de dois novos organizadores Ian Max Møller professor associado do Departamento de Biologia Molecular e Genética na Uni versidade Aarhus Dinamarca e Angus Murphy professor e chefe do Departamento de Ciências Vegetais e Arquite tura da Paisagem da Universidade de Maryland College Park Max Møller trabalhou como organizador de desen volvimento no livro como um todo avaliando cada capítu lo quanto ao nível coerência e pedagogia Angus Murphy liderou a reorganização da Unidade III e foi autor de diver sos capítulos Os dois novos organizadores foram inesti máveis durante a preparação da 6ª edição e suas presenças garantem que a continuidade será preservada em edições futuras do livro Além disso Wendy Peer professora as sistente no Departamento de Tecnologia e Ciências Am bientais da Universidade de Maryland fez contribuições importantes na reestruturação da Unidade III e também foi autora de diversos capítulos Os organizadores Taiziniciaisindd ix Taiziniciaisindd ix 03112016 151311 03112016 151311 Para o professor Professores podem fazer download do material com plementar exclusivo em português Acesse nosso site lojagrupoacombr cadastrese gratuitamente como pro fessor encontre a página do livro por meio do campo de busca e clique no link Material para o Professor Para o estudante Em wwwplantphysnet estão disponíveis materiais complementares gratuitos em inglês que auxiliarão no estudo dos temas Ao final de cada capítulo deste livro na seção Material da Internet há uma lista de conteúdos avançados sobre Tópicos de interesse selecionados web topics e Ensaios de pesquisa atual essays Além disso estão disponíveis no mesmo endereço um conjunto de questões de estudo study questions e referências adicio nais references A manutenção e a disponibilização da página wwwplantphysnet em inglês são de responsabilidade da Sinauer Associates Inc Apêndices Quatro apêndices em português estão disponíveis online nesta edição Para acessálos entre em lojagrupoacombr encontre a página do livro por meio do campo de busca e clique no link Conteúdo Online Apêndice 1 Energia e Enzimas Apêndice 2 Análise do Crescimento Vegetal Apêndice 3 Rotas Biossintéticas de Hormônios Apêndice 4 Metabólitos Secundários Recursos Didáticos Taiziniciaisindd x Taiziniciaisindd x 03112016 151311 03112016 151311 Sumário Resumido CAPÍTULO 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 1 CAPÍTULO 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 51 UNIDADE I Transporte e Translocação de Água e Solutos 81 CAPÍTULO 3 Água e Células Vegetais 83 CAPÍTULO 4 Balanço Hídrico das Plantas 99 CAPÍTULO 5 Nutrição Mineral 119 CAPÍTULO 6 Transporte de Solutos 143 UNIDADE II Bioquímica e Metabolismo 169 CAPÍTULO 7 Fotossíntese Reações Luminosas 171 CAPÍTULO 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 203 CAPÍTULO 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 245 CAPÍTULO 10 Biologia dos Estômatos 269 CAPÍTULO 11 Translocação no Floema 285 CAPÍTULO 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 317 CAPÍTULO 13 Assimilação de Nutrientes Inorgânicos 353 UNIDADE III Crescimento e Desenvolvimento 377 CAPÍTULO 14 Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão 379 CAPÍTULO 15 Sinais e Transdução de Sinal 407 CAPÍTULO 16 Sinais da Luz Solar 447 CAPÍTULO 17 Embriogênese 477 CAPÍTULO 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 513 CAPÍTULO 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 553 CAPÍTULO 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 591 CAPÍTULO 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 625 CAPÍTULO 22 Senescência Vegetal e Morte Celular 665 CAPÍTULO 23 Interações Bióticas 693 CAPÍTULO 24 Estresse Abiótico 731 Taiziniciaisindd xi Taiziniciaisindd xi 03112016 151311 03112016 151311 Taiziniciaisindd xii Taiziniciaisindd xii 03112016 151311 03112016 151311 Esta página foi deixada em branco intencionalmente Sumário Detalhado CAPÍTULO 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 1 Processos vitais das plantas princípios unificadores 2 Classificação e ciclos de vida das plantas 2 Os ciclos de vida da planta alternamse entre gerações diploides e haploides 3 Visão geral da estrutura vegetal 5 As células vegetais são delimitadas por paredes rígidas 5 Os plasmodesmos permitem o movimento livre de moléculas entre as células 8 As novas células são produzidas por tecidos em divisão denominados meristemas 8 Organelas da célula vegetal 10 As membranas biológicas são bicamadas de fosfolipídeos que contêm proteínas 10 O sistema de endomembranas 13 O núcleo contém a maior parte do material genético 13 A expressão gênica envolve a transcrição e a tradução 17 O retículo endoplasmático é uma rede de endomembranas 17 A secreção de proteínas pelas células inicia no retículo endoplasmático rugoso 19 As glicoproteínas e os polissacarídeos destinados para secreção são processados no complexo de Golgi 20 A membrana plasmática possui regiões especializadas envolvidas na reciclagem de membrana 22 Os vacúolos apresentam diversas funções nas células vegetais 23 Organelas de divisão ou fusão independente derivadas do sistema de endomembranas 23 Os oleossomos são organelas que armazenam lipídeos 23 Os microcorpos exercem papéis metabólicos especializados em folhas e sementes 24 Organelas semiautônomas de divisão independente 25 Próplastídios desenvolvemse em plastídios especializados em diferentes tecidos vegetais 27 A divisão de cloroplastos e mitocôndrias é independente da divisão nuclear 28 O citoesqueleto vegetal 29 O citoesqueleto vegetal é formado por microtúbulos e microfilamentos 29 Actina tubulina e seus polímeros estão em constante movimento na célula 31 Os microtúbulos corticais movemse pela célula por meio de esteira rolante 33 Proteínas motoras do citoesqueleto participam da corrente citoplasmática e do movimento dirigido de organelas 33 A regulação do ciclo celular 35 Cada fase do ciclo celular apresenta um conjunto específico de atividades bioquímicas e celulares 35 O ciclo celular é regulado por ciclinas e por quinases dependentes de ciclina 36 Os microtúbulos e o sistema de endomembranas atuam na mitose e na citocinese 37 Tipos de células vegetais 39 Tecidos dérmicos recobrem as superfícies das plantas 39 Tecidos fundamentais formam o corpo dos vegetais 40 Os tecidos vasculares formam redes de transporte entre diferentes partes da planta 44 CAPÍTULO 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 51 Organização do genoma nuclear 51 O genoma nuclear é compactado na cromatina 52 Centrô meros telô meros e regiões organizadoras do nucléolo contê m sequê ncias repetitivas 52 Transpósons são sequências móveis dentro do genoma 53 Taiziniciaisindd xiii Taiziniciaisindd xiii 03112016 151311 03112016 151311 xiv Sumário Detalhado A organização cromossômica não é aleatória no núcleo interfásico 54 A meiose divide o número de cromossomos e permite a recombinação dos alelos 54 Poliploides contêm múltiplas cópias do genoma completo 56 As respostas fenotípicas e fisiológicas à poliploidia são imprevisíveis 58 O papel da poliploidia na evolução ainda não está claro 60 Genomas citoplasmáticos em plantas mitocôndrias e plastídios 61 A teoria endossimbiótica descreve a origem dos genomas citoplasmáticos 61 Genomas organelares variam no tamanho 61 A genética das organelas não obedece os princípios mendelianos 61 Regulação transcricional da expressão gênica nuclear 62 A RNApolimerase II ligase à região promotora da maioria dos genes codificadores de proteínas 62 Sequências nucleotídicas conservadas sinalizam o término da transcrição e a poliadenilação 64 Modificações epigenéticas ajudam a determinar a atividade gênica 65 Regulação póstranscricional da expressão gênica nuclear 67 Todas as moléculas de RNA estão sujeitas ao decaimento 67 RNAs não codificantes regulam a atividade de mRNA por meio das rotas do RNA de interferência RNAi 67 A regulação póstraducional determina o tempo de vida das proteínas 71 Ferramentas para o estudo da função gênica 72 A análise de mutantes pode ajudar a elucidar a função gênica 72 Técnicas moleculares podem medir a atividade dos genes 73 Fusões gênicas podem introduzir genes repórteres 74 Modificação genética de plantas cultivadas 76 Transgenes podem conferir resistência a herbicidas ou a pragas de plantas 77 Organismos geneticamente modificados são controversos 77 Transporte e Translocação de Água e Solutos 81 CAPÍTULO 3 Água e Células Vegetais 83 A água na vida das plantas 83 A estrutura e as propriedades da água 84 A água é uma molécula polar que forma pontes de hidrogênio 84 A água é um excelente solvente 84 A água tem propriedades térmicas características em relação a seu tamanho 85 As moléculas de água são altamente coesivas 85 A água tem uma grande resistência à tensão 86 Difusão e osmose 87 Difusão é o movimento líquido de moléculas por agitação térmica aleatória 87 A difusão é mais eficaz para curtas distâncias 88 A osmose descreve o movimento líquido da água através de uma barreira seletivamente permeável 88 Potencial hídrico 89 O potencial químico da água representa o status de sua energia livre 89 Três fatores principais contribuem para o potencial hídrico celular 90 Potenciais hídricos podem ser medidos 90 Potencial hídrico das células vegetais 91 A água entra na célula ao longo de um gradiente de potencial hídrico 91 A água também pode sair da célula em resposta a um gradiente de potencial hídrico 92 O potencial hídrico e seus componentes variam com as condições de crescimento e sua localização dentro da planta 93 Propriedades da parede celular e da membrana plasmática 93 Pequenas mudanças no volume da célula vegetal causam grandes mudanças na pressão de turgor 93 A taxa na qual as células ganham ou perdem água é influenciada pela condutividade hidráulica da membrana celular 94 Aquaporinas facilitam o movimento de água através das membranas plasmáticas 95 UNIDADE I Taiziniciaisindd xiv Taiziniciaisindd xiv 03112016 151311 03112016 151311 Sumário Detalhado xv O status hídrico da planta 96 Os processos fisiológicos são afetados pelo status hídrico da planta 96 A acumulação de solutos ajuda a manter a pressão de turgor e o volume das células 96 CAPÍTULO 4 Balanço Hídrico das Plantas 99 A água no solo 99 Uma pressão hidrostática negativa na água do solo diminui seu potencial hídrico 100 A água movese pelo solo por fluxo de massa 101 Absorção de água pelas raízes 101 A água movese na raiz pelas rotas apoplástica simplástica e transmembrana 102 A acumulação de solutos no xilema pode gerar pressão de raiz 103 Transporte de água pelo xilema 104 O xilema consiste em dois tipos de células de transporte 104 A água movese através do xilema por fluxo de massa acionado por pressão 105 O movimento de água através do xilema requer um gradiente de pressão menor que o do movimento através de células vivas 106 Que diferença de pressão é necessária para elevar a água 100 m até o topo de uma árvore 107 A teoria da coesãotensão explica o transporte de água no xilema 107 O transporte de água no xilema em árvores enfrenta desafios físicos 108 As plantas minimizam as consequências da cavitação do xilema 110 Movimento da água da folha para a atmosfera 110 As folhas têm uma grande resistência hidráulica 111 A força propulsora da transpiração é a diferença na concentração de vapor de água 111 A perda de água também é regulada por resistências na rota 111 O controle estomático liga a transpiração foliar à fotossíntese foliar 112 As paredes celulares das célulasguarda têm características especializadas 113 Um aumento na pressão de turgor das célulasguarda abre o estômato 115 A razão de transpiração mede a relação entre perda de água e ganho de carbono 116 Visão geral o continuum soloplantaatmosfera 116 CAPÍTULO 5 Nutrição Mineral 119 Nutrientes essenciais deficiências e distúrbios vegetais 120 Técnicas especiais são utilizadas em estudos nutricionais 122 Soluções nutritivas podem sustentar rápido crescimento vegetal 122 Deficiências minerais perturbam o metabolismo e o funcionamento vegetal 125 A análise de tecidos vegetais revela deficiências minerais 129 Tratando deficiências nutricionais 129 A produtividade das culturas pode ser melhorada pela adição de fertilizantes 130 Alguns nutrientes minerais podem ser absorvidos pelas folhas 131 Solo raízes e microrganismos 131 Partículas de solo negativamente carregadas afetam a adsorção dos nutrientes minerais 131 O pH do solo afeta a disponibilidade de nutrientes os microrganismos do solo e o crescimento das raízes 133 O excesso de íons minerais no solo limita o crescimento das plantas 133 Algumas plantas desenvolvem sistemas de raízes extensos 133 Os sistemas de raízes diferem na forma mas se baseiam em estruturas comuns 134 Áreas diferentes da raiz absorvem íons minerais distintos 136 A disponibilidade de nutrientes influencia o crescimento da raiz 137 As simbioses micorrízicas facilitam a absorção de nutrientes pelas raízes 137 Os nutrientes movemse entre os fungos micorrízicos e as células das raízes 140 CAPÍTULO 6 Transporte de Solutos 143 Transporte passivo e ativo 144 Transporte de íons através de barreiras de membrana 145 Taxas de difusão diferentes para cátions e ânions produzem potenciais de difusão 146 Como o potencial de membrana se relaciona à distribuição de um íon 146 A equação de Nernst distingue transporte ativo de transporte passivo 147 Taiziniciaisindd xv Taiziniciaisindd xv 03112016 151311 03112016 151311 xvi Sumário Detalhado O transporte de prótons é um importante determinante do potencial de membrana 148 Processos de transporte em membranas 149 Os canais aumentam a difusão através das membranas 150 Os carregadores ligam e transportam substâncias específicas 151 O transporte ativo primário requer energia 152 O transporte ativo secundário utiliza energia armazenada 153 Análises cinéticas podem elucidar mecanismos de transporte 154 Proteínas de transporte em membranas 155 Para muitos transportadores os genes têm sido identificados 157 Existem transportadores para diversos compostos nitrogenados 157 Os transportadores de cátions são diversos 158 Transportadores de ânions foram identificados 160 Transportadores de íons metálicos e metaloides transportam micronutrientes essenciais 160 As aquaporinas têm funções diversas 161 As HATPases da membrana plasmática são ATPases do tipo P altamente reguladas 161 A HATPase do tonoplasto aciona a acumulação de solutos nos vacúolos 162 As Hpirofosfatases também bombeiam prótons no tonoplasto 163 Transporte de íons nas raízes 164 Os solutos movemse tanto através do apoplasto quanto do simplasto 164 Os íons cruzam o simplasto e o apoplasto 164 As células parenquimáticas do xilema participam de seu carregamento 165 Bioquímica e Metabolismo 169 CAPÍTULO 7 Fotossíntese Reações Luminosas 171 Fotossíntese nas plantas superiores 171 Conceitos gerais 172 A luz possui características tanto de partícula quanto de onda 172 As moléculas alteram seu estado eletrônico quando absorvem ou emitem luz 173 Os pigmentos fotossintetizantes absorvem a luz que impulsiona a fotossíntese 175 Experimentoschave para a compreensão da fotossíntese 175 Os espectros de ação relacionam a absorção de luz à atividade fotossintética 176 A fotossíntese ocorre em complexos contendo antenas de captação de luz e centros fotoquímicos de reação 176 A reação química da fotossíntese é impulsionada pela luz 178 A luz impulsiona a redução do NADP e a formação do ATP 178 Os organismos produtores de oxigênio possuem dois fotossistemas que operam em série 179 Organização do aparelho fotossintético 180 O cloroplasto é o local da fotossíntese 180 Os tilacoides contêm proteínas integrais de membrana 181 Os fotossistemas I e II estão separados espacialmente na membrana do tilacoide 181 As bactérias anoxigênicas fotossintetizantes possuem um único centro de reação 182 Organização dos sistemas antena de absorção de luz 183 O sistema antena contém clorofila e está associado à membrana 183 A antena canaliza energia para o centro de reação 183 Muitos complexos pigmentoproteicos antena possuem um motivo estrutural comum 183 Mecanismos de transporte de elétrons 185 Elétrons oriundos da clorofila viajam através de carregadores organizados no esquema Z 185 A energia é capturada quando uma clorofila excitada reduz uma molécula aceptora de elétrons 186 As clorofilas dos centros de reação dos dois fotossistemas absorvem em comprimentos de onda diferentes 187 O centro de reação do fotossistema II é um complexo pigmento proteico com múltiplas subunidades 188 A água é oxidada a oxigênio pelo fotossistema II 188 Feofitina e duas quinonas recebem elétrons do fotossistema II 189 UNIDADE II Taiziniciaisindd xvi Taiziniciaisindd xvi 03112016 151311 03112016 151311 Sumário Detalhado xvii O fluxo de elétrons através do complexo citocromo b6f também transporta prótons 191 A plastoquinona e a plastocianina transportam elétrons entre os fotossistemas II e I 192 O centro de reação do fotossistema I reduz o NADP 192 O fluxo cíclico de elétrons gera ATP mas não NADPH 193 Alguns herbicidas bloqueiam o fluxo fotossintético de elétrons 193 O transporte de prótons e a síntese de ATP no cloroplasto 193 Reparo e regulação da maquinaria fotossintética 195 Os carotenoides servem como agentes fotoprotetores 196 Algumas xantofilas também participam na dissipação da energia 197 O centro de reação do fotossistema II é facilmente danificado 197 O fotossistema I está protegido das espécies ativas de oxigênio 198 O empilhamento dos tilacoides permite a partição de energia entre os fotossistemas 198 Genética montagem e evolução dos sistemas fotossintéticos 198 Os genes dos cloroplastos exibem padrões de hereditariedade não mendelianos 198 A maioria das proteínas dos cloroplastos é importada do citoplasma 199 A biossíntese e a quebra das clorofilas são rotas complexas 199 Os organismos fotossintetizantes complexos evoluíram a partir de formas mais simples 199 CAPÍTULO 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 203 O ciclo de CalvinBenson 204 O ciclo de CalvinBenson tem três fases carboxilação redução e regeneração 204 A fixação do CO2 via carboxilação da ribulose15 bifosfato e redução do produto 3fosfoglicerato gera trioses fosfato 206 A regeneração da ribulose15bifosfato assegura a assimilação contínua do CO2 207 Um período de indução antecede o estado de equilíbrio da assimilação fotossintética do CO2 208 Muitos mecanismos regulam o ciclo de CalvinBenson 209 A rubisco ativase regula a atividade catalítica da rubisco 209 A luz regula o ciclo de CalvinBenson via sistema ferredoxinatiorredoxina 210 Movimentos iônicos dependentes da luz modulam as enzimas do ciclo de CalvinBenson 211 A luz controla o arranjo das enzimas do cloroplasto em complexos supramoleculares 211 O ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 211 A oxigenação da ribulose15bifosfato coloca em marcha o ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 213 A fotorrespiração está ligada ao sistema de transporte de elétrons da fotossíntese 217 As enzimas do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono das plantas derivam de diferentes ancestrais 217 As cianobactérias usam uma rota proteobacteriana para trazer os átomos de carbono do 2fosfoglicolato de volta ao ciclo de CalvinBenson 217 O ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono interage com muitas rotas metabólicas 218 A produção de biomassa pode ser aumentada por engenharia na fotorrespiração 219 Mecanismos de concentração de carbono inorgânico 220 Mecanismos de concentração de carbono inorgânico o ciclo C4 do carbono 220 Malato e aspartato são os produtos primários da carboxilação no ciclo C4 221 O ciclo C4 assimila CO2 por uma ação combinada de dois tipos diferentes de células 222 O ciclo C4 utiliza mecanismos diferentes para a descarboxilação dos ácidos de quatro carbonos transportados para as células da bainha do feixe vascular 224 As células da bainha vascular e células do mesofilo apresentam diferenças anatômicas e bioquímicas 224 O ciclo C4 também concentra CO2 em células individuais 225 A luz regula a atividade de enzimaschave das C4 225 A assimilação fotossintética de CO2 nas plantas C4 demanda mais processos de transporte do que as plantas C3 225 Em climas quentes e secos o ciclo C4 reduz a fotorrespiração 228 Mecanismos de concentração de carbono inorgânico metabolismo ácido das crassuláceas CAM 228 Diferentes mecanismos regulam a PEPCase C4 e a PEPCase CAM 230 Taiziniciaisindd xvii Taiziniciaisindd xvii 03112016 151311 03112016 151311 xviii Sumário Detalhado O metabolismo ácido das crassuláceas é um mecanismo versátil sensível a estímulos ambientais 230 Acumulação e partição de fotossintatos amido e sacarose 230 Formação e mobilização do amido do cloroplasto 231 O estroma do cloroplasto acumula amido como grânulos insolúveis durante o dia 233 A degradação do amido à noite requer a fosforilação da amilopectina 236 A exportação de maltose prevalece na decomposição noturna do amido transitório 237 A síntese e a degradação do grânulo de amido são reguladas por múltiplos mecanismos 237 Biossíntese da sacarose e sinalização 238 Trioses fosfato do ciclo de CalvinBenson constroem o pool citosólico de três importantes hexoses fosfato na luz 238 A frutose26bifosfato regula o pool de hexose fosfato na luz 239 A sacarose é continuamente sintetizada no citosol 239 CAPÍTULO 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 245 A fotossíntese é influenciada pelas propriedades foliares 246 A anatomia foliar e a estrutura do dossel maximizam a absorção da luz 247 O ângulo e o movimento da folha podem controlar a absorção da luz 249 As folhas aclimatamse a ambientes ensolarados e sombrios 249 Efeitos da luz na fotossíntese na folha intacta 250 As curvas de resposta à luz revelam propriedades fotossintéticas 250 As folhas precisam dissipar o excesso de energia luminosa 252 A absorção de luz em demasia pode levar à fotoinibição 254 Efeitos da temperatura na fotossíntese na folha intacta 255 As folhas precisam dissipar grandes quantidades de calor 255 Existe uma temperatura ideal para a fotossíntese 256 A fotossíntese é sensível às temperaturas altas e baixas 256 A eficiência fotossintética é sensível à temperatura 257 Efeitos do dióxido de carbono na fotossíntese na folha intacta 258 A concentração de CO2 atmosférico continua subindo 258 A difusão de CO2 até o cloroplasto é essencial para a fotossíntese 258 O CO2 impõe limitações à fotossíntese 260 Como a fotossíntese e a respiração mudarão no futuro sob condições de aumento de CO2 262 Propriedades fotossintéticas pelo registro de isótopos estáveis 264 Como são medidos os isótopos estáveis de carbono de plantas 264 Por que existem variações na razão entre isótopos de carbono em plantas 265 CAPÍTULO 10 Biologia dos Estômatos 269 Abertura estomática dependente de luz 270 As célulasguarda respondem à luz azul 270 A luz azul ativa uma bomba de prótons na membrana plasmática da célulaguarda 271 As respostas à luz azul possuem cinética e períodos de atraso lag times característicos 273 A luz azul regula o equilíbrio osmótico das célulasguarda 273 A sacarose é um soluto osmoticamente ativo nas célulasguarda 275 Mediação da fotorrecepção da luz azul em célulasguarda por zeaxantina 276 Reversão por luz verde da abertura estimulada pela luz azul 278 Um complexo carotenoideproteína detecta a intensidade da luz 280 O poder de resolução da fotofisiologia 280 CAPÍTULO 11 Translocação no Floema 285 Rotas de translocação 286 O açúcar é translocado nos elementos crivados 286 Os elementos crivados maduros são células vivas especializadas para translocação 287 Grandes poros nas paredes celulares caracterizam os elementos crivados 288 Elementos de tubo crivado danificados são vedados 289 As células companheiras dão suporte aos elementos crivados altamente especializados 290 Taiziniciaisindd xviii Taiziniciaisindd xviii 03112016 151311 03112016 151311 Sumário Detalhado xix Padrões de translocação fontedreno 291 Materiais translocados no floema 292 A seiva do floema pode ser coletada e analisada 292 Os açúcares são translocados na forma não redutora 293 Outros solutos são translocados no floema 293 Taxa de movimento 295 Modelo de fluxo de pressão um mecanismo passivo para a translocação no floema 295 Um gradiente de pressão gerado osmoticamente aciona a translocação no modelo de fluxo de pressão 295 Algumas previsões do modelo de fluxo de pressão têm sido confirmadas enquanto outras necessitam de experimentos adicionais 296 Não há transporte bidirecional em um único elemento crivado e solutos e água movemse na mesma velocidade 297 A necessidade de energia para o transporte no floema é pequena em plantas herbáceas 297 Os poros da placa crivada parecem ser canais abertos 298 Os gradientes de pressão nos elementos crivados podem ser moderados as pressões em plantas herbáceas e árvores parecem ser semelhantes 298 Modelos alternativos para translocação por fluxo de massa foram sugeridos 299 A translocação em gimnospermas envolve um mecanismo diferente 299 Carregamento do floema 300 O carregamento do floema pode ocorrer via apoplasto ou simplasto 300 Dados abundantes dão suporte à ocorrência do carregamento apoplástico em algumas espécies 301 A absorção de sacarose na rota apoplástica requer energia metabólica 301 Na rota apoplástica o carregamento dos elementos crivados envolve um transportador de sacaroseH do tipo simporte 302 O carregamento do floema é simplástico em algumas espécies 302 O modelo de aprisionamento de polímeros explica o carregamento simplástico em plantas com células companheiras do tipo intermediário 303 O carregamento do floema é passivo em diversas espécies arbóreas 304 O tipo de carregamento do floema está correlacionado a muitas características significativas 304 Descarregamento do floema e transição drenofonte 305 O descarregamento do floema e o transporte de curta distância podem ocorrer via rotas simplástica ou apoplástica 306 O transporte para os tecidosdreno necessita de energia metabólica 306 Em uma folha a transição de dreno para fonte é gradual 307 Distribuição dos fotossintatos alocação e partição 309 A alocação inclui reserva utilização e transporte 309 Partição dos açúcares de transporte entre vários drenos 309 As folhasfonte regulam a alocação 310 Os tecidosdreno competem pelos fotossintatos translocados disponíveis 310 A intensidade do dreno depende de seu tamanho e atividade 311 A fonte ajustase às alterações de longo prazo na razão fontedreno 311 Transporte de moléculas sinalizadoras 312 A pressão de turgor e os sinais químicos coordenam as atividades das fontes e dos drenos 312 Proteínas e RNAs atuam como moléculas sinalizadoras no floema para regular o crescimento e o desenvolvimento vegetal 312 Plasmodesmos atuam na sinalização do floema 314 CAPÍTULO 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 317 Visão geral da respiração vegetal 317 Glicólise 321 A glicólise metaboliza carboidratos de várias fontes 321 A fase de conservação de energia da glicólise extrai energia utilizável 322 As plantas têm reações glicolíticas alternativas 322 Na ausência de oxigênio a fermentação regenera o NAD necessário para a glicólise 323 A glicólise vegetal é controlada por seus produtos 324 Rota oxidativa das pentoses fosfato 324 A rota oxidativa das pentoses fosfato produz NADPH e intermediários biossintéticos 326 A rota oxidativa das pentoses fosfato é regulada por reações redox 326 Ciclo do ácido cítrico 326 As mitocôndrias são organelas semiautônomas 327 O piruvato entra na mitocôndria e é oxidado pelo ciclo do ácido cítrico 328 Taiziniciaisindd xix Taiziniciaisindd xix 03112016 151311 03112016 151311 xx Sumário Detalhado O ciclo do ácido cítrico em plantas tem características singulares 329 Transporte de elétrons mitocondrial e a síntese de ATP 329 A cadeia de transporte de elétrons catalisa o fluxo de elétrons do NADH ao O2 330 A cadeia de transporte de elétrons tem ramificações suplementares 332 A síntese de trifosfato de adenosina na mitocôndria está acoplada ao transporte de elétrons 333 Os transportadores trocam substratos e produtos 334 A respiração aeróbica gera cerca de 60 moléculas de trifosfato de adenosina por molécula de sacarose 334 Diversas subunidades dos complexos respiratórios são codificadas pelo genoma mitocondrial 336 As plantas têm diversos mecanismos que reduzem a produção de ATP 336 O controle da respiração mitocondrial em curto prazo ocorre em diferentes níveis 338 A respiração é fortemente acoplada a outras rotas 339 Respiração em plantas e em tecidos intactos 340 As plantas respiram aproximadamente metade da produção fotossintética diária 340 A respiração opera durante a fotossíntese 341 Tecidos e órgãos diferentes respiram com taxas diferentes 341 Os fatores ambientais alteram as taxas respiratórias 342 Metabolismo de lipídeos 343 Gorduras e óleos armazenam grandes quantidades de energia 343 Os triacilgliceróis são armazenados em corpos lipídicos 343 Os glicerolipídeos polares são os principais lipídeos estruturais nas membranas 344 A biossíntese de ácidos graxos consiste em ciclos de adição de dois carbonos 344 Os glicerolipídeos são sintetizados nos plastídios e no retículo endoplasmático 346 A composição lipídica influencia a função da membrana 348 Os lipídeos de membranas são importantes precursores de compostos sinalizadores 348 Os lipídeos de reserva são convertidos em carboidratos em sementes em germinação 348 CAPÍTULO 13 Assimilação de Nutrientes Inorgânicos 353 Nitrogênio no meio ambiente 354 O nitrogênio passa por diferentes formas no ciclo biogeoquímico 354 Amônio ou nitrato não assimilados podem ser perigosos 355 Assimilação do nitrato 356 Muitos fatores regulam a nitrato redutase 356 A nitrito redutase converte o nitrito em amônio 357 Raízes e partes aéreas assimilam nitrato 357 Assimilação do amônio 358 A conversão do amônio em aminoácidos requer duas enzimas 358 O amônio pode ser assimilado por uma rota alternativa 359 As reações de transaminação transferem o nitrogênio 360 A asparagina e a glutamina unem o metabolismo do carbono e do nitrogênio 360 Biossíntese de aminoácidos 360 Fixação biológica do nitrogênio 360 Bactérias fixadoras de nitrogênio de vida livre e simbióticas 361 A fixação do nitrogênio necessita de condições microanaeróbias e anaeróbias 362 A fixação simbiótica do nitrogênio ocorre em estruturas especializadas 363 O estabelecimento da simbiose requer uma troca de sinais 364 Os fatores Nod produzidos por bactérias atuam como sinalizadores para a simbiose 364 A formação do nódulo envolve fitormônios 365 O complexo da enzima nitrogenase fixa o N2 366 Amidas e ureídas são formas de transporte do nitrogênio 367 Assimilação do enxofre 367 O sulfato é a forma do enxofre transportado nos vegetais 368 A assimilação do sulfato requer a redução do sulfato a cisteína 368 A assimilação do sulfato ocorre principalmente nas folhas 369 A metionina é sintetizada a partir da cisteína 369 Assimilação do fosfato 369 Taiziniciaisindd xx Taiziniciaisindd xx 03112016 151311 03112016 151311 Sumário Detalhado xxi Assimilação de cátions 370 Os cátions formam ligações não covalentes com compostos de carbono 370 As raízes modificam a rizosfera para absorver o ferro 371 Cátions de ferro formam complexos com carbono e fosfato 372 Assimilação do oxigênio 372 O balanço energético da assimilação de nutrientes 372 Crescimento e Desenvolvimento 377 CAPÍTULO 14 Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão 379 Visão geral das funções e das estruturas da parede celular vegetal 380 As paredes celulares das plantas variam em estrutura e função 380 Os componentes diferem para as paredes celulares primárias e secundárias 382 As microfibrilas de celulose têm uma estrutura organizada e são sintetizadas na membrana plasmática 384 Os polímeros da matriz são sintetizados no complexo de Golgi e secretados via vesículas 387 As pectinas são componentes formadores de gel hidrofílico na parede celular primária 388 As hemiceluloses são polissacarídeos de matriz que se ligam à celulose 390 Estrutura e função da parede celular primária 392 A parede celular primária é composta de microfibrilas de celulose incluídas em uma matriz de pectinas e hemiceluloses 392 As novas paredes celulares primárias são construídas durante a citocinese e continuam sendo construídas durante o crescimento 392 Mecanismos de expansão celular 393 A orientação das microfibrilas influencia a direção de células com crescimento difuso 394 Os microtúbulos corticais influenciam a orientação de microfibrilas recémdepositadas 395 A extensão e a taxa do crescimento celular 396 O relaxamento do estresse da parede celular dirige a captação de água e a expansão da célula 397 O crescimento induzido por acidez e o relaxamento do estresse da parede são mediados por expansinas 397 Os modelos da parede celular são hipóteses sobre como os componentes moleculares se encaixam para formar uma parede funcional 399 Muitas mudanças estruturais acompanham o cessar da expansão da parede 400 Estrutura e função da parede celular secundária 400 As paredes celulares secundárias são ricas em celulose e hemicelulose e muitas vezes têm uma organização hierárquica 400 A lignificação transforma a parede celular secundária em uma estrutura hidrofóbica resistente à desconstrução 402 CAPÍTULO 15 Sinais e Transdução de Sinal 407 Aspectos temporais e espaciais da sinalização 408 Percepção e amplificação de sinais 409 Os receptores localizamse na célula e são conservados nos reinos 409 Os sinais devem ser amplificados intracelularmente para regular suas moléculasalvo 411 A cascata de amplificação de sinal MAPquinase está presente em todos os eucariotos 411 Ca2 é o mensageiro secundário mais ubíquo em plantas e em outros eucariotos 411 As mudanças no pH citosólico ou no pH da parede celular podem servir com mensageiros secundários para respostas hormonais e a estresses 412 Espécies reativas de oxigênio atuam como mensageiros secundários mediando sinais ambientais e de desenvolvimento 413 As moléculas de sinalização de lipídeos atuam como mensageiros secundários que regulam diversos processos celulares 414 Hormônios e desenvolvimento vegetal 414 A auxina foi descoberta em estudos iniciais da curvatura do coleóptilo durante o fototropismo 417 As giberelinas promovem o crescimento do caule e foram descobertas em relação à doença da planta boba do arroz 417 UNIDADE III Taiziniciaisindd xxi Taiziniciaisindd xxi 03112016 151311 03112016 151311 xxii Sumário Detalhado As citocininas foram descobertas como fatores promotores da divisão celular em experimentos de cultura de tecidos 418 O etileno é um hormônio gasoso que promove o amadurecimento do fruto e outros processos do desenvolvimento 418 O ácido abscísico regula a maturação da semente e o fechamento estomático em resposta ao estresse hídrico 419 Os brassinosteroides regulam a fotomorfogênese a germinação e outros processos do desenvolvimento 419 As estrigolactonas reprimem a ramificação e promovem interações na rizosfera 421 Metabolismo dos fitormônios e homeostase 421 O indol3piruvato é o intermediário principal na biossíntese da auxina 421 As giberelinas são sintetizadas pela oxidação do diterpeno entcaureno 422 As citocininas são derivadas da adenina com cadeias laterais de isopreno 423 O etileno é sintetizado da metionina via ácido 1aminociclopropano1carboxílico intermediário 426 O ácido abscísico é sintetizado de um carotenoide intermediário 426 Os brassinosteroides são derivados do esterol campesterol 428 As estrigolactonas são sintetizadas a partir do βcaroteno 429 Transmissão de sinal e comunicação célula a célula 429 Rotas de sinalização hormonal 431 As rotas de transdução de sinal de etileno e de citocinina são derivadas dos sistemas reguladores bacterianos de dois componentes 431 Os receptores do tipo quinase medeiam as rotas de sinalização de certas auxinas e de brassinosteroides 434 Os componentes da sinalização central do ácido abscísico incluem fosfatases e quinases 436 As rotas de sinalização dos hormônios vegetais geralmente empregam regulação negativa 436 Vários receptores de hormônios vegetais codificam componentes da maquinaria de ubiquitinação e medeiam a sinalização via degradação de proteínas 437 As plantas desenvolveram mecanismos para desligamento ou atenuação de respostas de sinalização 439 A saída output da resposta celular a um sinal frequentemente é específica do tecido 441 A regulação cruzada permite a integração das rotas de transdução de sinal 441 CAPÍTULO 16 Sinais da Luz Solar 447 Fotorreceptores vegetais 448 As fotorrespostas são acionadas pela qualidade da luz ou das propriedades espectrais da energia absorvida 449 As respostas das plantas à luz podem ser distinguidas pela quantidade de luz requerida 450 Fitocromos 452 O fitocromo é o fotorreceptor primário para as luzes vermelha e vermelhodistante 452 O fitocromo pode se interconverter entre as formas Pr e Pfr 452 O Pfr é a forma fisiologicamente ativa do fitocromo 453 Tanto o cromóforo como a proteína do fitocromo sofrem alterações conformacionais em resposta à luz vermelha 453 O Pfr está particionado entre o citosol e o núcleo 454 Respostas do fitocromo 457 As respostas do fitocromo variam em período de atraso lag time e tempo de escape 457 As respostas do fitocromo são classificadas em três categorias principais com base na quantidade de luz requerida 457 O fitocromo A medeia respostas à luz vermelhodistante contínua 459 O fitocromo B medeia as respostas às luzes vermelha ou branca contínua 459 Os papéis dos fitocromos C D e E estão emergindo 459 Rotas de sinalização do fitocromo 459 O fitocromo regula os potenciais de membrana e os fluxos de íons 460 O fitocromo regula a expressão gênica 460 Os fatores de interação do fitocromo PIFs atuam cedo na sinalização 460 A sinalização pelo fitocromo envolve a fosforilação e a desfosforilação de proteínas 461 A fotomorfogênese induzida pelo fitocromo envolve degradação de proteínas 461 Respostas à luz azul e fotorreceptores 462 As respostas à luz azul possuem cinética e períodos de atraso lag times característicos 462 Criptocromos 463 O cromóforo FAD ativado do criptocromo causa uma mudança conformacional na proteína 463 cry1 e cry2 têm efeitos diferentes sobre o desenvolvimento 465 Criptocromos nucleares inibem a degradação de proteínas induzida pelo COP1 465 Taiziniciaisindd xxii Taiziniciaisindd xxii 03112016 151311 03112016 151311 Sumário Detalhado xxiii O criptocromo também pode se ligar diretamente aos reguladores de transcrição 465 A ação conjunta do criptocromo do fitocromo e das fototropinas 466 O alongamento do caule é inibido por fotorreceptores vermelho e azul 466 O fitocromo interage com o criptocromo para regular o florescimento 467 O relógio circadiano é regulado por múltiplos aspectos da luz 467 Fototropinas 467 A luz azul induz mudanças nos máximos de absorção do FMN associadas a mudanças de conformação 468 O domínio LOV2 é principalmente responsável pela ativação da quinase em resposta à luz azul 469 A luz azul induz uma mudança conformacional que liberta o domínio de quinase da fototropina e leva à autofosforilação 469 O fototropismo requer alterações na mobilização das auxinas 469 As fototropinas regulam os movimentos dos cloroplastos via montagem de filamentos de actina F 469 A abertura estomática é regulada pela luz azul que ativa a HATPase da membrana plasmática 471 Os principais eventos da transdução de sinal da abertura estomática mediada pela fototropina foram identificados 472 Respostas à radiação ultravioleta 473 CAPÍTULO 17 Embriogênese 477 Visão geral do crescimento e do desenvolvimento vegetal 478 O desenvolvimento esporofítico pode ser dividido em três estágios principais 479 Embriogênese as origens da polaridade 480 A embriogênese difere entre eudicotiledôneas e monocotiledôneas mas também tem processos fundamentais comuns 480 A polaridade apicalbasal é estabelecida na embriogênese 482 Mecanismos dependentes da posição guiam a embriogênese 483 Processos de sinalização intercelular desempenham papéischave no direcionamento do desenvolvimento dependente da posição 484 O desenvolvimento embrionário apresenta comunicação regulada entre células 484 A análise de mutantes identifica genes para os processos de sinalização que são essenciais para a organização do embrião 485 A auxina funciona como sinal químico móvel durante a embriogênese 487 A polaridade da planta é mantida por correntes polares de auxina 487 O transporte de auxina é regulado por múltiplos mecanismos 489 A proteína GNOM estabelece uma distribuição polar de proteínas de efluxo de auxina PIN 491 MONOPTEROS codifica um fator de transcrição que é ativado por auxina 492 A padronização radial guia a formação de camadas de tecidos 492 A origem da epiderme um limite e interface na borda do eixo radial 493 Precursores procambiais para o estelo encontramse no centro do eixo radial 493 A diferenciação de células corticais e endodérmicas envolve o movimento intracelular de um fator de transcrição 494 Tecidos meristemáticos bases para o crescimento indeterminado 495 Os meristemas apicais de raiz e de caule utilizam estratégias similares para possibilitar o crescimento indeterminado 495 O meristema apical da raiz 496 A extremidade da raiz possui quatro zonas de desenvolvimento 497 A origem dos diferentes tecidos da raiz pode ser rastreada a partir de células iniciais específicas 497 Experimentos de remoção de células implicam em processos de sinalização direcional na determinação da identidade celular 499 A auxina contribui para a formação e a manutenção do MAR 499 As respostas à auxina são mediadas por várias famílias distintas de fatores de transcrição 499 Citocinina é exigida para o desenvolvimento normal da raiz 500 O meristema apical do caule 500 O meristema apical do caule tem zonas e camadas distintas 502 Os tecidos do caule são derivados de vários conjuntos discretos de iniciais apicais 502 Fatores envolvidos no movimento e nas respostas de auxina influenciam a formação do MAC 503 A formação embrionária do MAC requer a expressão coordenada de fatores de transcrição 503 Taiziniciaisindd xxiii Taiziniciaisindd xxiii 03112016 151311 03112016 151311 xxiv Sumário Detalhado Uma combinação de interações positivas e negativas determina o tamanho do meristema apical 505 A classe de genes homeodomínio KNOX ajuda a manter a capacidade proliferativa do MAC pela regulação dos níveis de citocinina e GA 506 Zonas localizadas de acumulação de auxina promovem a iniciação foliar 507 O câmbio vascular 508 A manutenção de iniciais indeterminadas em vários tipos de meristemas depende de mecanismos similares 508 CAPÍTULO 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 513 Estrutura da semente 514 A anatomia da semente varia amplamente entre diferentes grupos de plantas 514 Dormência da semente 515 A dormência pode ser imposta ao embrião pelos tecidos circundantes 516 A dormência do embrião pode ser causada por fatores fisiológicos ou morfológicos 516 Sementes não dormentes podem exibir viviparidade e germinação precoce 516 A razão ABAGA é o primeiro determinante da dormência da semente 517 Liberação da dormência 519 A luz é um sinal importante que quebra a dormência nas sementes pequenas 519 Algumas sementes requerem ou resfriamento ou pós maturação para quebrar a dormência 519 A dormência da semente pode ser quebrada por vários compostos químicos 520 Germinação da semente 520 A germinação pode ser dividida em três fases correspondentes às fases de absorção da água 520 Mobilização das reservas armazenadas 522 A camada de aleurona dos cereais é um tecido digestivo especializado circundando o endosperma amiláceo 522 A GA aumenta a transcrição do mRNA da αamilase 523 O receptor de GA GID1 promove a degradação de reguladores negativos da resposta à giberelina 523 GAMYB é um regulador positivo da transcrição da αamilase 524 Proteínas repressoras DELLA são rapidamente degradadas 524 ABA inibe a produção de enzima induzida por GA 524 Crescimento e estabelecimento da plântula 526 A auxina promove o crescimento nos caules e coleóptilos enquanto inibe o crescimento nas raízes 526 Os tecidos externos dos caules das eudicotiledôneas são os alvos da ação das auxinas 526 O período de atraso mínimo para o alongamento induzido por auxina é de 10 minutos 527 A extrusão de prótons induzida por auxina induz o deslizamento da parede celular e o alongamento celular 528 Tropismos crescimento em resposta a uma quantidade de maiores estímulos direcionais 528 O gravitropismo envolve a redistribuição lateral de auxina 528 O transporte polar de auxina necessita de energia e não depende da gravidade 529 De acordo com a hipótese do amidoestatólito amiloplastos especializados servem como sensores da gravidade nas coifas raízes 530 Os movimentos da auxina na raiz são regulados por transportadores específicos 532 O estímulo gravitrópico perturba o movimento simétrico da auxina a partir do ápice da raiz 533 A percepção gravitrópica nos caules de eudicotiledôneas e em órgãos similares ao caule ocorre na bainha amilífera 533 A percepção da gravidade pode envolver o pH e os íons cálcio Ca2 como mensageiros secundários 533 Fototropismo 535 O fototropismo é mediado pela redistribuição lateral de auxina 535 O fototropismo ocorre em uma série de eventos pós traducionais 536 Fotomorfogênese 537 Giberelinas e brassinosteroides suprimem a fotomorfogênese no escuro 538 A abertura do gancho é regulada por fitocromo e auxina 539 O etileno induz a expansão celular lateral 539 Evitação da sombra 540 O fitocromo permite que as plantas se adaptem às mudanças na qualidade da luz 540 A diminuição da razão RFR causa o alongamento das plantas de sol 540 A redução das respostas de evitação da sombra pode melhorar a produtividade das culturas 542 Taiziniciaisindd xxiv Taiziniciaisindd xxiv 03112016 151311 03112016 151311 Sumário Detalhado xxv Diferenciação do sistema vascular 542 Auxina e citocinina são necessárias para o desenvolvimento vascular normal 543 As culturas celulares de Z elegans em suspensão podem ser induzidas a realizar xilogênese 544 A xilogênese envolve uma sinalização química entre as células vizinhas 544 Crescimento e diferenciação da raiz 545 O desenvolvimento da epiderme da raiz segue três padrões básicos 545 A auxina e outros hormônios regulam o desenvolvimento do pelo da raiz 546 A formação e a emergência da raiz lateral dependem de sinais endógenos e exógenos 547 Regiões de emergência da raiz lateral correspondem a regiões de atividade máxima da auxina 548 As raízes laterais e as partes aéreas têm um ângulo no ponto de inserção gravitrópico 549 CAPÍTULO 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 553 Desenvolvimento da folha 553 Estabelecimento da polaridade foliar 554 Os sinais hormonais exercem papéis fundamentais na regulação da emergência dos primórdios foliares 555 Um sinal do meristema apical do caule inicia a polaridade adaxialabaxial 555 Genes ARP promovem a identidade adaxial e reprimem o gene KNOX1 556 O desenvolvimento foliar adaxial requer os fatores de transcrição HDZIP III 556 A expressão dos genes HDZIP III é antagonizada por miR166 nas regiões abaxiais da folha 558 O antagonismo entre KANADI e HDZIP III é um determinantechave da polaridade foliar adaxialabaxial 558 As interações entre tecidos adaxiais e abaxiais são requeridas para o crescimento da lâmina 558 O crescimento da lâmina é dependente da auxina e regulado pelos genes YABBY e WOX 558 A polaridade proximaldistal da folha também depende de expressão gênica específica 559 Nas folhas compostas a desrepressão do gene KNOX1 promove a formação dos folíolos 560 Diferenciação de tipos celulares epidérmicos 561 O destino das célulasguarda é fundamentalmente determinado por uma linhagem epidérmica especializada 562 Dois grupos de fatores de transcrição bHLH governam as transições do destino celular estomático 563 Os peptídeos sinais regulam a padronização estomática mediante interação com receptores de superfície celular 563 As triagens screens genéticas levaram à identificação de reguladores positivos e negativos da iniciação dos tricomas 563 GLABRA2 atua a jusante do complexo GL1GL3TTG1 para promover a formação dos tricomas 565 O ácido jasmônico regula o desenvolvimento de tricomas foliares em Arabidopsis 565 Padrões de venação nas folhas 565 A nervura foliar primária é iniciada descontinuamente a partir do sistema vascular preexistente 566 A canalização da auxina inicia o desenvolvimento do traço foliar 566 O transporte basípeto de auxina a partir da camada L1 do primórdio foliar inicia o desenvolvimento do procâmbio do traço foliar 568 A estrutura vascular existente orienta o crescimento do traço foliar 568 As nervuras foliares hierarquicamente superiores diferenciamse em uma ordem previsível 569 A canalização da auxina regula a formação das nervuras de ordens superiores 570 A biossíntese localizada da auxina é fundamental para os padrões de venação de ordens superiores 571 Ramificação e arquitetura da parte aérea 572 A iniciação dos meristemas axilares envolve muitos dos mesmos genes da iniciação foliar e da emergência da lâmina 573 Auxina citocininas e estrigolactonas regulam a emergência das gemas axilares 573 A auxina da extremidade do caule mantém a dominância apical 574 As estrigolactonas atuam localmente para reprimir o crescimento das gemas axilares 574 As citocininas antagonizam os efeitos das estrigolactonas 576 O sinal inicial para o crescimento das gemas axilares pode ser um aumento na disponibilidade de sacarose para a gema 577 A integração de sinais ambientais e hormonais de ramificação é necessária para a eficácia biológica fitness das plantas 577 A dormência das gemas axilares em plantas lenhosas é afetada pela estação do ano pela posição e pela idade 578 Taiziniciaisindd xxv Taiziniciaisindd xxv 03112016 151311 03112016 151311 xxvi Sumário Detalhado Arquitetura do sistema de raízes 579 As plantas podem modificar a arquitetura de seus sistemas de raízes para otimizar a absorção de água e nutrientes 579 As monocotiledôneas e as eudicotiledôneas diferem na arquitetura de seus sistemas de raízes 580 A arquitetura do sistema de raízes muda em resposta às deficiências de fósforo 580 As respostas da arquitetura do sistema de raízes à deficiência de fósforo envolvem redes reguladoras localizadas e sistêmicas 582 As redes micorrízicas ampliam a arquitetura do sistema de raízes em todos os principais ecossistemas terrestres 583 Crescimento secundário 583 O câmbio vascular e o felogênio são os meristemas secundários onde se origina o crescimento secundário 584 O crescimento secundário desenvolveuse cedo na evolução das plantas terrestres 585 O crescimento secundário a partir do câmbio vascular origina xilema e floema secundários 585 Os fitormônios têm papéis importantes na regulação da atividade do câmbio vascular e na diferenciação do xilema e do floema secundários 585 Os genes envolvidos na manutenção na proliferação e na diferenciação de célulastronco regulam o crescimento secundário 586 Os fatores ambientais influenciam a atividade do câmbio vascular e as propriedades do lenho 587 CAPÍTULO 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 591 Evocação floral integração de estímulos ambientais 592 O ápice caulinar e as mudanças de fase 592 O desenvolvimento vegetal possui três fases 592 Os tecidos juvenis são produzidos primeiro e estão localizados na base do caule 592 As mudanças de fases podem ser influenciadas por nutrientes giberelinas e outros sinais 593 Ritmos circadianos o relógio interno 594 Os ritmos circadianos exibem características marcantes 595 A mudança de fase ajusta os ritmos circadianos aos diferentes ciclos dianoite 596 Fitocromos e criptocromos sincronizam o relógio 596 Fotoperiodismo monitoração do comprimento do dia 597 As plantas podem ser classificadas por suas respostas fotoperiódicas 597 A folha é o sítio de percepção do sinal fotoperiódico 599 As plantas monitoram o comprimento do dia pela medição do comprimento da noite 599 Quebras da noite podem cancelar o efeito do período de escuro 599 A cronometragem fotoperiódica durante a noite depende do relógio circadiano 599 O modelo de coincidência baseiase em fases oscilantes de sensibilidade à luz 600 A coincidência da expressão de CONSTANS e luz promove o florescimento em LDPs 601 SDPs usam um mecanismo de coincidência para inibir o florescimento em dias longos 603 O fitocromo é o fotorreceptor primário no fotoperiodismo 603 Um fotorreceptor de luz azul regula o florescimento em algumas plantas de dias longos 604 Vernalização promoção do florescimento com o frio 605 A vernalização resulta em competência para o florescimento no meristema apical do caule 605 A vernalização pode envolver mudanças epigenéticas na expressão gênica 606 Uma faixa de rotas de vernalização pode ter evoluído 607 Sinalização de longa distância envolvida no florescimento 608 Os estudos de enxertia geraram a primeira evidê ncia de um estí mulo floral transmissí vel 608 O florígeno é translocado no floema 609 A identificação do florígeno 610 A proteína de Arabidopsis FLOWERING LOCUS T FT é um florígeno 610 Giberelinas e etileno podem induzir o florescimento 610 A transição para o florescimento envolve múltiplos fatores e rotas 612 Meristemas florais e desenvolvimento de órgãos florais 612 Em Arabidopsis o meristema apical do caule muda com o desenvolvimento 613 Os quatro tipos diferentes de órgãos florais são iniciados como verticilos separados 613 Duas categorias principais de genes regulam o desenvolvimento floral 614 Taiziniciaisindd xxvi Taiziniciaisindd xxvi 03112016 151311 03112016 151311 Sumário Detalhado xxvii Genes de identidade de meristemas florais regulam a função do meristema 614 As mutações homeóticas levaram à identificação dos genes de identidade de órgãos florais 616 O modelo ABC explica parcialmente a determinação da identidade do órgão floral 617 Os genes da Classe E de Arabidopsis são necessários para as atividades dos genes A B e C 618 De acordo com o Modelo Quaternário a identidade do órgão floral é regulada por complexos tetraméricos das proteínas ABCE 618 Os genes da Classe D são necessários para a formação do óvulo 619 A assimetria floral nas flores é regulada pela expressão gênica 620 CAPÍTULO 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 625 Desenvolvimento das gerações gametofíticas masculina e feminina 625 Formação de gametófitos masculinos no estame 626 A formação do grão de pólen ocorre em dois estágios sucessivos 627 A parede celular multiestratificada do pólen é surpreendentemente complexa 628 Desenvolvimento do gametófito feminino no rudimento seminal 630 O gineceu de Arabidopsis é um sistemamodelo importante para o estudo do desenvolvimento do rudimento seminal 630 A maioria das angiospermas exibe desenvolvimento do saco embrionário do tipo Polygonum 630 Megásporos funcionais sofrem uma série de divisões mitóticas nucleares livres seguidas por celularização 631 O desenvolvimento do saco embrionário envolve sinalização hormonal entre as gerações esporofítica e gametofítica 632 Polinização e fecundação em plantas floríferas 632 A passagem das células espermáticas para o gametófito feminino pelo tubo polínico ocorre em seis fases 633 A aderência e a hidratação de um grão de pólen sobre uma flor compatível dependem do reconhecimento entre as superfícies do pólen e do estigma 634 A polarização do grão de pólen desencadeada pelo Ca2 precede a formação do tubo 635 Os tubos polínicos crescem por crescimento apical 635 Receptores do tipo quinase regulam a troca da ROP1 GTPase um regulador fundamental do crescimento apical 635 O crescimento apical do tubo polínico no pistilo é orientado por estímulos físicos e químicos 637 O tecido do estilete condiciona o tubo polínico a responder a substâncias atraentes produzidas pelas sinérgides do saco embrionário 637 A fecundação dupla ocorre em três estágios distintos 638 Autopolinização versus polinização cruzada 639 Espécies bissexuais e monoicas desenvolveram características florais para assegurar a polinização cruzada 639 Esterilidade masculina citoplasmática ocorre na natureza e é de grande utilidade na agricultura 640 A autoincompatibilidade é o mecanismo básico que impõe a polinização cruzada em angiospermas 640 O sistema de autoincompatibilidade esporofítica em Brassicaceae requer dois genes no locus S 641 A autoincompatibilidade gametofítica é mediada por proteínas citotóxicas SRNase e Fbox 642 Apomixia reprodução assexuada por semente 642 A apomixia não é um beco sem saída evolutivo 643 Desenvolvimento do endosperma 643 A celularização do endosperma cenocítico em Arabidopsis avança da região micropilar para a calazal 645 A celularização do endosperma cenocítico de cereais avança centripetamente 646 O desenvolvimento do endosperma e a embriogênese podem ocorrer autonomamente 646 Muitos dos genes que controlam o desenvolvimento do endosperma são expressos maternalmente 647 As proteínas FIS são membros de um complexo repressivo Polycomb PRC2 que reprime o desenvolvimento do endosperma 647 As células do endosperma amiláceo e da camada de aleurona seguem rotas de desenvolvimento divergentes 649 Dois genes DEK1 e CR4 têm sido envolvidos na diferenciação da camada de aleurona 649 Desenvolvimento da casca da semente 650 O desenvolvimento da casca da semente parece ser regulado pelo endosperma 650 Maturação da semente e tolerância à dessecação 652 As fases de enchimento e tolerância à dessecação da semente sobrepõemse em muitas espécies 652 Taiziniciaisindd xxvii Taiziniciaisindd xxvii 03112016 151312 03112016 151312 xxviii Sumário Detalhado A conquista da tolerância à dessecação envolve muitas rotas metabólicas 653 Durante a conquista de tolerância à dessecação as células do embrião adquirem um estado vítreo 653 Proteínas abundantes na embriogênese tardia e açúcares não redutores têm sido implicados na tolerância à dessecação das sementes 653 Proteínas abundantes na embriogênese tardia específicas têm sido envolvidas na tolerância à dessecação em Medicago truncatula 653 O ácido abscísico exerce um papelchave na maturação da semente 654 A dormência imposta pela casca está correlacionada com a viabilidade a longo prazo da semente 654 Desenvolvimento e amadurecimento do fruto 655 Arabidopsis e tomateiro são sistemasmodelo para o estudo do desenvolvimento do fruto 655 Os frutos carnosos passam por amadurecimento 657 O amadurecimento envolve mudanças na cor do fruto 657 O amolecimento do fruto envolve a ação coordenada de muitas enzimas de degradação da parede celular 658 Paladar e sabor refletem mudanças nos compostos de ácidos açúcares e aroma 658 O vínculo causal entre etileno e amadurecimento foi demonstrado em tomates transgênicos e mutantes 658 Os frutos climatéricos e não climatéricos diferem em suas respostas ao etileno 658 O processo de amadurecimento é regulado transcricionalmente 660 As angiospermas compartilham uma gama de mecanismos moleculares comuns que controlam o desenvolvimento e o amadurecimento do fruto 660 O amadurecimento do fruto está sob controle epigenético 661 A compreensão mecanística do processo de amadurecimento tem aplicações comerciais 661 CAPÍTULO 22 Senescência Vegetal e Morte Celular 665 Morte celular programada e autólise 666 A morte celular programada durante o desenvolvimento normal difere daquela da resposta de hipersensibilidade 668 A rota de autofagia captura e degrada constituintes celulares dentro de compartimentos líticos 669 Um subconjunto de genes relacionados à autofagia controla a formação do autofagossomo 669 A rota autofágica desempenha um duplo papel no desenvolvimento vegetal 671 A síndrome de senescência foliar 671 A idade de desenvolvimento de uma folha pode diferir de sua idade cronológica 672 A senescência foliar pode ser sequencial sazonal ou induzida por estresse 672 A senescência foliar do desenvolvimento consiste em três fases distintas 673 As primeiras alterações celulares durante a senescência foliar ocorrem no cloroplasto 675 A autólise das proteínas do cloroplasto ocorre em múltiplos compartimentos 675 A proteína STAYGREEN SGR é exigida tanto para a reciclagem da proteína LHCP II como para o catabolismo da clorofila 676 A senescência foliar é precedida por uma expressiva reprogramação da expressão gênica 677 Senescência foliar a rede reguladora 678 As famílias dos genes NAC e WRKY são os fatores de transcrição mais abundantes que regulam a senescência foliar 678 EROs servem como agentes de sinalização interna na senescência foliar 680 Açúcares acumulamse durante a senescência foliar e podem servir como um sinal 680 Os hormônios vegetais interagem na regulação da senescência foliar 681 Abscisão foliar 684 O ritmo da abscisão foliar é regulado pela interação de etileno e auxina 685 Senescência da planta inteira 686 Os ciclos de vida de angiospermas podem ser anuais bianuais ou perenes 686 A senescência da planta inteira difere do envelhecimento em animais 687 A determinação dos meristemas apicais da parte aérea é regulada pelo desenvolvimento 688 A redistribuição de nutrientes ou hormonal pode desencadear a senescência em plantas monocárpicas 689 A taxa de acumulação de carbono em árvores aumenta continuamente com o tamanho delas 689 CAPÍTULO 23 Interações Bióticas 693 Interações benéficas entre plantas e microrganismos 695 Os fatores Nod são reconhecidos pelo receptor de fator Nod NFR em leguminosas 695 Taiziniciaisindd xxviii Taiziniciaisindd xxviii 03112016 151312 03112016 151312 Sumário Detalhado xxix Associações com micorrizas arbusculares e simbiose de fixação de nitrogênio envolvem rotas de sinalização 695 Rizobactérias podem aumentar a disponibilidade de nutrientes estimular a ramificação da raiz e proteger contra patógenos 697 Interações nocivas entre plantas patógenos e herbívoros 697 Barreiras mecânicas fornecem uma primeira linha de defesa contra insetospraga e patógenos 698 Os metabólitos secundários vegetais podem afastar insetos herbívoros 700 As plantas armazenam compostos tóxicos constitutivos em estruturas especializadas 701 Frequentemente as plantas armazenam moléculas de defesa no vacúolo como conjugados de açúcar hidrossolúveis e não tóxicos 703 Os níveis constitutivos de compostos secundários são mais elevados em folhas jovens em desenvolvimento do que nos tecidos mais velhos 705 Respostas de defesa induzidas contra insetos herbívoros 705 As plantas podem reconhecer componentes específicos na saliva dos insetos 706 Os ácidos graxos modificados secretados por gafanhotos atuam como eliciadores de acúmulo de ácido jasmônico e emissão de etileno 706 Os insetos sugadores ativam rotas de sinalização de defesa semelhantes àquelas ativadas por infecções por patógenos 707 A sinalização de cálcio e a ativação da rota da MAP quinase são eventos iniciais associados à herbivoria de insetos 707 O ácido jasmônico ativa respostas de defesa contra insetos herbívoros 708 O ácido jasmônico atua por um mecanismo conservado de sinalização de ubiquitina ligase 709 Interações hormonais contribuem para as interações entre plantas e insetos herbívoros 709 O ácido jasmônico inicia a produção de proteínas de defesa que inibem a digestão de herbívoros 710 Os danos causados por herbívoros induzem defesas sistêmicas 710 Genes de receptor tipo glutamato GLR são necessários para a sinalização elétrica de longa distância durante a herbivoria 712 Os voláteis induzidos por herbívoros podem repelir herbívoros e atrair inimigos naturais 712 Os voláteis induzidos por herbívoros podem servir como sinais de longa distância entre as plantas 713 Os voláteis induzidos por herbívoros também podem atuar como sinais sistêmicos em uma mesma planta 714 As respostas de defesa contra herbívoros e patógenos são reguladas por ritmos circadianos 714 Os insetos desenvolveram mecanismos para anular as defesas vegetais 715 Defesas vegetais contra patógenos 715 Os agentes patogênicos microbianos desenvolveram várias estratégias para invadir as plantas hospedeiras 715 Patógenos produzem moléculas efetoras que auxiliam na colonização de suas células hospedeiras vegetais 716 A infecção por patógeno pode originar sinais de perigo moleculares que são percebidos por receptores de reconhecimento de padrões PRRs de superfície celular 717 Genes R fornecem resistência a patógenos particulares pelo reconhecimento de efetores linhagem específicos 718 A exposição aos eliciadores induz uma cascata de transdução de sinais 719 Os efetores liberados por insetos sugadores também ativam os receptores NBSLRR 719 A resposta de hipersensibilidade é uma defesa comum contra patógenos 720 Fitoalexinas com atividade antimicrobiana se acumulam após o ataque do patógeno 721 Um único contato com o patógeno pode aumentar a resistência aos ataques futuros 721 Os principais componentes da rota de sinalização do ácido salicílico na SAR foram identificados 723 As interações de plantas com bactérias não patogênicas podem desencadear resistência sistêmica por um processo denominado resistência sistêmica induzida ISR 723 Defesas vegetais contra outros organismos 724 Alguns nematódeos parasitas de plantas formam associações específicas através de formação de estruturas de forrageio distintas 724 Plantas competem com outras plantas secretando metabólitos secundários alelopáticos no solo 725 Algumas plantas são patógenos biotróficos de outras plantas 726 CAPÍTULO 24 Estresse Abiótico 731 Definição de estresse vegetal 732 O ajuste fisiológico ao estresse abiótico envolve conflitos tradeoffs entre os desenvolvimentos vegetativo e reprodutivo 732 Taiziniciaisindd xxix Taiziniciaisindd xxix 03112016 151312 03112016 151312 xxx Sumário Detalhado Aclimatação e adaptação 733 A adaptação ao estresse envolve modificação genética durante muitas gerações 733 A aclimatação permite que as plantas respondam às flutuações ambientais 733 Fatores ambientais e seus impactos biológicos nas plantas 734 O déficit hídrico diminui a pressão de turgor aumenta a toxicidade iônica e inibe a fotossíntese 735 O estresse salino tem efeitos osmóticos e citotóxicos 736 O estresse luminoso pode ocorrer quando plantas adaptadas ou aclimatadas à sombra são sujeitas à luz solar plena 736 O estresse térmico afeta um amplo espectro de processos fisiológicos 736 A inundação resulta em estresse anaeróbico à raiz 737 Durante o estresse por congelamento a formação de cristal de gelo extracelular provoca desidratação celular 737 Os metais pesados podem imitar nutrientes minerais essenciais e gerar espécies reativas de oxigênio 737 As deficiências de nutrientes minerais são uma causa de estresse 737 O ozônio e a luz ultravioleta geram espécies reativas de oxigênio que causam lesões e induzem a morte celular programada 737 Combinações de estresses abióticos podem induzir rotas de sinalização e metabólicas exclusivas 738 A exposição sequencial a estresses abióticos diferentes às vezes confere proteção cruzada 739 Mecanismos sensores de estresse em plantas 739 Sensores de ação precoce fornecem o sinal inicial para a resposta ao estresse 740 Rotas de sinalização ativadas em resposta ao estresse abiótico 740 Os intermediários da sinalização de muitas rotas de resposta ao estresse podem interagir 740 A aclimatação ao estresse envolve redes reguladoras transcricionais denominadas regulons 743 Os genes dos cloroplastos respondem à intensidade luminosa alta emitindo sinais de estresse ao núcleo 743 A onda de autopropagação de EROs medeia a aclimatação sistêmica adquirida 745 Mecanismos epigenéticos e pequenos RNAs fornecem proteção adicional contra o estresse 745 As interações hormonais regulam o desenvolvimento normal e respostas ao estresse abiótico 745 Mecanismos fisiológicos e do desenvolvimento que protegem as plantas contra o estresse abiótico 747 Por acumulação de solutos as plantas ajustamse osmoticamente a solos secos 748 Os órgãos submersos desenvolvem um aerênquima em resposta à hipoxia 749 Antioxidantes e rotas de inativação de espécies reativas de oxigênio protegem as células do estresse oxidativo 750 Chaperonas moleculares e protetores moleculares protegem proteínas e membranas durante o estresse abiótico 751 As plantas podem alterar seus lipídeos de membrana em resposta à temperatura e a outros estresses abióticos 752 Mecanismos de exclusão e de tolerância interna permitem que as plantas suportem íons tóxicos 753 As fitoquelatinas e outros queladores contribuem para a tolerância interna de íons de metais tóxicos 754 As plantas usam moléculas crioprotetoras e proteínas anticongelamento para impedir a formação de cristais de gelo 754 A sinalização do ácido abscísico durante o estresse hídrico causa o grande efluxo de K e ânions provenientes das célulasguarda 755 As plantas podem alterar sua morfologia em resposta ao estresse abiótico 757 Alterações metabólicas capacitam as plantas para enfrentar diversos estresses abióticos 759 O processo de recuperação do estresse pode ser perigoso para a planta e requer um ajuste coordenado de metabolismo e fisiologia vegetais 759 O desenvolvimento de culturas vegetais com aumento da tolerância às condições de estresse abiótico é uma meta importante da pesquisa agrícola 759 Glossário 763 Créditos das Ilustrações 799 Créditos das Fotografias 810 Apêndices 14 online Índice 811 Para acessar os Apêndices entre em lojagrupoacombr encontre a página do livro por meio do campo de busca e clique no link Conteúdo Online Taiziniciaisindd xxx Taiziniciaisindd xxx 03112016 151312 03112016 151312 1 F isiologia vegetal é o estudo dos processos vegetais como as plantas crescem desenvolvemse e funcionam à medida que interagem com os ambientes físico abiótico e vivo biótico Embora este livro enfatize as funções fisiológicas bioquímicas e moleculares das plantas é importante re conhecer que ao falar sobre a troca gasosa na folha a condução de água no xilema a fotossíntese no cloroplasto o transporte de íons através das membranas as rotas de transdução de sinal envolvendo luz e hormônios ou a expressão gênica durante o desenvolvimento to das essas funções dependem inteiramente das estruturas A função deriva de estruturas que interagem em cada nível de complexidade Ela ocorre nas seguintes situações a quando moléculas diminutas se reconhecem e se interligam produzindo um complexo com funções novas b quando uma folha nova se expande e quando células e tecidos interagem durante o processo de desenvolvimento da planta e c quando organismos enormes se sombreiam nutrem ou se cruzam uns com os outros Em todos os níveis a partir de moléculas até organismos a estrutura e a função representam diferentes pontos de referência de uma unidade biológica A unidade de organização fundamental de plantas e de todos os orga nismos vivos é a célula O termo célula deriva do latim cella cujo significado é despensa ou câmara Ele foi empregado pela primeira vez na biologia em 1665 pelo cientista inglês Robert Hooke para descrever as unidades de uma estrutura semelhante a favos de mel observada em uma cortiça sob um microscópio óptico composto As células que Hooke observou eram na verdade lumes vazios de células mortas delimitados por paredes celulares porém o termo é apropriado pois as células são os constituintes estruturais básicos que definem a estrutura vegetal Movendose para o exterior da célula grupos de células especializadas formam tecidos específicos e tecidos específicos dispostos em padrões par ticulares são a base de órgãos tridimensionais Assim como a anatomia da planta o estudo dos arranjos macroscópicos de células e tecidos nos órgãos teve seu impulso inicial com o aperfeiçoamento do microscópio óptico no século XVII a biologia da célula vegetal o estudo do interior das células foi estimulada pelo primeiro uso do microscópio eletrônico em material bio lógico em meados do século XX Aprimoramentos subsequentes tanto na microscopia óptica quanto na eletrônica revelaram a dinâmica e a surpreen dente diversidade dos componentes que constituem as células as orga nelas cujas atividades combinadas são necessárias para a ampla gama de funções celulares e fisiológicas que caracterizam os organismos biológicos Arquitetura da Célula e do Vegetal Taiz01indd 1 Taiz01indd 1 27102016 115055 27102016 115055 2 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal Este capítulo fornece uma visão geral da anatomia bá sica e da biologia celular das plantas desde a estrutura ma croscópica de órgãos e tecidos até a ultraestrutura micros cópica de organelas celulares Os capítulos seguintes irão discorrer sobre essas estruturas mais detalhadamente do ponto de vista de suas funções fisiológicas e de desenvol vimento em diferentes estágios do ciclo de vida da planta Processos vitais das plantas princípios unificadores A grande diversidade de tamanhos e de formas vegetais é familiar a todos As plantas variam em sua altura de me nos de 1 cm a mais de 100 m A morfologia ou forma da planta também é surpreendentemente diversa À primeira vista a diminuta planta lentilhadágua Lemna parece ter muito pouco em comum com um cacto gigante ou uma sequoia Como nenhum vegetal possui todo o espectro de adaptações para a amplitude de ambientes que as plantas ocupam na Terra os fisiologistas vegetais estudam orga nismosmodelo ou seja vegetais com ciclos de vida cur tos e genomas pequenos a totalidade de suas informa ções genéticas ver Tópico 11 na internet Esses modelos são úteis pois todos os vegetais independentemente de suas adaptações específicas executam processos similares e estão pautados no mesmo plano arquitetural Os principais princípios unificadores de plantas po dem ser resumidos da seguinte maneira Como produtores primários da Terra plantas e algas verdes são os coletores solares finais Elas captam a energia da luz solar e convertem a energia luminosa em energia química a qual é armazenada nas ligações formadas durante a síntese de carboidratos a partir de dióxido de carbono e água Diferentemente de certas células reprodutivas as plantas não se deslocam de um lugar para outro elas são sésseis Em substituição à mobilidade eles desen volveram a capacidade de crescer em busca dos recur sos essenciais como luz água e nutrientes minerais durante todo o seu ciclo de vida As plantas terrestres são estruturalmente reforçadas para dar suporte à sua massa à medida que elas cres cem em direção à luz e contra a força da gravidade As plantas terrestres apresentam mecanismos para transportar água e sais minerais do solo para os lo cais de fotossíntese e de crescimento bem como para transportar os produtos da fotossíntese até os tecidos e órgãos não fotossintetizantes As plantas perdem água continuamente por evapo ração e evolutivamente desenvolveram mecanismos para evitar a dessecação As plantas desenvolvemse a partir de embriões que extraem nutrientes da plantamãe e essas reservas nutritivas adicionais facilitam a produção de grandes estruturas autossustentáveis no ambiente terrestre Classificação e ciclos de vida das plantas Com base nos princípios listados anteriormente em geral as plantas podem ser definidas como organismos multicelula res derivados de embriões sésseis adaptados ao ambiente terrestre e capazes de converter dióxido de carbono em com postos orgânicos complexos pela fotossíntese Essa defini ção geral inclui um amplo espectro de organismos desde musgos até plantas floríferas com flores como ilustrado no diagrama ou cladograma que descreve a linhagem evolu tiva como ramos ou clados de uma árvore Figura 11 As relações entre os sistemas atuais e passados de identificação de plantas os sistemas de classificação taxonomia e o pen samento evolutivo são discutidos no Tópico 12 na internet As plantas compartilham com algas verdes na maior par te aquáticas a característica primitiva tão importante para a fotossíntese nos dois clados seus cloroplastos contêm os pigmentos clorofila a e b assim como βcaroteno Plantas ou embriófitas compartilham as características evolutiva mente derivadas para sobreviver em ambiente terrestre e que inexistem nas algas Os vegetais incluem plantas avas culares ou briófitas musgos antóceros e hepáticas e plan tas vasculares ou traqueófitas As plantas vasculares por sua vez consistem em plantas sem sementes pteridófitas e grupos afins e plantas com sementes gimnospermas e angiospermas As características de muitos desses clados de plantas estão descritas nos modelos representativos de suas espécies ver Tópico 11 na internet Devido aos variados usos agrícola industrial de madeira e medicinal das plantas bem como seu domí nio esmagador dos ecossistemas terrestres a maioria das pesquisas em biologia vegetal tem enfocado as plantas que evoluíram nos últimos 300 milhões de anos as plantas com sementes espermatófitas ver Figura 11 As gimnosper mas do grego semente nua compreendem coníferas cicas ginkgo e gnetófitas que inclui Ephedra uma planta medicinal popular Cerca de 800 espécies de gimnosper mas são conhecidas O maior grupo das gimnospermas é representado pelas coníferas portadoras de cones que incluem árvores de importância comercial como o pinheiro o abeto o espruce e a sequoia As angiospermas do grego semente em urna evoluíram há cerca de 145 milhões de anos e incluem três grandes grupos as monocotiledôneas as eudicotiledôneas e as chamadas angiospermas basais que incluem a família da Magnólia e grupos afins Com exceção das grandes florestas de coníferas do Canadá do Alasca e do norte da Eurásia as angiospermas dominam a paisagem Cerca de 370 mil espécies são conhecidas além de 17 mil espécies não descritas preditas por taxonomistas usando modelos computacionais A maioria das espécies preditas está ameaçada pois elas ocorrem principalmen te em regiões de rica biodiversidade onde a destruição de hábitats é comum A grande inovação morfológica das an giospermas é a flor por isso elas são referidas como plantas floríferas O Tópico 13 na internet discute a relação entre a anatomia da flor e o ciclo de vida da planta Taiz01indd 2 Taiz01indd 2 27102016 115056 27102016 115056 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 3 Os ciclos de vida da planta alternamse entre gerações diploides e haploides As plantas ao contrário dos animais alternam entre duas gerações multicelulares distintas para completar seu ciclo de vida Isso é chamado de alternância de gerações Uma geração tem células diploides células com duas cópias de cada cromossomo abreviado como tendo 2n cromosso mos e a outra geração tem células haploides células com apenas uma cópia de cada cromossomo abreviado como 1n Cada uma dessas gerações multicelulares pode ser mais ou menos dependente fisicamente da outra confor me seu agrupamento evolutivo Quando animais diploides 2n representados por se res humanos no ciclo mais interno da Figura 12 produzem gametas haploides óvulo 1n e espermatozoide 1n eles fazem isso diretamente pelo processo de meiose a divisão celular que resulta em uma redução do número de cromos somos de 2n para 1n Por outro lado os produtos da meiose em plantas diploides são esporos e formas vegetais diploi des são por conseguinte chamadas de esporófitos Cada esporo é capaz de sofrer mitose a divisão celular que não altera o número de cromossomos nas célulasfilhas para formar um novo indivíduo multicelular haploide o game tófito como mostram os ciclos mais externos da Figura 12 Os gametófitos produzem gametas a oosfera e os núcleos espermáticos por simples mitose enquanto gametas em animais são produzidos por meiose Essa é uma diferença fundamental entre plantas e animais e desmente algumas histórias sobre os pássaros e as abelhas as abelhas não carregam espermatozoides para fecundar flores femini nas elas carregam o gametófito masculino o pólen que é uma estrutura multicelular que produz células espermá ticas Quando colocado sobre o tecido esporofítico recepti vo o grão de pólen germina para formar um tubo polínico que deve crescer através do tecido esporofítico até atingir o gametófito feminino O gametófito masculino penetra no gametófito feminino e libera o núcleo espermático para fe cundar a oosfera Essa natureza oculta do sexo em plantas que ocorre profundamente dentro do tecido esporofítico tornou sua descoberta difícil e quando feita foi tão cho cante que muitas vezes foi negada Uma vez que os gametas haploides se fundem e a fe cundação ocorre para criar o zigoto 2n os ciclos de vida de animais e plantas tornamse semelhantes ver Figura 12 O zigoto passa por uma série de divisões mitóticas para produzir o embrião o qual por fim transformase no adulto maduro diploide Assim todos os ciclos de vida de plantas abrangem duas gerações distintas a diploide geração esporofítica produ tora de esporos e a haploide geração gametofítica produ tora de gametas Uma linha traçada entre a fecundação e a meiose divide esses dois estágios separados do ciclo de vida Algas vermelhas Algas Algas verdes Musgos antóceros e hepáticas Pteridófitas e grupos afins Gimnospermas 450 Maa 360 Maa 300 Maa 183 Maa Magnólia e grupos afins Monoco tiledôneas Eudicoti ledôneas Plantas vasculares traqueófitas Plantas embriófitas Plantas floríferas angiospermas Plantas avasculares briófitas Cloroplastos contendo clorofila a b Adaptações à vida terrestre Transporte vascular de água e fotossintatos Sementes Flores 169 Maa 1200 Maa Figura 11 Cladograma mostrando as relações evolutivas entre os vários membros das plantas e seus parentes próximos as algas A se quência de inovações evolutivas indicadas no lado direito da figura por fim deu origem às angiospermas Maa milhões de anos atrás Taiz01indd 3 Taiz01indd 3 27102016 115056 27102016 115056 4 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal Meiose Meiose Fecundação 6 Megásporo 1n 6 Gametófito 1n saco embrionário 7 Gametófito 1n pólen 7 Micrósporo 1n Esporo 1n Gametófito 1n com órgãos 7 e 6 anterídio e arquegônio Mitose Mitose Esporófito 2n 7 e 6 Cones 7 e 6 Soro Cápsula Esporófito 2n cresce para fora do gametófito 1n Sem semente Pteridófita Musgo Angiosperma Gimnosperma Homem Pteridófita Musgo Gameta mas culino 1n Oosfera 1n Esperma tozoide 1n Zigoto 2n Zigoto 2n Zigoto 2n Embrião 2n Germinação Semente com embrião 2n Casca da semente a partir do esporófito Embrião 2n dentro do arquegônio 1n Embrião 2n dentro do saco embrionário 1n em gimnospermas endosperma derivado da fecundação dupla 3n em angiospermas Óvulo 1n Gameta masculino 1n Oosfera 1n 7 7 6 6 Flores Figura 12 Diagrama dos ciclos de vida gerais de plantas e ani mais Diferentemente dos animais as plantas exibem alternância de gerações Em vez de produzir gametas diretamente por meio se como os animais as plantas formam esporos vegetativos por meiose Esses esporos 1n haploides dividemse para produzir um segundo indivíduo multicelular chamado gametófito O gametófito então produz gametas gameta masculino e oosfera por mitose Após a fecundação o zigoto 2n diploide resultante desenvolve se em uma geração de esporófito maduro e o ciclo começa nova mente Em angiospermas o processo de fecundação dupla produz um tecido nutritivo 3n triploide ou nível de ploidia superior ver Capítulo 21 chamado endosperma geral das plantas ver Figura 12 O aumento do número de mitoses entre a fecundação e a meiose aumenta o tamanho da geração esporofítica e o número de esporos que podem ser produzidos Ter mais esporos por evento de fecundação poderia compensar a baixa fertilidade quando a água se tor na escassa na terra Isso poderia explicar a forte tendência ao aumento do tamanho da geração esporofítica em relação à geração gametofítica durante a evolução de plantas Taiz01indd 4 Taiz01indd 4 27102016 115056 27102016 115056 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 5 A geração esporofítica é dominante nas espermatófi tas plantas com sementes as gimnospermas e as angios permas e dá origem a diferentes esporos os megásporos que se desenvolvem em gametófito feminino e os micrós poros que se desenvolvem em gametófito masculino ver Figura 12 A maneira como os gametófitos masculinos e femininos resultantes são separados é bastante diversifica da Em angiospermas um único indivíduo em uma espécie monoica do grego uma casa tem flores que produzem tanto gametófitos masculinos quanto femininos ambos podem ocorrer em uma única flor perfeita como em tulipas ou podem ocorrer separadamente em flores mas culinas estaminadas e femininas pistiladas como no milho Zea mays Se flores masculinas e femininas ocor rem em indivíduos separados como no salgueiro ou no álamo então a espécie é dioica do grego duas casas As gimnospermas gingkos e cicas são dioicas enquanto as coníferas são monoicas As coníferas produzem cones fe mininos megastróbilos do grego grandes cones em geral posicionados na planta mais acima do que os cones masculinos microstróbilos do grego pequenos cones Megásporos e micrósporos produzem gametófitos com apenas algumas células em comparação com o esporófito A produção de célula espermática e oosfera bem como a dinâmica da fecundação difere entre os gametófitos de espermatófitas ver Tópico 13 na internet Em angios permas existe um surpreendente processo de fecundação dupla em que dois espermatozoides são produzidos dos quais apenas um fecunda a oosfera O outro espermato zoide fundese com dois núcleos no gametófito feminino para produzir o endosperma 3n três conjuntos de cro mossomos o tecido de armazenamento das sementes das angiospermas Algumas angiospermas produzem en dosperma dos níveis de ploidia superior ver Capítulo 21 O tecido de reserva da semente em gimnospermas é ga metofítico 1n porque não há fecundação dupla ver Figura 12 Assim a semente de espermatófitas não é de todo um esporo definido como uma célula que produz a geração gametofítica mas contém tecido gametofítico 1n de re serva em gimnospermas e tecido de reserva 3n derivado do gametófito em angiospermas Nos grupos mais basais das plantas terrestres como as pteridófitas atuais e os musgos a geração esporofítica dá origem a esporos que se desenvolvem em gametófitos adultos Os gametófitos têm regiões que se diferenciam em estruturas masculinas e femininas o anterídio mas culino e o arquegônio feminino Em pteridófitas o game tófito é um pequeno prótalo monoico que tem anterídios e arquegônios que se dividem por mitose para produzir gametas masculinos móveis e oosfera respectivamente A geração gametofítica folhosa é dominante em musgos e contém anterídios e arquegônios no mesmo indivíduo monoica ou em diferentes indivíduos dioica O game ta masculino móvel em seguida entra no arquegônio e fecunda a oosfera para formar o zigoto 2n que se desen volve em um embrião fechado no tecido gametofítico mas não se forma semente O embrião desenvolvese direta mente no esporófito adulto 2n Visão geral da estrutura vegetal Apesar de sua aparente diversidade o corpo de todas as plantas com sementes apresenta o mesmo plano básico Fi gura 13 O corpo vegetativo é composto de três órgãos o caule a raiz e as folhas cada um com uma direção ou polaridade diferente de crescimento O caule cresce para cima e apoia a parte aérea da planta A raiz que ancora a planta e absorve água e nutrientes cresce em profundi dade no solo As folhas cuja função principal é a fotos síntese crescem lateralmente a partir dos nós caulinares As variações na disposição das folhas podem dar origem a muitas formas diferentes de partes aéreas o termo usado para folhas e caule juntos Por exemplo os nós das folhas podem estar dispostos em espiral em torno do caule em rotação por um ângulo fixo entre cada entrenó a região entre dois nós Por outro lado as folhas podem surgir opostas ou alternadas em ambos os lados do caule A forma do órgão é definida por padrões direcionais de crescimento A polaridade do crescimento do eixo primário da planta o caule principal e a raiz é vertical enquanto a folha típica cresce lateralmente nas margens produzindo a sua lâmina achatada As polaridades de crescimento desses órgãos estão adaptadas à sua função folhas atuam na absorção da luz caules alongam para er guer as folhas em direção à luz solar e raízes alongam em busca de água e de nutrientes do solo A parede é o com ponente da célula que determina diretamente a polaridade do crescimento nas plantas As células vegetais são delimitadas por paredes rígidas O limite externo fluido do citoplasma vivo de células vege tais é a membrana plasmática também chamada de plas malema similar em animais fungos e bactérias O cito plasma é definido como todas as organelas e citoesqueleto suspenso no citosol a fase hidrossolúvel e coloidal situado no interior da membrana plasmática mas que exclui o nu cleoplasma o compartimento interno do núcleo delimitado por uma membrana em eucariotos No entanto ao contrário das células animais as células vegetais são adicionalmente protegidas por uma parede rígida a parede celular celuló sica Figura 14 Devido à ausência de paredes celulares em animais células embrionárias são capazes de migrar de um local para outro tecidos e órgãos em desenvolvimento po dem assim conter células que se originaram em diferentes partes do organismo Nos vegetais as migrações celulares são impedidas pois a lamela média liga firmemente as cé lulas adjacentes Como consequência o desenvolvimento vegetal ao contrário do animal depende exclusivamente dos padrões de divisão e de expansão celulares As células vegetais apresentam dois tipos de parede primária e secundária ver Figura 14A As paredes ce Taiz01indd 5 Taiz01indd 5 27102016 115056 27102016 115056 6 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal Células fundamentais pavement cells da superfície superior Cutícula Cutícula Parênquima paliçádico tecido fundamental Xilema Floema Floema Câmbio vascular Sistema fundamental Superfície inferior da epiderme tecido dérmico Célulaguarda Estômato Célula fundamental Epiderme sistema dérmico Córtex Medula Xilema Sistema vascular Sistemas vasculares B Folha A Ápice da parte aérea C Caule Parênquima da bainha do feixe Parênquima esponjoso tecido fundamental Pelos da raiz tecido dérmico Epiderme sistema dérmico Parênquima cortical Periciclo meristema de ramificação Endoderme Sistema fundamental Floema Xilema Sistema vascular Câmbio vascular D Raiz E Ápice da raiz Gema axilar com meristema Folha Nó Entrenó Sistema vascular Linha do solo Raiz lateral Raiz pivotante Pelos da raiz Meristema apical da raiz Coifa Primórdios foliares Meristema apical do caule Mesofilo 200 μm 200 μm Figura 13 Representação esquemática do corpo de uma eudi cotiledônea típica Cortes transversais de A ápice da parte aérea B folha C caule D raiz e E meristema apical de raiz também são apresentadas Os cortes longitudinais do ápice da parte aérea e do ápice da raiz são de linho Linum usitatissimum Taiz01indd 6 Taiz01indd 6 27102016 115056 27102016 115056 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 7 Lamela média Vacúolo Retículo endoplasmático A B C Núcleo Parede primária Parede secundária Membrana plasmática Plasmodesmo primário ramificado Plasmodesmo secundário ramificado Plasmodesmo primário simples Plasmodesmo primário simples Membrana plasmática Conexão citoplasmática Desmotúbulo Eixo central Colarinho da parede 200 nm 30 μm 50 nm Lume do retículo endoplasmático Eixo central Proteína radial Eixo central Conexão citoplasmática Desmotúbulo Parede celular Membrana plasmática Membrana plasmática Proteína de membrana plasmática Proteína de membrana plasmática Citoplasma Cavidade central Região de constrição Proteína radial D E F G Proteína do desmotúbulo Colarinho da parede Colarinho da parede Desmotúbulo Figura 14 Parede celular vegetal e seus plasmodes mos associados A Representação diagramática das paredes celulares de quatro células vegetais adjacentes As células apenas com paredes primárias e com ambas as paredes primária e secundária estão ilustradas As paredes secundárias formamse por dentro das pa redes primárias As células estão conectadas tanto por plasmodesmos simples não ramificados quanto por ra mificados Os plasmodesmos formados durante a divisão celular são plasmodesmos primários B Micrografia ele trônica de uma parede que separa duas células adjacen tes mostrando plasmodesmos simples em vista longitu dinal C Corte tangencial da parede celular mostrando um plasmodesmo D Diagrama esquemático da super fície e vista transversal de um plasmodesmo O poro consiste em uma cavidade central rebaixada pela qual o desmotúbulo passa ligando o retículo endoplasmático de células adjacentes E Células epidérmicas de folha de Arabidopsis em microscopia de fluorescência mostrando a parede celular em vermelho e o complexo de plasmo desmos em verde A seta aponta o número elevado de plasmodesmos nas junções celulares de três vias e o re tângulo delimita plasmodesmos que ligam as células da epiderme às células subjacentes as células do mesofilo F Uma única célula epidérmica de folha de tabaco ex pressando uma proteína verde fluorescente de movimen to viral fotografada com microscopia de fluorescência G Depois de uma única célula epidérmica de folha de tabaco expressar o gene para uma proteína de movimen to viral várias células epidérmicas da folha de tabaco ex pressam essa proteína porque ela se moveu pelas células através dos plasmodesmos B de RobinsonBeers e Evert 1991 cedida por R Evert C de Bell e Oparka 2011 E de Fitzgibbon et al 2013 F e G de Ueki e Citovsky 2011 Taiz01indd 7 Taiz01indd 7 27102016 115056 27102016 115056 8 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal lulares primárias costumam ser finas menos de 1 μm caracterizando células jovens e em crescimento As pare des celulares secundárias mais espessas e resistentes que as primárias são depositadas na superfície interna da pa rede primária quando a maior parte do crescimento está concluída As paredes secundárias devem sua resistência e rigidez à lignina um material quabradiço e viscoso ver Capítulo 14 A evolução das paredes celulares lignificadas proporcionou aos vegetais o reforço estrutural necessário para crescerem verticalmente acima do solo e conquista rem o ambiente terrestre As briófitas que carecem de pa redes celulares lignificadas são incapazes de crescer mais do que poucos centímetros acima do solo Os plasmodesmos permitem o movimento livre de moléculas entre as células O citoplasma das células adjacentes em geral está conectado por plasmodesmos canais tubulares de 40 a 50 nm de diâ metro e formados pelas membranas plasmáticas conectadas de células adjacentes ver Figura 14AD Eles facilitam a comunicação intracelular durante o desenvolvimento vege tal permitindo a troca de sinais citoplasmáticos vitais para o desenvolvimento na forma de proteínas ácidos nucleicos e outras macromoléculas ver Capítulos 1820 As células vegetais interconectadas dessa maneira formam um conti nuum citoplasmático referido como simplasto O transporte intercelular de solutos por intermédio dos plasmodesmos é então chamado de transporte simplástico ver Capítulos 4 e 6 O transporte através dos espaços da parede que cons tituem o apoplasto é chamado de transporte apoplástico Ambas as formas de transporte são importantes no sistema vascular das plantas ver Capítulo 6 Os plasmodesmos primários se estabelecem à medi da que a parede primária se forma durante e após a di visão celular discutido mais adiante neste capítulo Os plasmodesmos secundários formamse após a conclusão da divisão celular atravessando as paredes primárias e secundárias ver Figura 14A quando pequenas regiões da parede celular são digeridas por enzimas e as membra nas de células adjacentes se fusionam para formar o canal A rede do retículo endoplasmático ver seção O sistema de endomembranas mais adiante de células adjacentes é também conectada formando o desmotúbulo ver Figu ra 14C e D que atravessa o centro do canal Proteínas revestem a superfície externa do desmotúbulo e a super fície interna da membrana plasmática ver Figura 14D acreditase que as duas superfícies sejam conectadas por proteínas filamentosas raios que dividem a conexão ci toplasmática em microcanais Uma estrutura semelhan te a um colarinho composto pela calose polissacarídeo circunda o estreitamento do canal em cada extremidade e serve para restringir o tamanho do poro O simplasto pode transportar água solutos e macro moléculas entre as células sem atravessar a membrana plasmática No entanto existe uma restrição no tama nho das moléculas que podem ser transportadas através do simplasto essa restrição é chamada de limite de ex clusão por tamanho que varia de acordo com o tipo de célula o meio ambiente e o estágio de desenvolvimento O transporte pode ser seguido pelo estudo do movimen to de proteínas ou de corantes marcados por fluorescência entre as células ver Figura 14EG O movimento através dos plasmodesmos pode ser regulado ou fechado por al teração das dimensões do colarinho da parede conexão citoplasmática e lume do desmotúbulo Além disso os plasmodesmos adjacentes podem formar interligações que alteram o limite de exclusão por tamanho Assim os ca nais individuais referidos como plasmodesmos simples podem formar plasmodesmos ramificados ver Figura 14A quando eles se conectam uns com os outros Em uma situação que ocorre com demasiada frequên cia os vírus de plantas podem sequestrar os plasmodesmos e usálos para espalhar suas partículas de célula a célula Proteínas de movimento codificadas pelo genoma do ví rus facilitam o movimento viral mediante interação com plasmodesmos por um de dois mecanismos Proteínas de movimento de alguns vírus recobrem a superfície do geno ma viral geralmente RNA formando complexos de ribonu cleoproteínas A proteína de movimento de 30 kDa do vírus do mosaico do tabaco age dessa maneira Ela pode se mo ver entre células de folhas suscetíveis ao vírus onde recru ta outras proteínas na célula que reduzem a quantidade de calose no colarinho da parede aumentando o tamanho do poro do plasmodesmo Como resultado mesmo as partícu las virais maiores que o poro podem se mover rapidamente pelos plasmodesmos para a célula vizinha ver Figura 14F e G Outros vírus como o vírus do mosaico do feijãocaupi e o vírus da doença viracabeça do tomateiro codificam pro teínas de movimento que formam túbulos de transporte no poro dos plasmodesmos os quais facilitam o movimento de partículas maduras do vírus pelos plasmodesmos As novas células são produzidas por tecidos em divisão denominados meristemas O crescimento vegetal está concentrado em regiões especí ficas de divisão celular chamadas de meristemas Quase to das as divisões nucleares mitose e as divisões celulares ci tocinese ocorrem nessas regiões meristemáticas Na planta jovem os meristemas mais ativos são conhecidos como me ristemas apicais eles estão localizados nos ápices do caule e da raiz ver Figura 13A e E A fase do desenvolvimento vegetal que dá origem aos novos órgãos e à forma básica da planta é denominada crescimento primário que origina o corpo primário da planta O crescimento primário resul ta da atividade dos meristemas apicais A divisão celular no meristema produz células cuboides de cerca de 10 μm de cada lado A divisão é seguida por aumento celular progres sivo em geral alongamento pelo qual as células se tornam muito mais longas do que largas 30100 μm de comprimen to 1025 μm de largura cerca de metade da largura de um cabelo fino de bebê e cerca de 50 vezes a largura de uma bactéria típica O aumento do comprimento produzido por Taiz01indd 8 Taiz01indd 8 27102016 115057 27102016 115057 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 9 crescimento primário amplia a polaridade do eixo da planta ápicebase que é estabelecida no embrião A diferenciação das células em tecidos especializados segue o alongamento celular Figura 15 ver também Figura 13 Existem três sistemas de tecidos principais presentes em todos os órgãos da planta sistema dérmico sistema funda mental e sistema vascular ver Figura 13BD O tecido dér mico forma a camada de proteção externa da planta e é cha mado de epiderme no corpo primário da planta o sistema fundamental preenche o volume tridimensional da planta e inclui a medula e o córtex de caules primários parênqui ma cortical e periciclo de raízes primárias e o mesofilo nas folhas O sistema vascular que move ou transloca água e solutos por todo o comprimento da planta é constituído por dois tipos de sistemas o xilema e o floema cada um dos quais consistindo em células condutoras células do parên quima e fibras de paredes espessas Alguns dos diferentes tipos de células que compõem esses tecidos serão aborda dos em detalhe no final do capítulo quando será discutida a interação de suas diferentes organelas com a diferenciação O tecido meristemático é também encontrado ao longo do comprimento da raiz e da parte aérea As gemas axila A Crescimento primário a secundário do caule B Crescimento primário a secundário da raiz Câmbio vascular Câmbio vascular Câmbio fascicular Câmbio interfascicular Epiderme Floema primário Floema secundário Fibras do floema Xilema secundário Câmbio vascular Floema secundário Fibras do floema Xilema secundário Xilema secundário Xilema primário Xilema primário Periciclo Córtex Córtex Córtex Medula Medula Medula Medula Raio da medula Câmbio vascular Epiderme Intacta Rompida Xilema primário Epiderme Epiderme parênquima cortical e endoderme descartados Estágio de desenvolvimento Floema primário Xilema primário Parênquima cortical Endoderme Periciclo Periderme Periderme Raios Raios Figura 15 Crescimento secundário em caules e raízes A Cres cimento primário a secundário do caule O crescimento primário está identificado com letras verdes enquanto o crescimento secundário está identificado com letras marrons O câmbio vascular inicia como regiões separadas de crescimento nos feixes vasculares ou câmbio fascicular de xilema e floema primários À medida que a planta cres ce os feixes vasculares conectamse pela união do câmbio fascicular com o câmbio interfascicular entre os feixes Uma vez que o câmbio vascular forma um anel contínuo dividese para dentro para gerar o xilema secundário e para fora para gerar o floema secundário As regiões do córtex desenvolvemse em fibras de floema e na perider me que contém o felogênio ou câmbio suberoso e a feloderme ex terna Com o crescimento a epiderme rompese e raios conectam o sistema vascular interno e externo B Crescimento primário a se cundário da raiz O cilindro vascular central contém floema e xilema primários Como no caule o câmbio vascular tornase conectado e cresce para fora gerando floema secundário e raios À medida que as raízes aumentam em circunferência o periciclo gera a periderme da raiz enquanto a epiderme o parênquima cortical e a endoderme são descartados O periciclo produz as fibras do floema e raios bem como as raízes laterais não mostradas O câmbio vascular produz floema secundário e anéis de xilema secundário Taiz01indd 9 Taiz01indd 9 27102016 115057 27102016 115057 10 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal res são meristemas que se desenvolvem no nó ou na região axilar entre a folha e o caule As gemas axilares tornam se os meristemas apicais de ramos As ramificações das raízes as raízes laterais surgem a partir de células meris temáticas no periciclo ver Figura 15B ver também Figu ra 13 Esse tecido meristemático em seguida tornase o meristema apical da raiz lateral Outro conjunto de células meristemáticas o câmbio dá origem ao crescimento secundário que produz um au mento na largura ou no diâmetro das plantas tendo po laridade radial de dentro para fora ver Figura 15 A ca mada do câmbio que produz lenho é chamada de câmbio vascular Esse meristema surge no sistema vascular entre o xilema e o floema do corpo primário da planta As célu las do câmbio vascular dividemse longitudinalmente para produzir derivadas para o interior ou o exterior do caule ou da raiz Elas também se dividem transversalmente para produzir raios que transmitem o material radialmente para fora As derivadas internas diferenciamse em xilema se cundário que conduz a água e os nutrientes do solo em direção ascendente para outras partes da planta Em cli mas temperados o lenho estival verão é mais escuro e mais denso do que o lenho primaveril camadas alternadas de lenhos estival e primaveril formam anéis anuais As de rivadas de câmbio vascular deslocadas na direção externa do caule ou da raiz secundários dão origem ao floema se cundário que como o floema primário conduz os produ tos da fotossíntese em direção descendente a partir das folhas para outras partes da planta As fibras associadas ao floema adicionam resistência à tensão do caule como fazem todas as fibras ver Figura 137 Por fim o câmbio suberoso ou felogênio é a cama da que produz a periderme um tecido de proteção ver Figura 15 na parte externa de plantas lenhosas O felogê nio normalmente surge a cada ano no floema secundário A produção de camadas do súber felema resistentes à água isola os tecidos primários externos do caule ou da raiz de seu suprimento de água o xilema causando a murcha e a morte A casca de uma planta lenhosa é o ter mo coletivo para vários tecidos floema secundário fibras do floema secundário córtex em caules periciclo em raízes e periderme e pode ser desprendida como uma unidade na camada macia de câmbio vascular Organelas da célula vegetal Todas as células de plantas têm a mesma organização eu cariótica básica elas contêm um núcleo citoplasma e orga nelas subcelulares Elas são envolvidas por uma membra na plasmática que define seus limites bem como por uma parede de celulose Figura 16 Pequenas mudanças nesses N de RT O câmbio vascular possui dois tipos de células iniciais fusiformes e radiais As células derivadas das primeiras formarão os tecidos secundários do eixo As células derivadas das iniciais radiais originarão os raios componentes podem causar grandes mudanças na evolução e no desenvolvimento das plantas Além da lignificação da parede celular secundária já mencionada que permite que as plantas tenham caules grandes e resistentes o desenvol vimento do xilema é acompanhado pela perda do núcleo e de muitas outras organelas permitindo que as células for mem uma rede de tubos para o transporte de água O final do capítulo incluirá mais exemplos de como as organelas se modificam durante a diferenciação produzindo os quase 40 tipos celulares diferentes em plantas No entanto primeiro todas as células vegetais começam com um conjunto seme lhante de organelas Tendo por base a sua origem essas or ganelas dividemse em três categorias principais Sistema de endomembranas retículo endoplasmático envoltório nuclear complexo de Golgi vacúolo en dossomos e membrana plasmática O sistema de en domembranas exerce um papel central nos processos de secreção de reciclagem de membranas e no ciclo celular A membrana plasmática regula o transporte para dentro e para fora da célula Os endossomos ori ginamse de vesículas derivadas da membrana plas mática e atuam no processamento ou na reciclagem dos conteúdos dessas vesículas Organelas de divisão independente derivadas do sistema de endomembranas os corpos lipídicos os peroxisso mos e os glioxissomos que atuam na reserva de lipí deos e no metabolismo do carbono Organelas semiautônomas de divisão independente plas tídios e mitocôndrias que atuam no metabolismo energético e de reserva além de sintetizar uma ampla gama de metabólitos e moléculas estruturais Como essas organelas são compartimentos membra nosos será dado início à descrição da estrutura e da fun ção da membrana As membranas biológicas são bicamadas de fosfolipídeos que contêm proteínas Todas as células são envolvidas por uma membrana que representa seu limite separando o citoplasma do ambiente externo Essa membrana plasmática permite que a célula absorva e mantenha certas substâncias excluindo outras Várias proteínas de transporte incorporadas na membra na plasmática são responsáveis por esse tráfego seletivo de solutos íons hidrossolúveis e pequenas moléculas não carregadas através da membrana A acumulação de íons ou moléculas no citosol pela ação das proteínas transportadoras consome energia metabólica Em células eucarióticas as membranas compartimentalizam o mate rial genético estabelecem os limites de outras organelas especializadas da célula e regulam os fluxos de íons e me tabólitos para dentro e para fora desses compartimentos De acordo com o modelo do mosaico fluido todas as membranas biológicas apresentam a mesma organização molecular básica Elas consistem em uma dupla camada bicamada de lipídeos na qual as proteínas estão embe Taiz01indd 10 Taiz01indd 10 27102016 115057 27102016 115057 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 11 bidas Figura 17 Cada camada é chamada de face da bi camada As proteínas são responsáveis por quase metade da massa da maioria das membranas No entanto a cons tituição dos componentes lipídicos e as propriedades das proteínas variam de membrana para membrana conferin do características funcionais específicas a cada uma LIPÍDEOS Os lipídeos mais abundantes encontrados na membrana de plantas são os fosfolipídeos uma classe de lipídeos em que dois ácidos graxos estão covalentemente ligados ao glicerol que por sua vez está ligado covalente mente a um grupo fosfato Ainda ligado ao grupo fosfato no fosfolipídeo há um grupo variável chamado de grupo da cabeça tal como serina colina glicerol ou inositol ver Figu ra 17C As cadeias de hidrocarbonetos não polares dos áci dos graxos formam uma região exclusivamente hidrofóbica ou seja que exclui a água Ao contrário dos ácidos graxos os grupos da cabeça são altamente polares por conseguin te as moléculas fosfolipídicas apresentam propriedades hi drofílicas e hidrofóbicas ou seja são anfipáticas Vários fos folipídeos encontramse distribuídos assimetricamente na membrana plasmática conferindo assimetria à membrana em termos da composição dos fosfolipídeos a face externa da membrana plasmática voltada para o meio extracelular é diferente da face interna voltada para o citosol As membranas de organelas vegetais especializadas denominadas plastídios grupo ao qual os cloroplastos pertencem são as únicas cuja composição lipídica consis te quase inteiramente em glicosilglicerídeos com grupos da cabeça polar de glicosil derivados de galactose Esses galactolipídeos podem conter galactose ver Figura 17C digalactose ou galactose sulfatada em sua cabeça polar mas não possuem fosfato Eles são produtos de uma rota procariótica para a biossíntese de lipídeos que plastídios e mitocôndrias herdaram de seus antepassados endossim Figura 16 Diagrama de uma célula vegetal Vários comparti mentos intracelulares são delimitados por suas respectivas membra nas como o tonoplasto o envoltório nuclear e as membranas das demais organelas As duas paredes celulares primárias adjacentes junto com a lamela média formam uma estrutura complexa deno minada lamela média composta Lamela média Cromatina Envoltório nuclear Nucléolo Núcleo Vacúolo Ribossomos Complexo de Golgi Cloroplasto Plasmodesmos Cordão transvacuolar Corpo lipídico Mitocôndria Peroxissomo Microtúbulos corticais Túbulo do retículo endoplasmático liso Cisterna do retículo endoplasmático rugoso Microfilamento cortical de actina Lamela média composta Membrana plasmática Parede celular primária Taiz01indd 11 Taiz01indd 11 27102016 115057 27102016 115057 12 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal H3C H3C N H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H C H C O O O O P C C C C C C C C C C C C O O O O H H H H C C H H H H H H H H C C C C C C H H H C C H H C C H H H H H H H H H H H C C H H H H C C H H H H C C H H H H C C H H H H C C H H H H H C C P O O O HC H2C O CH2 CH2 O C O CH2 C O O HC H2C O CH2 CH2 O C O CH2 C O O Citoplasma Exterior da célula Parede celular Membrana plasmática A C B Região hidrofóbica Região hidrofílica Região hidrofílica Carboidratos Bicamada fosfolipídica Colina Fosfato Região hidrofílica Região hidrofóbica Glicerol Fosfatidilcolina Fosfatidilcolina Monogalactosil diacilglicerol Colina Galactose Proteína integral Proteína periférica O C HN Gly C S CH2 Cys C N CH2 S C CH3 N O C O H N CH2 S C CH3 N O C O H N HO OH O NH P P Ácido mirístico C14 Ácido palmítico C16 Farnesil C15 Ceramida Geranilgeranil C20 Bicamada lipídica Proteínas ancoradas em ácidos graxos Proteínas ancoradas em prenil lipídeos Proteína ancorada em glicosilfosfatidilinositol GPI Etanolamina Galactose Glicosamina Inositol Manose Exterior da célula Citoplasma Ligação amida Taiz01indd 12 Taiz01indd 12 27102016 115057 27102016 115057 Figura 17 A A membrana plasmática o retículo endoplasmático e outras endomembranas das células vegetais consistem em proteínas embebidas em uma bicamada fosfolipídica enquanto as membranas dos plastídios apresentam uma bicamada cloroplastídica B Várias proteínas ancoradas de membrana ligadas a membranas por grupos GPI GPI e grupos prenil aumentam a similaridade das membranas C Estruturas típicas de fosfolipídios fosfatidilcolina e monogalactosilidrossicetose B de Buchan et al 2000 14 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal genes e suas sequências interpostas são referidos como genoma nuclear O tamanho do genoma nuclear nos vegetais é altamente variável podendo ser de aproxima damente 12 108 pares de bases em Arabidopsis thaliana espécie parente da mostarda até 1 1011 pares de bases no lírio Fritillaria assyriaca O restante da informação genéti ca das células está contido nas duas organelas semiautô nomas o plastídio e a mitocôndria as quais serão discu tidas mais adiante neste capítulo O núcleo é limitado por uma dupla membrana deno minada envoltório nuclear Figura 18A que é um sub domínio do retículo endoplasmático RE ver a seguir Os poros nucleares formam canais seletivos entre as duas membranas conectando o nucleoplasma a região den tro do núcleo com o citoplasma Figura 18B Pode haver pouquíssimos a muitos milhares de poros nucleares em cada envoltório nuclear e podem ser dispostos em agrega dos de ordem superior O poro nuclear é na verdade uma estrutura elabo rada composta de mais de 100 nucleoporinas diferentes em arranjo octogonal formando o complexo do poro nuclear CPN de 105 nm As nucleoporinas revestem o canal de 40 nm do CPN formando uma malha que atua como filtro supramolecular Várias proteínas necessárias para a importação e a exportação nuclear foram identifica das ver Tópico 14 na internet Uma sequência específica de aminoácidos chamada de sinal de localização nuclear é necessária para que uma proteína entre no núcleo ver Tópico 15 na internet O núcleo é o local de armazenamento e replicação dos cromossomos estruturas constituídas de DNA e suas pro teínas associadas Figura 19 Coletivamente esse complexo DNAproteínas é conhecido como cromatina Em geral o comprimento linear da totalidade do DNA em qualquer ge noma da planta é milhões de vezes maior do que o diâmetro do núcleo em que se encontra Para solucionar o problema de compactação do DNA cromossômico no núcleo segmentos da duplahélice de DNA enrolamse duas vezes em torno de um cilindro sólido de oito moléculas de proteínas histonas formando um nucleossomo Os nucleossomos são organi zados como um colar de contas ao longo de cada cromos somo Quando o núcleo não está em divisão os cromosso mos mantêm sua independência espacial Embora tenham movimento circular dentro do núcleo eles não ficam ema ranhados e permanecem individualizados Figura 110 Durante a mitose a cromatina condensase ini cialmente por um forte espiralamento em uma fibra de cromatina de 30 nm com seis nucleossomos por volta seguida por processos adicionais de dobramento e com pactação que dependem de interações entre as proteínas e os ácidos nucleicos ver Figura 19 Na interfase dois tipos de cromatina podem ser distinguidos com base no grau de condensação a heterocromatina e a eucromatina A heterocromatina é uma forma de cromatina altamen te compactada e transcricionalmente inativa compreen dendo quase 10 do DNA A maior parte da heterocroma tina está concentrada ao longo da periferia da membrana nuclear e associada a regiões do cromossomo que contêm poucos genes como os telômeros e os centrômeros O res tante do DNA consiste em eucromatina uma forma des condensada e transcricionalmente ativa Somente cerca de 10 da eucromatina é transcricionalmente ativa em deter minado momento O restante permanece em um estado intermediário de condensação entre a eucromatina trans cricionalmente ativa e a heterocromatina Os cromosso mos localizamse em regiões específicas do nucleoplasma cada um em seu espaço indicando a possibilidade da re gulação separada de cada cromossomo A B Nucléolo Envoltório nuclear Cromatina 1 μm 100 nm Figura 18 A Micrografia ao microscópio eletrônico de trans missão de uma célula vegetal mostrando o nucléolo e o envoltório nuclear B Organização de complexos do poro nuclear CPNs na superfície do núcleo de células de tabaco cultivadas Os CPNs que estão em contato entre si estão corados de marrom os demais es tão corados de azul O primeiro destaque superior à direita ilustra que a maioria dos CPNs está intimamente associada formando fi leiras de 5 a 30 complexos O segundo destaque inferior à direita mostra a íntima associação dos CPNs A cortesia de R Evert B de Fiserova et al 2009 Taiz01indd 14 Taiz01indd 14 27102016 115058 27102016 115058 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 15 Durante o ciclo celular a cromatina passa por mu danças estruturais dinâmicas Além das mudanças locais temporárias necessárias para a transcrição as regiões he terocromáticas podem ser convertidas em regiões eucro máticas e viceversa pela adição ou remoção de grupos funcionais nas proteínas histonas ver Capítulo 2 Essas mudanças no genoma podem dar origem a mudanças es táveis na expressão gênica Em geral essas mudanças que ocorrem sem alteração na sequência do DNA são denomi nadas regulação epigenética O núcleo contém uma região densamente granular denominada nucléolo que é o local da síntese de ribos somos As células típicas apresentam um nucléolo por núcleo algumas células apresentam mais O nucléolo in clui porções de um ou mais cromossomos onde os genes do RNA ribossômico rRNA estão agrupados formando uma região denominada região organizadora de nu cléolo RON Apesar de os cromossomos permanecerem predominantemente separados dentro do núcleo partes de vários cromossomos podem ser reunidas para ajudar a formar o nucléolo O nucléolo executa a montagem das proteínas e do RNA do ribossomo em uma subunidade grande e uma pequena sendo que cada uma sai do núcleo separadamente pelos poros nucleares As duas subunida des unemse no citoplasma para formar o ribossomo com pleto Figura 111A Os ribossomos montados são os sítios da síntese proteica Aqueles produzidos pelo núcleo para a síntese de proteínas citoplasmáticas eucarióticas os ri bossomos 80S são maiores do que os ribossomos 70S Es tes são montados e mantidos no interior das mitocôndrias e dos cloroplastos para seus programas procarióticos de síntese proteica Histonas 2 nm 11 nm 30 nm 300 nm 700 nm 1400 nm Cromossomo metafásico duplicado altamente condensado de uma célula em divisão Cromatina condensada Domínios em alça Fibra de cromatina de 30 nm Nucleossomos colar de contas DNA duplahélice Nucleossomo DNA espaçador Cromátides Nucleossomo Figura 19 Compactação do DNA em um cromossomo metafá sico O DNA é inicialmente compactado em nucleossomos e após enrolase helicoidalmente para formar a fibra de cromatina de 30 nm Torções adicionais levam ao cromossomo metafásico conden sado De Alberts et al 2002 5 μm A B Figura 110 Com o uso de sondas fluorescentes para os cromos somos 1 e 2 da gramíneamodelo Brachypodium distachyon estes dois cromossomos podem ser visualizados em células em interfase não divisão com uma técnica denominada pintura de cromosso mos A Ambas as cópias homólogas do cromossomo 1 azul claro podem ser vistas em um lado do núcleo enquanto ambas as cópias do cromossomo 2 rosa estão do outro lado do núcleo B Um nú cleo em um ponto diferente da interfase Embora os cromossomos homólogos não estejam mais juntos eles ainda ocupam regiões únicas e separadas do núcleo De Idziak et al 2011 Taiz01indd 15 Taiz01indd 15 27102016 115058 27102016 115058 16 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal tRNA Tradução Transcrição Processamento Éxon Íntron Subunidades ribossômicas Amino ácidos Sequência sinal Receptor de PRS Sequência sinal clivada Cadeia lateral de carboidrato Peptidase sinal Ribossomo Síntese de proteínas nos ribossomos livres no citoplasma Polipeptídios livres no citoplasma Síntese de proteínas nos ribossomos ligados ao retículo endoplasmático o polipeptídeo entra no lume do retículo Processamento e glicosilação no complexo de Golgi separação e secreção de proteínas Retículo endoplasmático rugoso Vesícula de transporte AUG GUC UUU UCC GCC UGA Phe Val Met Ser Cadeia polipeptídica B A m7G CAG AAA AGG rRNA mRNA mRNA tRNA tRNA mRNA Quepe Quepe Quepe Quepe PoliA PoliA PoliA PoliA Quepe Quepe PoliA PRS PRS PoliA DNA RNA transcrito RNA Núcleo Poro nuclear Envoltório nuclear Citoplasma 5 3 Ribossomo Sítio E Sítio P Sítio A NH3 Translocon Polipeptídeo 1 2 3 7 8 4 5 6 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 Figura 111 A Os aminoácidos são polimerizados no ribossomo com o auxílio do tRNA para formar a cadeia po lipeptídica nascente B Etapas básicas da expressão gênica incluindo a transcrição o processamento a exportação dos RNAs para o citoplasma e a tradução 12 As proteínas po dem ser sintetizadas nos ribossomos livres ou nos ribossomos ligados à membrana do retículo 3 As proteínas destinadas à secreção são sintetizadas no retículo endoplasmático ru goso e contêm uma sequênciasinal hidrofóbica Uma par tícula de reconhecimento de sinal PRS liga o peptídeo sinal ao ribossomo interrompendo a tradução 4 Receptores de PRS associamse a canais proteicos chamados de translocons O complexo ribossomoPRS ligase ao receptor de PRS na membrana do RE e ancorase no translocon 5 O poro do translocon abre a partícula de PRS é liberada e o polipeptí deo nascente entra no lume do RE 6 Reinicia a tradução Entrando no lume a sequênciasinal é clivada por uma pepti dasesinal na membrana 78 Após a adição de carboidrato e o dobramento da cadeia o novo polipeptídeo sintetizado é transportado ao complexo de Golgi através de vesículas Taiz01indd 16 Taiz01indd 16 27102016 115058 27102016 115058 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 17 A expressão gênica envolve a transcrição e a tradução O núcleo é o local de leitura ou transcrição do DNA da célula Parte do DNA é transcrita como RNA mensagei ro mRNA que codifica proteínas Os ribossomos leem o mRNA em uma direção a partir da extremidade 5 para a 3 ver Figura 111A Outras regiões do DNA são transcri tas em RNA de transferência tRNA e rRNA para serem utilizadas na tradução O RNA movese através dos poros nucleares para o citoplasma Figura 111B onde os polir ribossomos grupos de ribossomos traduzindo uma úni ca fita de RNA livres no citoplasma não estão ligados a membranas traduzem o RNA em proteínas destinadas ao citoplasma e às organelas que recebem proteínas inde pendentemente da rota de endomembranas As proteínas do sistema de endomembranas e que serão secretadas são produzidas em polirribossomos ligados ao RE durante o processo de tradução ou cotradução O mecanismo de in serção cotraducional de proteínas no RE é complexo en volvendo os ribossomos o mRNA que codifica a proteína de secreção e um poro proteico especial para translocação o translocon na membrana do RE tal como descrito a se guir As proteínas sintetizadas nos ribossomos citosólicos que são direcionadas para organelas após a tradução pos suem uma inserção póstraducional O processo de tradu ção nos polirribossomos citosólicos ou ligados à membrana do RE produz a sequência primária da proteína que inclui além da sequência envolvida na função proteica a infor mação requerida para enviar marcar a proteína para diferentes destinos na célula ver Tópico 15 na internet O retículo endoplasmático é uma rede de endomembranas O RE é composto de uma extensa rede de túbulos que é contínua com o envoltório nuclear Figura 112 Os tú bulos unemse formando uma rede de polígonos e sácu los achatados denominados cisternas ver Figura 112 e Figura 113 Os túbulos espalhamse por toda a célula formando associações muito estreitas com outras orga nelas Figura 114 A rede do RE pode portanto ser uma rede de comunicação entre organelas de uma célula ao mesmo tempo em que serve como um sistema de síntese e de distribuição de proteínas ou de lipídeos O RE que se encontra logo abaixo e provavelmente está ligado à membrana plasmática consiste na camada mais externa do citoplasma chamada de córtex celular ou RE cortical ver Figura 114 Em células expandidas ou alongadas o RE cortical forma uma rede poligonal de túbulos ver Figu ra 112 atravessada por feixes tubulares dinâmicos Os túbulos individuais e os feixes tubulares também podem se separar do córtex tornandose o RE interno na cama da mais interna do citoplasma e podem atravessar a cé lula via cordões transvacuolares filamentos de citoplasma que se estendem através do vacúolo central ver Figuras 16 e 114 envolvidos pela membrana vacuolar Em cé lulas não expandidas meristemáticas o RE é predomi Figura 112 Reconstrução tridimensional do RE em células de cultura em suspensão de tabaco A Quando as células são observadas do exterior em direção ao interior superior a rede cortical do RE é claramente constituída de domínios de cisternas e domínios de túbulos poligonais Observando as células do interior para o exterior inferior cordões transvacuolares contendo túbulos do RE bem como o envoltório nuclear um subdomínio do RE podem ser visualizados Os núcleos apresentam canais e invaginações do envoltório nuclear B Diagrama de túbulos e cisternas arranjados em uma rede de polígonos típicos do RE cortical Cedida por L R Griffing Junção tripla do túbulo Cisterna Polígono de túbulos Túbulo de 60 nm Envoltório nuclear Membranas do RE vistas do interior da célula RE cortical visto do exterior da célula Paredes celulares entre células Cordões citoplasmáticos transvacuolares A B Taiz01indd 17 Taiz01indd 17 27102016 115058 27102016 115058 18 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal nantemente formado de cisternas À medida que a célula se desenvolve e se expande formas tubulares e cisternas convertemse umas nas outras rapidamente A transição pode ser controlada por uma classe de proteínas deno minadas reticulons que formam túbulos a partir das dobras de membrana O citoesqueleto actinamiosina que será discutido mais adiante no capítulo também está envolvido nessa transição pois participa no rearranjo dos túbulos na formação das cisternas e no fluxo de proteí nas por essa rede em células em expansão que não estão em divisão A região do RE que apresenta muitos ribossomos li gados à sua membrana é denominada RE rugoso RER pois os ribossomos conferem um aspecto granuloso ao RE quando visto em micrografias eletrônicas ver Figura 113A e B O RE sem associação de ribossomos é deno minado RE liso REL ver Figura 113C A maior par te do RE tem a capacidade de se ligar aos ribossomos visto que quase toda a extensão do RE contém translo cons A distinção entre RE liso e rugoso algumas vezes é relacionada com mudanças na forma do RE com o RER contendo cisternas e o REL sendo tubular Essa distinção clássica aplicase melhor a certos tipos celulares como glândulas florais que produzem néctar ver seção Tipos de células vegetais e Figura 133 as quais contêm mais REL enquanto secretam lipídeos se secretam proteínas elas contêm mais cisternas de RER O RE é a principal fonte de fosfolipídeos de membrana e fornece proteínas de membrana e cargas proteicas para outros compartimentos na rota de endomembranas en voltório nuclear complexo de Golgi vacúolos membrana plasmática e sistema endossômico Ele ainda transporta algumas proteínas para o cloroplasto A maior parte desse transporte ocorre por vesículas especializadas que se mo vem entre as organelas de endomembranas Entretanto regiões especializadas do RE podem aparentemente tro car lipídeos e outras moléculas com organelas parceiras como a membrana plasmática os cloroplastos e as mito côndrias quando estão em associação ver Figura 114 sem envolvimento de vesículas transportadoras Há uma assimetria intrínseca nas bicamadas da mem brana pois a enzima que inicia a síntese de fosfolipídeos no RE adiciona novos precursores de fosfolipídeos exclu sivamente na face citosólica da bicamada ie o lado da membrana em contato com o citosol As enzimas envolvi das na síntese dos grupos da cabeça dos fosfolipídeos se rina colina glicerol ou inositol também estão na face ci tosólica Isso causa uma assimetria lipídica intrínseca nas membranas das endomembranas com a face citosólica das organelas diferindo em composição da face voltada para o lume interna das organelas A face voltada para o lume finalmente tornase a face da membrana voltada para o exterior da célula na membrana plasmática As modifica ções assimétricas dos grupos da cabeça dos lipídeos e a Figura 113 Retículo endoplasmático A O RE rugoso da alga Bulbochaete pode ser observado em vista frontal nesta microgra fia Os polirribossomos muitos ribossomos ligados ao mesmo RNA mensageiro do RE são bem visíveis B Cortes transversais de pilhas de RE rugoso regularmente organizadas seta branca nos tricomas glandulares de Coleus blumei A membrana plasmática está indica da por uma seta preta e o material externo à membrana plasmática é a parede celular C RE liso frequentemente forma uma rede tubu lar conforme ilustrado nesta micrografia ao microscópio eletrônico de transmissão de uma pétala jovem de Primula kewensis Micro grafias de Gunning e Steer 1996 Polirribossomo A RE rugoso vista frontal B RE rugoso corte transversal de cisternas empilhadas C RE liso túbulos em corte transversal Ribossomos 500 nm 100 nm 100 nm Taiz01indd 18 Taiz01indd 18 27102016 115059 27102016 115059 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 19 modificação póstraducional das proteínas por adição co valente de lipídeos e carboidratos aumentam a assimetria das membranas ver Figura 17 A assimetria da membra na pode ser neutralizada por enzimas denominadas flipa ses as quais movem os fosfolipídeos recémsintetizados através da bicamada para a face interna O RE os plastídios e as mitocôndrias são capazes de adicionar novas membranas diretamente pela síntese de lipídeos e proteínas Entretanto para organelas a jusante do RE incluindo o complexo de Golgi o vacúolo os oleos somos os peroxissomos e a membrana plasmática a adi ção de novas membranas ocorre principalmente pelo pro cesso de fusão de túbulos de transporte ou vesículas com essas membranas Como as membranas são fluidas novos constituintes de membrana podem ser transferidos para uma membrana já existente mesmo se a nova membrana for subsequentemente separada da membrana original por fissão Esses ciclos de fusão e fissão de membranas são a base para o crescimento e a divisão de todas as orga nelas derivadas direta ou indiretamente do RE A fusão e a fissão seletivas de vesículas e túbulos que atuam como transportadores entre compartimentos do sistema de endomembranas são obtidas com uma classe especial de proteínas de reconhecimento de alvo denominadas SNAREs e Rabs ver Tópico 16 na Internet A secreção de proteínas pelas células inicia no retículo endoplasmático rugoso As proteínas destinadas à secreção são inseridas no RE durante o processo de tradução um processo denominado inserção cotraducional Todas as proteínas de secreção e a maioria das proteínas integrais de membrana da via secre tora apresentam um peptídeo sinal uma sequência lí der hidrofóbica de 18 a 30 resíduos de aminoácidos na ex tremidade aminoterminal da cadeia ver Figura 111 No início da tradução uma partícula de reconhecimento de sinal PRS constituída de proteína e RNA ligase a essa sequêncialíder hidrofóbica e ao ribossomo interrompen do a tradução A membrana do RER contém receptores de PRS que podem se associar aos translocons nos quais a proteína recémsintetizada é inserida Durante a inserção cotraducional no RE o complexo mRNAribossomoPRS no citosol ligase ao receptor de PRS na membrana do RE e o ribossomo acopla no translocon Essa ligação abre o poro do translocon liberando a partícula PRS e reinician do a tradução e o peptídeo em formação entra no lume do RE Para proteínas de secreção a sequênciasinal é clivada por uma peptidasesinal na membrana do RE ver Figu ra 111 Para proteínas integrais de membrana algumas partes da cadeia polipeptídica são translocadas através da membrana enquanto outras não Proteínas integrais são ancoradas à membrana por um ou mais domínios hidrofó bicos que a atravessam Muitas das proteínas encontradas no lume do sistema de endomembranas são glicoproteínas proteínas com pe Parede celular Membrana plasmática REcloroplasto REtonoplasto REplasmodesmos desmotúbulo Vacúolo Cordões transvacuolares Núcleo Portões REenvoltório nuclear coextensivos REGolgi ERESs RE cortical RE interno RE circundando o sítio de fissão da mitocôndria REmitocôndria REperoxissomo REmembrana plasmática REoleossomo Figura 114 Associações do RE com organelas O RE cortical está ligado à membrana plasmática e aos plasmodesmos Feixes de RE mais internos se movem ao longo do córtex e pelos canais trans vacuolares O RE é contínuo com o envoltório nuclear mas há restri ções que permitem o compartilhamento de apenas certas proteínas Ele se associa à mitocôndria durante a divisão mitocondrial usando um conjunto de proteínas que fazem parte da estrutura REmito côndria ERMES A mitocôndria também está presa à membrana plasmática por um complexo que envolve o RE Os túbulos do RE também circundam o cloroplasto O peroxissomo e os oleossomos estão intimamente associados ao RE durante sua formação ver fil me Tópico 19 na internet O complexo de Golgi está associado com o RE nos sítios especializados de saída do RE ERESs ver filme Tópico 17 na internet Taiz01indd 19 Taiz01indd 19 27102016 115059 27102016 115059 20 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal quenas cadeias de açúcares covalentemente ligadas desti nadas à secreção da célula ou ao envio a outras endomem branas Na maioria dos casos uma cadeia ramificada de oligossacarídeos formada de Nacetilglicosamina GlcNAc manose Man e glicose Glc é ligada ao grupo amino livre de um ou mais resíduos específicos de asparagina da pro teína de secreção no RE Esse glicano Nligado N é a abre viação de asparagina é inicialmente ligado a uma molécu la de lipídeo o dolicoldifosfato o qual está embebido na membrana do RE ver Capítulo 12 O açúcar glicano com pleto contendo 14 resíduos é então transferido ao polipeptí deo nascente assim que este entra no lume Assim como nas células animais essas glicoproteínas Nligadas são então transportadas para o complexo de Golgi discutido adiante por meio de pequenas vesículas ou túbulos Entretanto no Golgi os glicanos são posteriormente processados de modo específico para vegetais causando problemas potenciais na produção de vacinas ou anticorpos em plantas para usos medicinais As modificações específicas em plantas tornam as proteínas altamente antigênicas reconhecidas como es tranhas aos sistemas imunológicos dos vertebrados As glicoproteínas e os polissacarídeos destinados para secreção são processados no complexo de Golgi O complexo de Golgi em vegetais também denominado dictiossomo é uma pilha polarizada de cisternas com as cisternas mais espessas no lado cis ou face de formação a qual recebe túbulos ou vesículas do RE Figuras 115 e 116 A face oposta de maturação ou lado trans do corpo de Gol gi apresenta cisternas mais achatadas e finas e inclui uma rede tubular denominada rede trans do Golgi TGN de trans Golgi network Pode haver até uma centena de corpos de Golgi formando a totalidade do complexo de Golgi em uma célula meristemática outros tipos de células diferem em seu conteúdo de Golgi mas normalmente apresentam de poucos a uma centena Os corpos de Golgi podem se di vidir por fissão e podem ser montados a partir do RE de modo cis para trans em células que não possuem um com plexo de Golgi Pelo controle do número de corpos de Golgi as células vegetais podem regular sua capacidade de secre ção durante o crescimento e a diferenciação Cisternas diferentes em um único corpo de Golgi pos suem diferentes enzimas e diversas funções bioquímicas dependendo do tipo de polímero que será processado se polissacarídeos para a parede celular ou glicoproteínas para a parede celular ou o vacúolo Por exemplo à medida que as glicoproteínas Nligadas passam das cisternas cis para trans do Golgi elas são sucessivamente modificadas por conjun tos específicos de enzimas localizados em diferentes cister nas Certos carboidratos como manose são removidos de cadeias de oligossacarídeos e outros açúcares são adicio nados Além dessas modificações a glicosilação dos gru pos OH dos resíduos de hidroxiprolina serina treonina e tirosina oligossacarídeos Oligados também ocorre no Golgi As enzimas envolvidas na biossíntese de polissacarí deos nos corpos de Golgi são substancialmente diferentes mas ocorrem lado a lado com aquelas que realizam a modi ficação de glicoproteínas As diferentes enzimas envolvidas na biossíntese de polissacarídeos são encontradas em partes distintas do corpo de Golgi com polissacarídeos pécticos sendo montados na face cis mediana e trans enquanto os xiloglucanos são montados somente na face trans O envio de membranas e de seus conteúdos para o corpo de Golgi a partir do RE ocorre em sítios de saída no retículo endoplasmático ERESs de endoplasmic re ticulum exit sites especializados Esses sítios de saída no RE são determinados pela presença de uma proteína de revestimento denominada COPII ver Figura 116A Essa proteína de superfície associase aos receptores trans membrana os quais se ligam à carga específica destinada ao Golgi Essas regiões da membrana brotam então for mando vesículas ou túbulos revestidos os quais perdem seu revestimento de COPII antes da fusão com as mem Figura 115 Micrografia ao microscó pio eletrônico de um complexo de Golgi de uma célula da coifa da raiz de tabaco Nico tiana tabacum As cisternas cis mediana e trans estão indicadas A rede trans do Golgi está associada às cisternas De Gunning e Steer 1996 Rede trans do Golgi TGN Cisternas trans Cisternas medianas Cisternas cis 05 μm Taiz01indd 20 Taiz01indd 20 27102016 115059 27102016 115059 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 21 branasalvo da rede Golgi cis Usando marcadores fluo rescentes para ERESs e Golgi foi possível demonstrar que os ERESs se movem em consonância com o complexo de Golgi à medida que este se desloca pela célula ver filme no Tópico 17 na internet O movimento pelo sistema de endomembranas do RE para o Golgi no Golgi da face cis para trans segui do pelo transporte para a membrana plasmática ou para estruturas prévacuolares através de vesículas é deno minado movimento anterógrado para frente Esse movi mento pelo Golgi ocorre pela maturação de cisterna em que a cisterna cis matura em cisterna trans A cisterna trans então desprendese da pilha de cisternas e forma a rede trans do Golgi onde as vesículas de secreção são produzi das ver Figura 116A As cisternas trans desprendidas às vezes estão preenchidas de conteúdo de secreção mas não 1 2 4 5 6 7 8 3 1 As vesículas revestidas por COPII brotam do RE e são transportadas para a face cis do complexo de Golgi 2 As cisternas progridem na pilha de Golgi no movimento anterógrado levando suas cargas 3 O movimento retrógrado das vesículas revestidas por COPI mantém a distribuição correta de enzimas nas cisternas cis mediana e trans da pilha 4 As vesículas não revestidas brotam da cisterna trans do Golgi e fusionamse com a membrana plasmática 5 Vesículas endocíticas revestidas por clatrina fusionamse com o compartimento prévacuolar 6 Vesículas não revestidas brotam do compartimento prévacuolar e levam sua carga para um vacúolo lítico 7 Proteínas destinadas aos vacúolos líticos são secretadas da face trans do Golgi para o compartimento prévacuolar via vesículas revestidas por clatrina e são então reencapsuladas e enviadas para o vacúolo lítico 8 Vesículas revestidas por clatrina da via endocítica podem também perder o revestimento e sofrer reciclagem via reciclagem de endossomos primários As vesículas produzidas por esse processo de reciclagem podem fusionarse diretamente com a membrana plasmática ou com a face trans do Golgi Membrana plasmática A B Reciclagem de endossomo primário Citoplasma Retículo endoplas mático rugoso Subunidades de COPII COPII COPI COPI COPI Rede cis do Golgi cis do Golgi mediana do Golgi trans do Golgi Rede trans do Golgi Clatrina Compartimento prévacuolar Vacúolo lítico 100 nm Figura 116 O movimento vesicular nas rotas secretora e endo cítica A Diagrama do tráfego vesicular mediado por três tipos de proteínas de revestimento COPII é indicada em verde COPI em azul e clatrina em vermelho B Micrografia ao microscópio eletrônico de vesículas revestidas por clatrina isoladas de folhas do feijoeiro B cedida por D G Robinson Taiz01indd 21 Taiz01indd 21 27102016 115059 27102016 115059 22 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal são arredondadas A rede trans do Golgi interage com a membrana reciclada vinda da membrana plasmática Essa reciclagem de vesículas membranosas da membrana plasmática para o Golgi da face trans para a face cis do Golgi e do Golgi para o RE é denominada movimento retrógrado para trás Sem o movimento retrógrado o complexo de Golgi logo sofreria diminuição de membra nas devido à perda pelo movimento anterógrado As vesí culas revestidas de COPI estão envolvidas no movimento retrógrado no Golgi e no movimento do Golgi para o RE O movimento retrógrado de membranas a partir da mem brana plasmática discutido a seguir utiliza um conjunto diferente de proteínas de revestimento A membrana plasmática possui regiões especializadas envolvidas na reciclagem de membrana A internalização de membranas pelo movimento retrógrado de pequenas vesículas originadas da membrana plasmática é denominada endocitose As pequenas vesículas 100 nm são inicialmente revestidas por clatrina ver Figura 116 mas rapidamente perdem o revestimento e fusionamse com outros túbulos ou vesículas as organelas dessa rota en docítica são denominadas endossomos Quando as vesícu las de secreção se fusionam com a membrana plasmática a área da superfície da membrana necessariamente aumenta A menos que a célula também expanda para acompanhar a área de superfície adicionada é preciso algum método de reciclagem de membrana para manter a área de superfície da célula em consonância com seu tamanho A importância da reciclagem de membrana pode ser mais bem ilustrada em células secretoras ativas como células da coifa Figura 117 Essas células secretam grande quantidade de mucopolissa carídeos mucilagem que lubrificam o ápice da raiz à me dida que esta cresce no solo essa mucilagem pode ser vista como material eletrodenso no Golgi na Figura 117B O au mento da área de superfície da membrana plasmática causa do pela fusão desta com grandes vesículas contendo mucila gem poderia se tornar excessivo se não houvesse o processo de endocitose que constantemente recicla membrana plas mática de volta para uma organela denominada endosso mo primário O endossomo pode então ser direcionado de volta para a rede transGolgi para secreção ou para o com partimento prévacuolar para a degradação hidrolítica ver Figura 116A O movimento dessas membranas em geral é guiado pelo citoesqueleto actinamiosina descrito mais adiante neste capítulo mas alguns endossomos também se deslocam sobre os microtúbulos do citoesqueleto A endocitose e a reciclagem endocítica ocorrem em uma grande variedade de células vegetais O controle da Membrana plasmática Citoplasma COPI Rede trans do Golgi trans do Golgi Remoção da membrana Vesícula secretora Clatrina Reciclagem de endossomo ou retículo parcialmente revestido A B Golgi cis trans Vesículas secretoras Parede celular Revestimento de clatrina 05 μm Vesícula secretora recentemente fusionada Figura 117 Depressões revestidas por clatrina associadas à se creção de mucilagem em coifa de raízes de milho A Diagrama da reciclagem de membrana pelas vesículas revestidas por clatrina a partir de sítios recentes de secreção na membrana plasmática B Sítio de secreção recente mostrando uma vesícula secretora que descarregou seu conteúdo na parede celular e uma invaginação re vestida por clatrina a qual recicla a membrana a partir do sítio de secreção Há 20 vezes mais depressões revestidas por clatrina nos sítios de secreção do que na membrana em geral B micrografia de H H Mollenhauer cedida por L R Griffing Taiz01indd 22 Taiz01indd 22 27102016 115059 27102016 115059 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 23 endocitose na membrana plasmática regula diferencial mente a abundância de canais iônicos ver Capítulo 6 como o canal de potássio nas célulasguarda estômatos e o transportador de boro nas raízes Durante o gravitropis mo a internalização diferencial de transportadores para o hormônio do crescimento auxina causa uma mudança na concentração do hormônio ao longo da raiz resultando na curvatura desse órgão ver Capítulo 15 Os vacúolos apresentam diversas funções nas células vegetais O vacúolo vegetal foi originalmente definido por sua apa rência ao microscópio um compartimento envolvido por membrana sem citoplasma Em vez de citoplasma o va cúolo contém a seiva vacuolar composta de água e solutos O aumento de volume de células vegetais durante o cresci mento ocorre inicialmente pelo aumento da seiva vacuolar Um grande vacúolo central ocupa aproximadamente 95 do volume celular total em muitas das células maduras algu mas vezes há dois ou mais vacúolos centrais como no caso de certas pétalas que apresentam vacúolos pigmentados e não pigmentados ver Tópico 18 na internet A possível variação no tamanho e na aparência dos vacúolos sugere a diversidade de forma e função do compartimento vacuolar Algumas das variações são provavelmente decorrentes das diferenças no grau de maturação do vacúolo As células me ristemáticas por exemplo apresentam pequenos vacúolos ou um sistema altamente complexo de membranas vacuola res em vez de um vacúolo central Provavelmente à medida que a célula sofre maturação alguns desses pequenos va cúolos fusionamse ou remodelamse para formar vacúolos maiores ver Figura 135 A membrana do vacúolo o tonoplasto contém pro teínas e lipídeos que são sintetizados inicialmente no RE Além de sua função na expansão celular o vacúolo tam bém tem participação como compartimento de reserva de metabólitos secundários envolvidos na defesa vegetal con tra herbívoros ver Capítulo 23 Íons inorgânicos açúcares ácidos orgânicos e pigmentos são apenas alguns dos solutos que podem ser acumulados nos vacúolos devido à presença de diversos transportadores específicos de membrana ver Capítulo 6 Os vacúolos que armazenam proteínas os cha mados corpos proteicos são abundantes em sementes Assim como os lisossomos das células animais os vacúolos também apresentam função na reciclagem de proteínas como no caso dos vacúolos líticos que se acu mulam nas folhas em senescência Durante a morte ce lular programada associada à senescência ver Capítulo 22 constituintes celulares são degradados por vacúolos líticos especializados os autofagossomos A distribui ção de membranas para os vacúolos vegetais e para os lisossomos das células animais ocorre por mecanismos diferentes Embora em ambos os casos a distribuição ao compartimento vacuolar ocorra no Golgi os processos de reconhecimento utilizados na escolha de receptores e pro teínas líticas são diferentes entre vacúolos e lisossomos Em células de mamíferos muitas proteínas lisossômicas são reconhecidas por uma enzima do RE que adiciona manose6fosfato a elas essa modificação será posterior mente reconhecida por um receptor de seleção no Golgi que separa as proteínas lisossômicas em vesículas desti nadas a formar os lisossomos Essa rota de separação apa rentemente inexiste nos vegetais Por outro lado alguns dos vacúolos líticos dos vegetais são derivados diretamen te do RE desviando por completo do Golgi por uma rota aparentemente ausente nos mamíferos O envio de algumas vesículas derivadas do Golgi ao vacúolo é indireto Assim como já descrito há múltiplos compartimentos vacuolares na célula e nem todos são alvo das vesículas do Golgi Aqueles vacúolos que rece bem vesículas derivadas do Golgi o fazem por uma via intermediária um compartimento prévacuolar que também atua como uma organela de separação para as membranas endocitadas da superfície celular ver Figura 116A Esse compartimento prévacuolar de separação inclui o corpo multivesicular o qual em alguns casos é também um compartimento pósvacuolar que atua na degradação de va cúolos e suas membranas O corpo multivesicular é uma organela especializada de 03 a 05 mm de diâmetro que apresenta uma membrana que limita vesículas internas de 50 nm Essas vesículas absorvem proteínas ubiquitinadas pela rota ESCRT complexos de distribuição endossômica requeridos para transporte de endossomal sorting complexes required for transport Essas proteínas incluem receptores de superfície endocitados que em seguida são degrada dos seletivamente no sistema vacuolar Organelas de divisão ou fusão independente derivadas do sistema de endomembranas Várias organelas são capazes de crescer proliferar ou se fundir independentemente mesmo que sejam derivadas do sistema de endomembranas Essas organelas incluem os oleossomos os peroxissomos e os glioxissomos Os oleossomos são organelas que armazenam lipídeos Muitos vegetais sintetizam e armazenam grandes quan tidades de óleo durante o desenvolvimento de sementes Esses óleos acumulamse em organelas denominadas ole ossomos também conhecidos como corpos lipídicos go tas de óleo ou esferossomos Figura 118 Os oleossomos são únicos entre as organelas pois são delimitados por meia unidade de membrana isto é uma monocamada de fosfolipídeos derivada do RE Os fosfolipídeos na meia unidade de membrana são orientados com os grupos da cabeça polar em direção à fase aquosa do citosol e suas caudas hidrofóbicas de ácidos graxos voltadas para o lume dissolvidas nos lipídeos armazenados Os oleossomos são inicialmente formados como re giões de diferenciação no RE A natureza do produto arma Taiz01indd 23 Taiz01indd 23 27102016 115100 27102016 115100 24 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal zenado os triglicerídeos três ácidos graxos covalentemen te ligados a um glicerol indica que essa organela de reserva possui um lume hidrofóbico Como consequência à medida que é armazenado o triglicerídeo parece ser inicialmente depositado na região hidrofóbica entre as faces externa e interna da membrana do RE ver Figura 118B Os triglice rídeos não possuem os grupos da cabeça polar dos fosfoli pídeos de membrana assim eles não estão expostos ao ci toplasma hidrofílico Embora o processo de brotamento que origina o oleossomo não esteja completamente esclarecido ao separarse do RE o oleossomo apresenta uma única face externa de fosfolipídeos contendo proteínas especiais que recobrem a organela oleosina caleosina e esteroleosina Essas proteínas são sintetizadas nos polissomos do RE e inseridas na região de formação do RE de maneira cotra ducional As proteínas consistem em uma região central hidrofóbica do tipo grampo a qual se insere no lume que contém óleo e dois terminais hidrofílicos que permanecem fora do oleossomo O tamanho do oleossomo é regulado pela abundância dessas proteínas Uma vez brotados do RE os oleossomos podem aumentar de tamanho por fusão com pequenos oleossomos Quando os oleossomos são decom postos durante a germinação da semente eles se associam a outras organelas que contêm enzimas para a oxidação de lipídeos os glioxissomos Os microcorpos exercem papéis metabólicos especializados em folhas e sementes Os microcorpos são uma classe de organelas esféricas en voltas por uma única membrana e especializadas em uma de várias funções metabólicas Os peroxissomos e os glio xissomos são microcorpos especializados na βoxidação de ácidos graxos e no metabolismo do glioxilato um aldeí do ácido de dois carbonos ver Capítulo 12 Os microcor pos não possuem DNA e estão intimamente relacionados a outras organelas com as quais trocam metabólitos inter mediários O glioxissomo está associado a mitocôndrias e oleossomos enquanto o peroxissomo está associado a mi tocôndrias e cloroplastos Figura 119 No início pensavase que os peroxissomos e os glio xissomos eram organelas independentes produzidas se paradamente pelo RE Entretanto experimentos usando anticorpos específicos para cada tipo de organela têm dado suporte ao modelo no qual os peroxissomos se desenvolvem diretamente dos glioxissomos pelo menos em cotilédones verdes Em plântulas de pepino por exemplo as células co tiledonares não verdes contêm inicialmente glioxissomos no entanto após o esverdeamento somente peroxissomos estão presentes Em estágios intermediários os microcor pos possuem proteínas de glioxissomos e peroxissomos demonstrando que os glioxissomos são convertidos em pe roxissomos durante o processo de esverdeamento No peroxissomo o glicolato um produto de dois car bonos oxidado na fotorrespiração em um cloroplasto ad jacente é oxidado a aldeído ácido glioxilato ver Capítulo 8 Durante essa conversão é produzido peróxido de hi drogênio o qual pode facilmente oxidar e destruir outros compostos Entretanto a proteína mais abundante no pe roxissomo é a catalase uma enzima que converte o peró xido de hidrogênio em água liberando oxigênio Com fre quência a catalase é tão abundante nos peroxissomos que forma arranjos cristalinos de proteínas ver Figura 119 A observação de que os glioxissomos se transformam em peroxissomos explica a aparência dos peroxissomos nos cotilédones em desenvolvimento No entanto não explica como os peroxissomos surgem em outros tecidos Se fos sem herdados durante a divisão celular os peroxissomos Figura 118 A Micrografia ao microscópio eletrônico de um oleossomo próximo a um peroxissomo B Diagrama mostrando a formação de oleossomos pela síntese e deposição de óleo na bi camada fosfolipídica do RE Após o brotamento a partir do RE o oleossomo é circundado por uma monocamada de fosfolipídeos contendo proteínas específicas de oleossomos como a oleosina A de Huang 1987 B de Buchanan et al 2000 Oleossomo Óleo Oleosinacaleosina Túbulo do RE B A Oleossomo Peroxissomo 1 μm Taiz01indd 24 Taiz01indd 24 27102016 115100 27102016 115100 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 25 poderiam crescer e se dividir separadamente a partir de outras organelas utilizando proteínas similares àquelas envolvidas na divisão da mitocôndria Na verdade cerca de 20 proteínas incluindo algumas envolvidas na divisão são direcionadas tanto ao peroxissomo quanto à mitocôndria Muitas proteínas dos peroxissomos entram diretamente do citosol após a tradução por meio de um sinal de direciona mento específico que consiste em serinalisinaleucina no terminal carboxila das proteínas ver Tópico 15 na inter net Outras proteínas peroxissômicas são produzidas no RE e se deslocam para os peroxissomos por uma rota que ainda precisa ser totalmente elucidada Uma possibilidade é que a transferência de proteína poderia ocorrer como pe roxissomos e suas extensões tubulares denominadas pe roxulos diretamente associados ao RE sem que ocorresse fusão ver imagens e filmes em Tópico 19 na internet Embora possa se dividir de maneira independente o pero xissomo ainda é dependente do RE para algumas de suas proteínas e desse modo a organela pode ser considerada semiautônoma No entanto ao contrário das mitocôndrias e dos cloroplastos que serão descritos a seguir os peroxis somos têm apenas uma única membrana externa e não contêm seu próprio DNA e ribossomos Organelas semiautônomas de divisão independente Uma célula vegetal típica apresenta dois tipos de organelas produtoras de energia as mitocôndrias e os cloroplastos Ambos os tipos são separados do citosol por uma mem brana dupla uma membrana interna e outra externa e contêm seu próprio DNA e ribossomos As mitocôndrias são os sítios da respiração celular processo no qual a energia liberada pelo metabolismo do açúcar é usada para a síntese de trifosfato de adeno sina ATP de adenosine triphosphate a partir do difosfato de adenosina ADP de adenosine diphosphate e do fosfato inorgânico Pi de inorganic phosphate ver Capítulo 12 As mitocôndrias são estruturas altamente dinâmicas passíveis de sofrer tanto fissão quanto fusão A fusão de mitocôndrias pode resultar em estruturas tubulares longas passíveis de ramificação para formar redes mitocondriais Independentemente da forma todas as mitocôndrias apresentam uma membrana externa lisa e uma membrana interna altamente dobrada Figura 120 A membrana in terna contém uma ATPsintase que utiliza um gradiente de prótons para sintetizar ATP para a célula O gradiente de prótons é gerado pela cooperação de transportadores de elétrons a cadeia transportadora de elétrons que está embebida na membrana interna e é periférica a ela ver Capítulo 12 As dobras da membrana interna são denominadas cristas O compartimento delimitado pela membrana in terna a matriz mitocondrial contém as enzimas da rota do metabolismo intermediário denominado ciclo do ácido cítrico A matriz também apresenta uma região especial o nucleoide que contém o DNA mitocondrial As mitocôndrias alteramse durante a germinação da semente e o desenvolvimento vegetal Na semente desi dratada elas iniciam como prómitocôndrias que não possuem cristas Em 6 horas de embebição ver Capítulo 18 os genes da ATPsintase são ativados e transcritos e em 12 horas as mitocôndrias já possuem cristas Os cloroplastos Figura 121A pertencem a outro grupo de organelas envolvidas por membrana dupla de nominadas plastídios As membranas do cloroplasto são ricas em galactolipídeos p ex monogalactosil glicerol ver Figura 17C Além das membranas interna e externa Centro cristalino catalase Peroxissomo Mitocôndria Cloroplastos 1 μm Figura 119 Cristal de catala se em um peroxissomo de folha madura de fumo Observe a asso ciação do peroxissomo com dois cloroplastos e uma mitocôndria organelas que trocam metabóli tos com os peroxissomos Micro grafia de S E Frederick cedida por E H Newcomb Taiz01indd 25 Taiz01indd 25 27102016 115100 27102016 115100 26 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal os cloroplastos têm um terceiro sistema de membranas os tilacoides Uma pilha de tilacoides forma um granum plural grana Figura 121B As proteínas e os pigmentos clorofilas e carotenoides que atuam nos eventos fotoquí micos da fotossíntese estão embebidos na membrana do tilacoide Os grana adjacentes estão conectados por mem branas não empilhadas as lamelas do estroma O com partimento fluido ao redor dos tilacoides denominado estroma é análogo à matriz da mitocôndria e contém a proteína mais abundante do planeta a rubisco a proteína envolvida na conversão do carbono do dióxido de carbono em ácidos orgânicos durante a fotossíntese ver Capítulo 8 A subunidade maior da rubisco é codificada pelo ge noma do cloroplasto enquanto a subunidade menor é co dificada pelo genoma nuclear A expressão combinada de cada subunidade e outras proteínas por cada genoma é necessária para que o cloroplasto cresça e se divida Os vários componentes do aparelho fotossintético es tão localizados em áreas diferentes dos grana e das lame las do estroma As ATPsintases do cloroplasto localizam se nas membranas dos tilacoides Figura 121C Durante a fotossíntese as reações de transferência de elétrons acionadas pela luz resultam em um gradiente de prótons através da membrana do tilacoide Figura 121D ver Capítulo 7 Assim como na mitocôndria o ATP é sin tetizado quando o gradiente de prótons é dissipado pela ATPsintase Entretanto no cloroplasto o ATP não é ex portado para o citosol mas é usado em muitas reações no estroma incluindo a fixação do carbono a partir do dióxi do de carbono atmosférico como descrito no Capítulo 8 Os plastídios que contêm concentrações altas de pig mentos carotenoides em vez de clorofila são denomina dos cromoplastos Eles são responsáveis pelas cores ama rela laranja ou vermelha de muitos frutos e flores assim como das folhas no outono Figura 122 ver também Fi gura 2135 Os plastídios sem pigmentos são os leucoplastos Em tecidos secretores especializados como os nectários os leucoplastos produzem monoterpenos ver Figura 133 moléculas voláteis em óleos essenciais que com frequência apresentam forte odor O tipo mais impor tante de leucoplasto é o amiloplasto um plastídio de reserva de amido Os amiloplastos são abundantes nos tecidos de partes aéreas de raízes e em sementes Os amiloplastos especializados da coifa atuam como senso res de gravidade promovendo o crescimento da raiz em direção ao solo ver Capítulo 18 Cristas Espaço intermembranas Matriz Membrana externa Membrana interna A B 1 μm ADP Pi ATP H H H H H H Figura 120 A Diagrama de uma mitocôndria incluindo a loca lização das HATPases relacionadas à síntese de ATP na membrana interna B Micrografia ao microscópio eletrônico da mitocôndria de uma célula da folha da gramabermuda Cynodon dactylon Micrografia de S E Frederick cortesia de E H Newcomb Taiz01indd 26 Taiz01indd 26 27102016 115100 27102016 115100 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 27 ATP H H H H H H H H H ADP Pi B Tilacoide Granum Estroma Lamelas do estroma A Estroma Grana Membranas externa e interna Lamelas do estroma Membrana interna Membrana externa Membrana do tilacoide Tilacoides Estroma Estroma Lume do tilacoide Granum pilha de tilacoides C D 2 μm 05 μm Figura 121 A Micrografia ao microscópio eletrônico de um cloroplasto de uma folha da gramadetimothy Phleum pratense B A mesma preparação em aumento maior C Visão tridimensio nal de pilhas de grana e lamelas do estroma apresentando a com plexidade da organização D Diagrama de um cloroplasto mos trando a localização das HATPases na membrana dos tilacoides Micrografias de W P Wergin cortesia de E H Newcomb Próplastídios desenvolvemse em plastídios especializados em diferentes tecidos vegetais As células meristemáticas contêm próplastídios que não possuem clorofila apresentam pouca ou nenhuma membrana interna e um conjunto incompleto de en zimas necessárias para realizar a fotossíntese Figura 123A Nas angiospermas e em algumas gimnosper mas o desenvolvimento do cloroplasto a partir do pró plastídio é desencadeado pela luz Em presença de luz as enzimas são formadas no próplastídio ou importa das do citosol os pigmentos para a absorção da luz são produzidos e as membranas proliferam rapidamente originando as lamelas do estroma e as pilhas de grana Figura 123B As sementes normalmente germinam no solo em au sência de luz e seus próplastídios desenvolvemse em cloroplastos somente quando a parte aérea jovem é ex posta à luminosidade Por outro lado se as plântulas são mantidas no escuro os próplastídios diferenciamse em etioplastos os quais contêm arranjos semicristalinos tu bulares de membranas conhecidos como corpos próla melares Figura 123C Em vez de clorofila os etioplastos contêm um pigmento precursor de cor verdeamarelada a protoclorofilida Minutos após a exposição à luz um etioplasto dife renciase convertendo o corpo prólamelar em tilacoides Taiz01indd 27 Taiz01indd 27 27102016 115100 27102016 115100 28 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal e membranas lamelares e a protoclorofilida em clorofila para uma discussão sobre a síntese de clorofila ver Tópi co 711 na internet A manutenção da estrutura do clo roplasto depende da presença de luz os cloroplastos ma duros podem ser revertidos a etioplastos se mantidos por longos períodos no escuro Da mesma forma sob condi ções ambientais diferentes os cloroplastos podem ser con vertidos em cromoplastos ver Figura 122 como no caso das folhas no outono e do amadurecimento dos frutos A divisão de cloroplastos e mitocôndrias é independente da divisão nuclear Como mencionado anteriormente os plastídios e as mito côndrias dividemse por fissão coerente com suas origens procarióticas Fissão e replicação do DNA de organelas são eventos regulados independentemente da divisão nuclear Por exemplo o número de cloroplastos por volume celular depende do desenvolvimento da célula e de seu ambien Vacúolo Tonoplasto Pilha de grana Cristais de licopeno 1 μm A B C Plastídios Etioplastos Corpos prólamelares 500 nm 500 nm 2 μm Figura 123 Micrografias ao microscópio eletrônico ilustrando vários estágios do desenvolvimento de plastídios A Próplastídios de meristema apical de raiz de fava Vicia faba O sistema de mem brana interna é rudimentar e os grana não estão presentes B Uma célula de mesofilo de uma folha jovem de aveia Avena sativa em estágio inicial de diferenciação em presença de luz Os plastídios estão se desenvolvendo em pilhas de grana C Célula de uma folha jovem de uma plântula de aveia crescida no escuro Os plastídios desenvolveramse como etioplastos com túbulos de membranas semicristalinas entrelaçadas chamados de corpos prólamelares Quando expostos à luz os etioplastos podem se converter em clo roplastos pela desorganização dos corpos prólamelares e formação de pilhas de grana Gunning e Steer 1996 Figura 122 Micrografia ao microscópio eletrônico de um cro moplasto do fruto de um tomateiro Solanum esculentum no es tágio inicial de transição entre um cloroplasto e um cromoplasto Pequenas pilhas de grana ainda podem ser observadas Os cristais do carotenoide licopeno estão indicados por estrelas Gunning e Steer 1996 Taiz01indd 28 Taiz01indd 28 27102016 115100 27102016 115100 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 29 te Assim há mais cloroplastos nas células do mesofilo de uma folha do que nas células da sua epiderme Embora o momento de fissão dos cloroplastos e das mitocôndrias seja independente do momento da divisão celular essas organelas necessitam de proteínas codifi cadas pelo núcleo para que ocorra sua divisão Em bacté rias e organelas semiautônomas a fissão é facilitada por proteínas que formam anéis no envoltório interno no local do futuro plano de divisão Em células vegetais os genes que codificam essas proteínas se encontram no núcleo As proteínas podem ser enviadas ao sítio associado ao RE o qual forma um anel em torno da organela em divisão As mitocôndrias e os cloroplastos podem também aumentar em tamanho sem divisão para suprir a demanda de ener gia ou fotossintética Se por exemplo as proteínas envol vidas na divisão da mitocôndria são inativadas experi mentalmente as poucas mitocôndrias tornamse maiores permitindo à célula suprir suas necessidades energéticas Em mitocôndrias e cloroplastos ocorrem protrusões da membrana externa e interna Nos cloroplastos essas protrusões são denominadas estrômulos pois contêm es troma mas não tilacoides ver estrômulos no Tópico 19 na internet Nas mitocôndrias elas são chamadas de ma trixulos Embora haja pouca evidência para a função dos estrômulos e dos matrixulos eles podem ter uma função na troca de materiais com outras organelas Tanto os plastídios quanto as mitocôndrias podem se mover pelas células Em algumas células vegetais os clo roplastos estão ancorados no citoplasma cortical mais ex terno da célula mas em outras eles são móveis O movi mento dos cloroplastos em resposta à luz é demonstrado no Tópico 19 na internet Assim como os corpos de Golgi e os peroxissomos as mitocôndrias movimentamse pela ação das miosinas vegetais que se movem ao longo dos microfi lamentos de actina ver Tópico 19 na internet As redes de microfilamentos de actina estão entre os principais compo nentes do citoesqueleto vegetal descrito a seguir O citoesqueleto vegetal O citoplasma é organizado em uma rede tridimensional de filamentos proteicos denominada citoesqueleto Essa rede proporciona uma organização espacial para as or ganelas e serve como arcabouço para os movimentos das organelas e de outros componentes do citoesqueleto Ela também apresenta papéis fundamentais nos processos de mitose meiose citocinese depósito da parede manuten ção da forma celular e diferenciação celular O citoesqueleto vegetal é formado por microtúbulos e microfilamentos Dois tipos principais de elementos do citoesqueleto foram identificados nas células vegetais microtúbulos e microfi lamentos Cada tipo é filamentoso apresentando diâmetro fixo e comprimento variável podendo atingir muitos mi crômetros Os microtúbulos e os microfilamentos são con juntos macromoleculares de proteínas globulares Outra classe de proteínas do citoesqueleto encontrada em células animais os filamentos intermediários não é encontrada no genoma vegetal Isso não surpreende pois os filamentos intermediários p ex queratina são encontrados na pele nos pelos nas escamas nas penas e nas garras nenhum dos quais encontrados em plantas Entretanto há alguns locais dentro da célula animal onde filamentos intermediá rios desempenham papel importante como na superfície interna do envoltório nuclear Nesses locais as plantas possuem proteínas estruturais com grandes regiões de interação que se enrolam umas nas outras denominadas domínios supertorcidos e essas proteínas exercem funções similares aos filamentos intermediários nos animais Os microtúbulos são cilindros ocos com diâmetro ex terno de 25 nm são compostos de polímeros da proteína tubulina O monômero de microtúbulos tubulina é um heterodímero composto por duas cadeias polipeptídicas semelhantes α e βtubulina Figura 124A Um único microtúbulo é formado por centenas de milhares de mo nômeros de tubulina organizados em colunas os protofi lamentos Os microfilamentos são sólidos com diâmetro de 7 nm compostos por uma forma monomérica de pro teína actina denominada actina globular ou actina G Os monômeros de actina G polimerizam para formar uma cadeia de subunidades de actina também denomi nada protofilamento A actina no filamento polimerizado é referida como actina filamentosa ou actina F Um mi crofilamento consiste em uma hélice forma resultante da polaridade da associação de monômeros de actina G Subunidades da tubulina α e β Protofilamento Junção da lâmina 25 nm 7 nm A B α β α β α β Subunidade da actina G 8 nm α β Figura 124 A Desenho de um microtúbulo em vista longitudi nal Cada microtúbulo é composto de 13 protofilamentos varia com a espécie e com o tipo celular A organização das subunidades α e β é ilustrada B Diagrama de um microfilamento mostrando um fei xe de actina F protofilamento com uma organização helicoidal com base na assimetria dos monômeros as subunidades de actina G Taiz01indd 29 Taiz01indd 29 27102016 115101 27102016 115101 30 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal Subunidades em polímeros Tempo Extremidade Extremidade Actina G Actina G Complexo Arp 23 Actina F Actina F Formina Profilina Vilina Feixe de actina B Interação com profilina e produção de feixes de actina por vilina C Formação de microfilamentos simples ou organizados em feixes por formina e fimbrina D Formação de filamentos ramificados de actina pelo complexo Arp 23 Nucleação Alongamento Estado estacionário Extremidade Extremidade Extremidade Extremidade Actina G forma ATP Actina G forma ADP Actina G forma ADP A Cinética da polimerização da actina sem proteínas de ligação à actina Nucleação Alongamento Microfilamento de actina F estado estacionário Feixe de actina Fimbrina Figura 125 Modelos para a montagem de microfilamentos de actina A A polimerização dos filamentos de actina ocorre na ex tremidade mais com a actina ligada ao ATP verde Há um lapso de tempo de polimerização que é dependente da nucleação de actina G em pequenos iniciadores de actina F Uma vez alcançado o tama nho crítico do iniciador a velocidade de polimerização aumenta até atingir um estado de equilíbrio em que a velocidade de adição na extremidade mais é balanceada pela despolimerização na extremi dade menos A hidrólise de ATP em ADP ocorre após as unidades carregadas de ATP serem polimerizadas e a actina G que chega à extremidade menos ter um ADP em laranja B A profilina auxi lia na manutenção de um pool de actinaATP disponível na célula a qual pode então ser adicionada à extremidade mais Os túbu los em crescimento podem ser estabilizados por ligações cruzadas entre a actina e a proteína vilina C As forminas podem nuclear monômeros de actina superando assim a fase de latência vista na ausência de proteínas acessórias ver A acima A actina F recém formada associada à formina pode ser estabilizada e estabelecer ligações cruzadas com a fimbrina ABP D Além das forminas a ou tra proteína que pode nuclear a formação de novos filamentos de actina é o complexo Arp 23 O complexo inicia a ramificação da actina em certo ângulo a partir de microfilamentos preexistentes Taiz01indd 30 Taiz01indd 30 27102016 115101 27102016 115101 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 31 Figura 124B Como descrito a seguir essa polaridade determina a dinâmica dos microfilamentos Actina tubulina e seus polímeros estão em constante movimento na célula Na célula as subunidades de actina e tubulina ocorrem como pools de proteínas livres em equilíbrio dinâmico com as formas polimerizadas O ciclo de polimerizaçãodespoli merização é essencial para a vida da célula drogas que pa ralisam esse ciclo e por fim matam a célula Cada um dos monômeros contém um nucleotídeo ligado ATP ou ADP no caso da actina GTP ou GDP tri ou difosfato de guanosina no caso da tubulina Os microtúbulos e os microfilamentos são polarizados ou seja as duas extremidades são diferen tes A polaridade manifestase pelas velocidades de cres cimento diferentes das duas extremidades sendo a mais ativa denominada extremidade mais e a menos ativa ex tremidade menos Nos microfilamentos a polaridade tem origem na polaridade do próprio monômero de actina a fenda de ATPADP está exposta na extremidade menos en quanto no lado oposto está exposta na extremidade mais Em microtúbulos a polaridade originase na polaridade do heterodímero α e βtubulina o monômero αtubulina ocor re somente na forma GTP e está exposto na extremidade menos enquanto a βtubulina pode se ligar a GTP ou GDP e aparece na extremidade mais Os microtúbulos e os microfi lamentos têm suas meiasvidas normalmente contadas em minutos e determinadas por proteínas acessórias proteínas de ligação à actina ABPs de actinbinding proteins em mi crofilamentos e proteínas associadas a microtúbulos MAPs de microtubuleassociated proteins As ABPs e as MAPs exercem diversas funções que podem regular a dinâmica dos micro filamentos e dos microtúbulos A polimerização da actina G na ausência de ABPs in vitro não é somente concentraçãodependente pois deve alcançar uma concentração crítica de modo a polimerizar mas também é tempodependente requerendo tempo para nucleação dos monômeros em um tamanho sufi cientemente estável para permitir o alongamento Figura 125A Durante o alongamento e no estado estacionário a extremidade mais polimeriza rapidamente enquanto a outra extremidade do microfilamento a menos polimeriza de forma mais lenta A actina F lentamente hidrolisa ATP a ADP transição da subunidade verde para a laranja na Figura 125 As profilinas regulam o balanço entre actina G e F Figura 125B A nova actina F iniciase de duas maneiras pelo crescimento do filamento ativado pelas proteínas forminas Figura 125C e pela ramificação dos filamentos nas junções formadas pelo filamento nucleador de actina Arp 23 Figura 125D Há proteínas envolvidas na fragmentação do filamento de actina tais com o fator despolimerizante da actina ADF de actin depolymerizant factor Nas células a reciclagem da actina envolve extensa fragmentação mas os microfilamentos podem ser estabi lizados em feixes pela associação com as proteínas vilina e fimbrina ver Figura 125B e C Esses feixes formam o centro dos cordões transvacuolares e os espessamentos citoplasmáticos no córtex celular região onde ocorrem as correntes citoplasmáticas mais rápidas ver Figura 16 A montagem de microtúbulos a partir de tubulina li vre em um tubo de ensaio segue um padrão dependente do tempo semelhante ao da actina envolvendo nucleação alongamento e as fases de estado estacionário ver Figura 125A Na célula a nucleação de microtúbulos e o início do crescimento ocorrem em centros de organização de mi crotúbulos MTOCs de microtubule organizing centers tam bém chamados de complexos de iniciação mas a natureza do complexo de iniciação ainda precisa ser esclarecida Um tipo de complexo de iniciação contém uma tubulina muito menos abundante a γtubulina que junto com proteínas acessórias pode formar um anel a partir do qual os mi crotúbulos crescem Esses complexos de anel γtubulina estão presentes no citoplasma cortical por vezes associa dos a ramificações de microtúbulos Figura 126AC de forma semelhante à presença de Arp 23 nas ramificações dos microfilamentos Os complexos do anel γtubulina iniciam a polimerização de heterodímeros α e βtubulina em protofilamentos longitudinais curtos A seguir os pro tofilamentos o número varia com a espécie associamse lateralmente para formar uma lâmina plana ver Figura 126A Com a hidrólise de GTP a lâmina enrolase em um microtúbulo cilíndrico ver Figura 126B Na maioria dos outros organismos os complexos do anel γtubulina estão envolvidos na iniciação do crescimento de microtúbulos mas em plantas alguns complexos de iniciação não con têm os complexos de anel γtubulina Os locais principais dos complexos de iniciação são o citoplasma cortical nas células em interfase a periferia do envoltório nuclear e os polos do fuso nas células em divisão Cada heterodímero de tubulina contém duas molécu las de GTP uma no monômero de αtubulina e outra no de βtubulina Na αtubulina o GTP está fortemente ligado e é não hidrolisável enquanto o GTP ligado à βtubulina é hidrolisado a GDP algum tempo após a ligação da subu nidade na extremidade mais de um microtúbulo A hidró lise do GTP a GDP na subunidade da βtubulina causa um leve dobramento no dímero se a taxa de hidrólise do GTP alcança a taxa de adição de novos heterodímeros a extre midade da tubulina carregada com GTP desaparece e os protofilamentos desligamse uns dos outros iniciando uma despolimerização catastrófica que é muito mais rápida do que a taxa de polimerização ver Figura 126C Essas catás trofes também podem ocorrer quando um microtúbulo co lide com outro em ângulo maior do que 40 Tal despolime rização pode ser revertida parada da despolimerização e retomada da polimerização se o aumento da concentração local de tubulina livre com GTP causado pela catástrofe mais uma vez favorecer a polimerização Esse processo é denominado instabilidade dinâmica ver Figura 126AC A extremidade menos ou extremidade de crescimento len to não despolimeriza se for coberta por γtubulina No en tanto os microtúbulos de plantas podem ser liberados dos Taiz01indd 31 Taiz01indd 31 27102016 115101 27102016 115101 32 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal A Polimerização rápida D A interação entre as MAPs a katanina e a MOR1 gera movimento em esteira rolante B Diminuição da cobertura de GTP C Rápido encurtamento por catástrofe Extremidade laminar enrolase formando um túbulo à medida que o GTP é hidrolisado Quando a cobertura de GTP desaparece os dímeros na extremidade curvamse para a face externa e os protofilamentos se separam enrolamse e rapidamente despolimerizam βtubulinaGTP γtubulina βtubulinaGDP Cobertura de GTP no microtúbulo em rápido crescimento Extremidade estabilizada Despolimerização da extremidade Extremidade Extremidade Movimento em esteira rolante polimerização da extremidade Proteína acessória da γtubulina A taxa de hidrólise de GTP alcança a de polimerização A katanina corta na junção microtúbulo micro túbulo A MOR1 movese no microtúbulo em crescimento Mesma região Junção da lâmina MOR1 estabiliza e inibe a catástrofe Figura 126 Modelos para a instabilidade dinâmica e esteira rolan te A A extremidade menos dos microtúbulos nos sítios de iniciação pode ser estabilizada por complexos de anel de γtubulina alguns dos quais são encontrados ao lado de microtúbulos preexistentes As ex tremidades mais dos microtúbulos crescem rapidamente produzindo uma cobertura de tubulina que apresenta GTP ligado à subunidade β A extremidade recémadicionada tem uma estrutura em lâmina que se enrola na forma de um túbulo enquanto o GTP é hidrolisado B Com a diminuição da taxa de crescimento ou o aumento da hidrólise de GTP a cobertura de GTP é diminuída C Quando a cobertura de GTP desaparece os protofilamentos dos microtúbulos separamse pois o heterodímero com o GDP ligado à subunidade de βtubulina está levemente curvado Os protofilamentos são instáveis e ocorre a despolimerização rápida e catastrófica D Se o microtúbulo é cortado no ponto de ramificação pela katanina ATPase a extremidade menos tornase instável e pode despolimerizar Se a estabilidade do microtú bulo é conferida contra a instabilidade dinâmica na extremidade mais pela MOR1 uma MAP a velocidade de adição na extremidade mais pode corresponder à despolimerização na extremidade menos e o movimento em esteira rolante continua Taiz01indd 32 Taiz01indd 32 27102016 115101 27102016 115101 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 33 complexos de anel de γtubulina por uma ATPase a kata nina da palavra japonesa katana espada samurai que corta o microtúbulo no ponto onde o crescimento ramifica para formar outro microtúbulo ver Figura 126D Uma vez que os microtúbulos tenham sido liberados pela katanina eles se deslocam em movimentos ondulatórios pelo córtex celular por um mecanismo chamado de esteira rolante Os microtúbulos corticais movemse pela célula por meio de esteira rolante Os microtúbulos no citoplasma cortical podem migrar la teralmente em torno da periferia da célula por um processo chamado de esteira rolante Durante o deslocamento os heterodímeros de tubulina são adicionados à extremidade mais em crescimento na mesma taxa que são removidos da extremidade menos em encurtamento ver Figura 126D As subunidades de tubulina não se movem em relação à célula quando são polimerizadas nos microtúbulos ver região sombreada na Figura 126D porque o microtúbulo em geral está ligado a uma membrana por várias MAPs No entanto o microtúbulo movese logo abaixo da mem brana plasmática à medida que mais subunidades são adi cionadas na extremidade mais e retiradas na extremidade menos Tal movimento iria parar se a extremidade mais encolhesse rapidamente por catástrofe Entretanto o mi crotúbulo é estabilizado contra catástrofes por MAPs mais especificamente a MOR1 organização de microtúbulos 1 de microtubule organization 1 que podem se mover para baixo no microtúbulo enquanto ele está em deslocamento Como será discutido no Capítulo 19 e na seção A Regulação do ciclo celular a seguir ver Figuras 137 e 139 a orientação transversal dos microtúbulos corticais determina a orien tação das novas microfibrilas de celulose sintetizadas na parede celular A presença de fibrilas transversais de celu lose na parede celular reforça a parede na direção transver sal promovendo crescimento no eixo longitudinal Dessa forma os microtúbulos desempenham um papel impor tante na polaridade do crescimento das plantas Proteínas motoras do citoesqueleto participam da corrente citoplasmática e do movimento dirigido de organelas Como mostrado no Tópico 19 na internet as mitocôndrias os peroxissomos e os corpos de Golgi são extremamente dinâmicos em células vegetais Essas partículas de cerca de 1 μm movemse em velocidades de cerca de 1 a 10 μm s1 em espermatófitas Esse movimento é bastante rápido ao se ampliar proporcionalmente 106 em tamanho essa velocidade é equivalente a um objeto de 1 m movendose a 10 m s1 aproximadamente a alcançada pelo homem mais rápido do mundo É muito mais rápido do que as células ani mais que rastejam sobre um substrato 00102 μm s1 e é aproxidamente a mesma velocidade na qual as partículas de pigmento se deslocam nos melanócitos de peixe ou polvo quando eles rapidamente mudam de cor para se esconder ou atacar Porém as células vegetais movem essas partículas praticamente o tempo todo A actina e sua proteína moto ra a miosina atuam em conjunto no citoplasma da célula vegetal para gerar esse movimento e por conseguinte com frequência são referidas como citoesqueleto de actomiosina Esse movimento de organelas individuais pode ser parte de uma corrente citoplasmática o fluxo de massa coordenado citoplasmático e de organelas dentro da cé lula No entanto talvez seja mais bem definido como mo vimento dirigido de organelas pois as organelas com frequência passam umas pelas outras em direções opos tas ver Tópico 19 na internet Se o movimento dirigido de organelas exercer arraste suficiente sobre o citosol e as organelas em seguida ele irá desencadear a corrente ci toplasmática À medida que as células crescem as taxas de movimento tendem a aumentar Nas células gigantes das algas verdes Chara e Nitella a corrente ocorre de modo helicoidal para baixo em um lado da célula e para cima no outro lado na velocidade de até 75 μm s1 O movimen to dirigido de organelas funciona em consonância com o aprisionamento de organelas ou seja a ancoragem das organelas umas às outras ao citoesqueleto ou à membra na para organizar o citoplasma das células vegetais Os cloroplastos de Chara e Nitella por exemplo estão pre sos de modo que não se movem mesmo que as demais organelas estejam em movimento ativo no citoplasma mais interno Da mesma forma o RE cortical está preso à membrana plasmática enquanto o RE interno p ex nos cordões transvacuolares ver Figura 114 é mais dinâmico Motores moleculares participam tanto no movimento quanto no aprisionamento de organelas Os vegetais pos suem dois tipos de motores as miosinas e as cinesinas As miosinas são ABPs com ligação reversível com os filamen tos de actina Há dois tipos de miosinas vegetais a miosina VIII que atua principalmente na ancoragem de organelas durante o desenvolvimento vegetal e a miosina XI que é responsável pela maioria do movimento de organelas nas células que não estão em divisão As cinesinas são MAPs e ligamse aos microtúbulos Quando se movem ao longo do citoesqueleto elas se deslocam em uma direção particular ao longo dos polímeros do citoesqueleto As miosinas em geral movemse em direção à extremidade mais dos fila mentos de actina somente a miosina VI de animais é co nhecida pelo movimento em direção à extremidade menos De 61 membros dessa família dois terços deslocamse em direção à extremidade mais do microtúbulo e um terço para a extremidade menos Embora os membros da família das cinesinas interajam com algumas membranas de organelas eles tendem a prender as organelas em vez de mediar seu movimento ao longo dos microtúbulos As cinesinas podem se ligar à cromatina ou a outros microtúbulos e ajudar a or ganizar o aparelho do fuso durante a mitose ver a seguir e Tópico 110 na internet As dineínas as proteínas motoras de microtúbulos predominantemente na extremidade me nos de animais e protistas estão ausentes em plantas mas presentes em algas verdes como Chlamydomonas Como as proteínas motoras podem participar tanto do movimento quanto do aprisionamento das organelas To Taiz01indd 33 Taiz01indd 33 27102016 115101 27102016 115101 34 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal das essas proteínas apresentam domínios de cabeça pes coço e cauda como a miosina XI Figura 127 O domínio da cabeça globular ligase reversivelmente ao citoesqueleto dependendo do estado de energia do ATP no sítio ativo da ATPase O domínio do pescoço muda o ângulo após hidró lise de ATP flexionando a cabeça em relação à cauda O do mínio da cauda em geral contém regiões supertorcidas para a dimerização e o final do domínio globular da cauda liga se a organelas específicas ou carga e é chamado de do mínio de carga ver Figura 127B Para uma proteína motora prender uma organela à membrana plasmática através do citoesqueleto a cabeça motora ligase ao citoesqueleto que está ligado à organela enquanto o domínio de carga se liga a uma proteína na membrana Com frequência as proteí nas motoras de aprisionamento são monoméricas e quando ocorre a hidrólise do ATP ligado à miosina o domínio da cabeça desligase do citoesqueleto e a organela que estava ligada ao citoesqueleto é liberada Para que a proteína mova uma organela a parte motora dimeriza as duas moléculas interagem no domínio da cauda supertorcido e ligamse à organela no domínio de carga As duas cabeças do dímero alternadamente ligamse ao citoesqueleto e caminham para frente enquanto o pescoço flexiona à medida que o ATP é hidrolisado ver Figura 127C Dessa forma a orga nela é movida ao longo do citoesqueleto Alguns movimentos são diferencialmente regulados Por exemplo os cloroplastos reorientamse sob determi nadas condições de luminosidade ver Tópico 19 na in ternet ver também Capítulo 9 Esses movimentos podem ser sobrepostos a outros movimentos dirigidos de orga nelas porque o mecanismo de movimento dos cloroplas tos é diferente do movimento dos corpos de Golgi pero xissomos e mitocôndrias O movimento dos cloroplastos ocorre sobre pequenos feixes de actina e utiliza algumas proteínas do tipo cinesina para se mover ao longo da ac tina em vez de microtúbulos e outras proteínas do tipo cinesina para se prender à membrana plasmática O movimento de organelas atende às mudanças dinâ micas que acompanham o crescimento e o desenvolvimen to O aprisionamento diferencial e o movimento podem organizar uma distribuição polar de organelas dentro da célula como em tubos polínicos Nestes a célula cresce apenas na extremidade pela secreção de materiais de mem brana e da parede e não ao longo do tubo ver Capítulo 21 No musgo Physcomitrella patens que possui um número reduzido de isoformas de miosina XI essa proteína está envolvida tanto no transporte de vesículas quanto no cres cimento polarizado da célula O movimento dirigido de organelas e a corrente citoplasmática fornecem um sistema rápido de resposta necessário às células vegetais quando 1 500 1000 Número de aminoácidos Cabeça Pescoço Carga Cauda A Sequência linear dos domínios da miosina XI Domínio supertor cido 1500 Domínio globular de carga Domínio supertorcido Região do pescoço Receptor do domínio da cauda Filamento de actina Domínio globular da cabeça motora B Configuração dobrada do dímero da miosina XI C Movimento da carga e geração de força da miosina XI ATP ADP ADP Vesículacarga ADP Geração de força 25 nm ADP Pi Figura 127 Movimento de organelas dirigido por miosina A Do mínios estendidos de aminoácidos da proteína motora miosina O do mínio da cauda inclui uma região supertorcida por dimerização e um domínio de carga para interagir com as membranas B O domínio da cabeça dobrase para se tornar globular Próximo ao domínio do pescoço ATPADP ligamse ao domínio da cabeça O pescoço consiste em regiões com composição específica de aminoácidos motivo IQ as quais podem interagir com as proteínas de modulação C Movimen to e geração de força da miosina XI A cauda ligase à organela pelo domínio de carga e por um complexo receptor na membrana As duas cabeças mostradas em vermelho e rosa possuem ATPase e atividade motora de tal forma que uma mudança na conformação da região do pescoço adjacente à cabeça produz uma caminhada um movimen to ao longo do filamento de actina durante a geração de força do mo tor quando o ATP é hidrolisado a ADP e fosfato inorgânico Pi A carga movese cerca de 25 nm em cada etapa Quando o fosfato é liberado o dímero é restabelecido ao estado prémotor Taiz01indd 34 Taiz01indd 34 27102016 115101 27102016 115101 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 35 precisam responder ao ambiente externo biótico e abiótico Por exemplo um ataque local como uma infecção fúngica ou um ferimento pode levar a uma rápida reestruturação da célula bem como uma mudança na direção da luz ou da gravidade pode exigir o reposicionamento de organelas Por fim o movimento das organelas atende à coreografia da divisão celular discutida a seguir A regulação do ciclo celular O ciclo da divisão celular ou ciclo celular é o processo pelo qual ocorre a reprodução da célula e de seu material genéti co o DNA nuclear Figura 128 O ciclo celular consiste em quatro fases G1 S G2 e M G1 é a fase em que a célulafilha recémformada ainda não replicou seu DNA O DNA é re G2 G1 S M Membrana plasmática Citoplasma Rede cortical do RE Parede celular Núcleo Cordão transvacuolar Tonoplasto RE Microtúbulo cortical transversal Fase G1 Fase G2 Fase M mitose Fase S síntese de DNA Cromossomo Polos do fuso com membranas do RE contendo proteínas do envoltório nuclear Vacúolo dividido Microtúbulo cortical longitudinal Microtúbulos do cinetocoro Microtúbulos astrais Microtúbulo polar Cinetocoro Ciclina B CDK B Ciclina A CDK A Ciclina D CDK A plicado durante a fase S G2 é a fase em que a célula com seu DNA replicado ainda não iniciou a mitose Coletivamente as fases G1 S e G2 são referidas como interfase A fase M é a mitose Em células vacuoladas o vacúolo aumenta durante a interfase e o plano da divisão celular divide o vacúolo pela metade durante a mitose ver Figura 128 Cada fase do ciclo celular apresenta um conjunto específico de atividades bioquímicas e celulares O DNA nuclear é preparado para a replicação na fase G1 pela montagem de um complexo de préreplicação nas origens de replicação ao longo da cromatina O DNA é replicado du rante a fase S e as células em G2 preparamse para a mitose Toda arquitetura da célula é alterada à medida que ela entra em mitose Se a célula possui um grande vacúolo central esse vacúolo deve primeiro ser dividido em duas partes por uma coalescência dos cordões transvacuolares citoplasmáticos que contêm o núcleo esta se torna a região onde ocorrerá a divisão nuclear Comparar a Figura 128 a divisão de uma célula vacuolada com a Figura 130 a divisão de uma célula não vacuolada Corpos de Golgi e Figura 128 Ciclo celular em uma célula vacuolada uma célula de planta de fumo As quatro fases do ciclo celular G1 S G2 e M são ilustradas em relação ao alongamento e à divisão de uma célula vacuolada Várias ciclinas e quinases dependentes de ciclinas CDKs regulam a transição de uma fase para a outra A ciclina D e a quinase dependente de ciclina A CDK A estão envolvidas na transição de G1 para S A ciclina A e a CDK A estão envolvidas na transição de S para G2 A ciclina B e a quinase dependente de ciclina B CDK B regulam a transição de G2 para M As quinases fosforilam outras proteínas na célula causando grandes reorganizações do citoesqueleto e dos sistemas de membranas Os complexos ciclinasCDK têm tempo de vida determinado geralmente regulado por seu próprio estado de fosforila ção o decréscimo de sua quantidade em direção ao final da fase permite a progressão para o próximo estágio do ciclo celular Taiz01indd 35 Taiz01indd 35 27102016 115101 27102016 115101 36 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal outras organelas se dividem e se compartimentam igual mente entre as duas metades da célula Como descrito a seguir o sistema de endomembranas e o citoesqueleto são amplamente rearranjados À medida que uma célula entra em mitose os cro mossomos mudam do estado de organização da interfase no núcleo e se condensam para formar os cromossomos metafásicos Figura 129 ver também Figura 19 Estes são mantidos unidos por proteínas denominadas coesinas que se localizam na região centromérica de cada par de cromossomos Para que os cromossomos se separem es sas proteínas devem ser clivadas pela enzima separase a qual deve ser inicialmente ativada Isso ocorre quando o cinetocoro se liga aos microtúbulos do fuso descrito na próxima seção Em um pontochave de regulação ponto de checa gem no início da fase G1 do ciclo a célula tornase com prometida com a síntese do DNA Em célula de mamífe ros a replicação do DNA e a mitose são ligadas uma vez iniciado o ciclo de divisão ele não é interrompido até que as fases da mitose tenham sido concluídas Por outro lado as células vegetais podem parar o ciclo antes ou depois de replicarem seu DNA ou seja durante G1 ou G2 Como consequência enquanto a maioria das células animais é diploide apresentam dois conjuntos de cromossomos as células vegetais com frequência são tetraploides quatro conjuntos de cromossomos ou mesmo poliploides mui tos conjuntos de cromossomos após passarem por ciclos adicionais de replicação nuclear sem que ocorra a mitose um processo denominado endorreduplicação O papel da poliploidia na evolução será discutido no Capítulo 2 O ci clo celular pode regular a diferenciação em alguns tipos celulares com a formação de células gigantes resultan tes de ciclos de endorreduplicação e células pequenas que permanecem mitoticamente ativas O ciclo celular é regulado por ciclinas e por quinases dependentes de ciclina As reações bioquímicas que governam o ciclo celular são altamente conservadas na evolução dos eucariotos e as plantas preservaram os componentes básicos desse meca nismo A progressão do ciclo é regulada principalmente em três pontos de checagem durante a fase G1 como já mencionado no final da fase S e na transição G2M As enzimaschave que controlam as transições entre os diferentes estados do ciclo celular e a entrada das células no ciclo de divisão são as proteínas quinases dependentes de ciclina CDKs de cyclindependent kinases As proteínas quinases são enzimas que fosforilam outras proteínas uti lizando o ATP A maioria dos eucariotos multicelulares uti liza várias quinases que são ativas em diferentes fases do ciclo celular Todas dependem de subunidades reguladoras as ciclinas para desempenhar suas atividades Diversas classes de ciclinas foram identificadas em plantas animais e leveduras Foi demonstrado que três ciclinas regulam o ciclo celular de fumo como ilustrado na Figura 128 1 Ciclinas G1S ciclina D ativa no final da fase G1 2 Ciclinas tipo S ciclina A ativa no final da fase S 3 Ciclinas tipo M ciclina B ativa imediatamente antes da fase mitótica O ponto crítico de restrição no final da fase G1 o qual determina que a célula passe por um novo ciclo de divi são é regulado principalmente pelas ciclinas do tipo D Como será visto posteriormente neste livro os hormônios vegetais que promovem a divisão celular incluindo as ci tocininas e os brassinosteroides ver Capítulo 15 parecem controlar o ciclo ao menos em parte pelo aumento na cicli na D3 uma ciclina vegetal do tipo D A atividade das CDKs pode ser regulada de várias for mas mas os dois mecanismos mais importantes são 1 a síntese e a degradação da ciclina e 2 a fosforilação e a desfosforilação dos resíduos de aminoácidoschave na proteína CDK No primeiro mecanismo de regulação as CDKs são inativas a menos que estejam associadas à ciclina A maioria das ciclinas é reciclada turnover rapi damente elas são sintetizadas e após degradadas ati vamente usando ATP em pontos específicos do ciclo celular As ciclinas são degradadas no citoplasma por um grande complexo proteolítico denominado proteassomo 26S ver Capítulo 2 Antes da degradação pelo proteasso mo as ciclinas são marcadas para a destruição pela ligação a uma pequena proteína a ubiquitina em um processo que requer ATP A ubiquitinação consiste em um mecanismo geral de marcação de proteínas celulares destinadas à de gradação ver Capítulo 2 Cromátide Coesina Região centromérica do cromossomo Cromossomo replicado Cinetocoro interno proteínas centroméricas sítio de ligação ao cromossomo e ao nucleossomo Cinetocoro externo sítio de ligação a microtúbulos motores de microtúbulos controle do ponto de checagem Microtúbulos do cinetocoro Figura 129 Estrutura de um cromossomo metafásico O DNA centromérico está destacado e a região onde moléculas de coesão unem os dois cromossomos está ilustrada em cor laranja O cineto coro é uma estrutura em camadas a camada mais interna em roxo e a mais externa em amarelo que contém proteínas de ligação a microtúbulos incluindo cinesinas que auxiliam na despolimerização dos microtúbulos durante o encurtamento dos microtúbulos do ci netocoro na anáfase Taiz01indd 36 Taiz01indd 36 27102016 115102 27102016 115102 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 37 O segundo mecanismo de regulação da atividade da CDK é a fosforilação e a desfosforilação As CDKs pos suem dois sítios de fosforilação da tirosina um leva à ati vação da enzima e o outro causa a inativação Quinases específicas ativam as CDKs enquanto outras as inativam Da mesma forma as proteínas fosfatases podem remover o fosfato das CDKs estimulando ou inibindo sua ativida de dependendo da posição do fosfato A adição ou a remo ção dos grupos fosfato das CDKs são processos altamente regulados e constituem um importante mecanismo para o controle da progressão do ciclo celular O controle poste rior da rota é exercido pela presença de inibidores de CDK ICKs que podem influenciar a transição G1S Os microtúbulos e o sistema de endomembranas atuam na mitose e na citocinese A mitose é o processo pelo qual os cromossomos ante riormente replicados são alinhados separados e distri buídos de uma maneira ordenada para as célulasfilhas Figura 130 ver também Figura 128 Os microtúbulos são parte integrante da mitose O período imediatamente anterior à prófase é denominado préprófase Durante a préprófase os microtúbulos da fase G2 são completamen te reorganizados formando a banda préprófase BPP constituída de microtúbulos ao redor do núcleo na região da futura placa celular o precursor da parede transversal ver Figura 130 A posição da BPP o local de divisão cor tical subjacente e a partição do citoplasma que divide os vacúolos centrais determinam o plano de divisão celular em plantas e assim desempenham um papel crucial no desenvolvimento ver Capítulos 1719 No início da prófase os microtúbulos que polime rizam na superfície do envoltório nuclear começam a se agregar em duas regiões nos lados opostos do núcleo ini ciando a formação do fuso ver Figura 130 Apesar de não estarem associadas aos centrossomos ausentes nas plantas ao contrário de células animais essas regiões de sempenham a mesma função na organização de microtú bulos Durante a prófase o envoltório nuclear permanece intacto mas é fragmentado no início da metáfase em um processo que envolve a reorganização e a reassimilação do envoltório nuclear no RE ver Figura 130 Durante a divisão os túbulos do RE trocam de trilhos saltando do citoesqueleto de actina e indo para os microtúbulos do fuso mitótico Duas regiões polares de RE em segui da localizamse em ambos os lados do fuso e os túbulos individuais de RE atravessam o fuso Durante todo o ciclo as quinases da divisão celular interagem com os microtú bulos por meio da fosforilação de MAPs e cinesinas para auxiliar na reorganização do fuso Durante a condensação dos cromossomos as regiões organizadoras do nucléolo RONs de diferentes cro mossomos se dissociam causando a fragmentação do nucléolo O nucléolo desaparece completamente durante a mitose e ao final do ciclo gradualmente é remontado à medida que os cromossomos se descondensam e restabe lecem suas posições nos núcleosfilhos No início da metáfase a prómetáfase a BPP desa parece e novos microtúbulos são polimerizados para com pletar o fuso mitótico O fuso mitótico de células vege tais sem centrossomos não se apresenta de forma elíptica como nas células animais Os microtúbulos do fuso na célula vegetal surgem de uma zona difusa que consiste em múltiplos focos em extremidades opostas da célula e se estendem para a região central em arranjos paralelos Os cromossomos metafásicos são completamente condensados por um empacotamento de histonas e de nucleossomos que são ainda organizados em fibras con densadas ver Figuras 19 e 129 O centrômero região onde duas cromátides são unidas próximo à região central do cromossomo contém DNA repetitivo assim como o telômero que forma a extremidade do cromossomo que o protege contra a degradação Alguns microtúbulos se ligam em uma região especial do centrômero o cineto coro e os cromossomos alinhamse na placa metafásica ver Figuras 128 e 130 Alguns dos microtúbulos livres se sobrepõem aos microtúbulos da região polar oposta na zona intermediária do fuso Assim como há pontos de checagem que controlam as quatro fases do ciclo celular há também pontos de checa gem que atuam durante a mitose O ponto de checagem do fuso por exemplo impede a progressão das células para a anáfase se os microtúbulos não interagiram corre tamente com o cinetocoro O complexo ciclina BCDK B tem função importante na regulação desse processo Se os microtúbulos do fuso foram corretamente ligados a seus cinetocoros o complexo promotor de anáfase leva à de gradação proteolítica de um inibidor de separase ativando assim essa enzima a qual cliva a coesina que liga os dois cromossomos ver Figura 129 isso permite que as cro mátides alinhadas na placa de metáfase separemse em direção aos respectivos polos O complexo promotor de anáfase também promove a ubiquitinação e subsequente degradação proteolítica da ciclina B Sem ciclina B o com plexo ciclina BCDK B não pode mais formar e desmontar o fuso os cromossomos descondensam e o envoltório nu clear se reorganiza Observe que cada cromátide passou por um ciclo de replicação e possui o conteúdo diploide 2n de DNA Assim logo que a separação ocorre as cro mátides tornamse cromossomos O mecanismo da separação de cromossomos durante a anáfase apresenta dois componentes anáfase A ou anáfase inicial durante a qual as cro mátidesirmãs se separam e começam a se mover em direção a seus polos e anáfase B ou anáfase tardia durante a qual os mi crotúbulos polares deslizam um em relação ao outro e alongam para distanciar os polos do fuso Ao mesmo tempo os cromossomosirmãos são empurrados para seus respectivos polos Nos vegetais os microtúbulos do fuso aparentemente não estão ancorados ao córtex da célula nos polos e assim os cromossomos não podem ser separados Em vez disso Taiz01indd 37 Taiz01indd 37 27102016 115102 27102016 115102 38 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal Telófase Formação do fragmoplasto Citocinese Formação da placa celular Prófase Desaparecimento da banda préprófase condensação dos cromossomos Metáfase Alinhamento dos cromossomos na placa metafásica Cromossomos iniciam a descondensação Reorganização do envoltório nuclear Fragmoplasto rede de microtúbulos RE e vesículas de membranas Retículo endoplasmático Duas células são formadas Cromossomos em condensação cromátidesirmãs unidas no centrômero Fuso da prófase Envoltório nuclear reabsorvido pela rede polar do RE O polo do fuso desenvolvese Reorganização do envoltório nuclear Microtúbulos polares Cromossomos completamente descondensados Banda préprófase Envoltório nuclear Cromossomos Microtúbulos do fragmoplasto Vesículas de membranas RE Placa celular Préprófase Membrana plasmática Citoplasma Parede celular Vacúolos Determinação do futuro plano de divisão pela banda préprófase Núcleo Envoltório nuclear Banda préprófase de microtúbulos Rede cortical do RE Anáfase Segregação dos cromossomos alongamento do fuso Cromátides separadas são puxadas para os polos Encurtamento dos microtúbulos dos cinetocoros Deslizamento dos microtúbulos polares para aumentar o tamanho do fuso 1 2 3 4 5 6 7 Figura 130 Alterações na organização celular que acompa nham a mitose em uma célula vegetal meristemática não vacuo lada 1 2 4 e 5 A fluorescência vermelha é devida ao anticorpo antiαtubulina microtúbulos a fluorescência verde é devida à WIPGFP proteína verde fluorescente fusionada a uma proteína do envoltório nuclear e a fluorescência azul é devida ao DAPI corante de ligação ao DNA 3 6 e 7 O RE é marcado com a fluorescência verde de HDELGFP e a placa celular com a fluorescência vermelha de FM464 1 2 4 e 5 de Xu et al 2007 3 6 e 7 de Higaki et al 2008 Taiz01indd 38 Taiz01indd 38 27102016 115102 27102016 115102 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 39 eles provavelmente são separados por cinesinas na sobrepo sição dos microtúbulos do fuso ver Tópico 110 na internet Na telófase surge uma nova rede de microtúbulos e actina F chamada de fragmoplasto Figura 131 O frag moplasto organiza a região do citoplasma onde ocorre a citocinese Os microtúbulos perderam sua forma de fuso mas retêm a polaridade com suas extremidades menos ainda apontadas em direção aos cromossomos separados e em descondensação onde o envoltório nuclear está em processo de reorganização ver Figura 131 Telófase As extremidades mais dos microtúbulos apontam para a zona média do fragmoplasto onde pequenas vesículas se acu mulam derivadas parcialmente de vesículas endocíticas da membrana celular parental Essas membranas apresentam longas projeções que podem auxiliar na formação da nova placa celular no próximo estágio do ciclo celular citocinese A citocinese é o processo que estabelece a placa celu lar precursora da nova parede transversal que irá separar as célulasfilhas ver Figura 130 Essa placa celular com sua membrana plasmática incluída forma uma ilha no cen tro da célula que cresce em direção à parede celular paren tal pela fusão de vesículas A proteína de reconhecimento KNOLLE que pertence à família de proteínas SNARE en volvidas na fusão de vesículas ver Tópico 16 na internet está presente na placa celular em formação assim como a dinamina uma GTPase envolvida na formação de vesícu las Existem também vários motores moleculares e os fato res de aprisionamento envolvidos na montagem O local no qual a placa celular se une à membrana plasmática parental é determinado pela localização da BPP que desapareceu no início da mitose e por proteínas específicas associadas aos microtúbulos MAPs À medida que a placa celular se for ma ocorre a agregação de túbulos do RE em canais reves tidos de membrana que atravessam a placa assim conec tando as duas célulasfilhas ver Figura 131 Os túbulos do RE que atravessam a placa celular demarcam os sítios dos plasmodesmos primários ver Figura 14BD Após a cito cinese os microtúbulos reorganizamse no córtex celular Os novos microtúbulos corticais apresentam uma orienta ção transversal em relação ao eixo celular e essa orientação determina a polaridade da futura extensão celular Tipos de células vegetais Como descrito no início do capítulo o plano básico do cor po vegetal tem três grupos de tecidos tecido dérmico teci do fundamental e tecido vascular Nesta seção são discu tidos exemplos dos tipos de células encontrados em cada um desses tecidos incluindo sua organização subcelular e a diferenciação de suas organelas Tecidos dérmicos recobrem as superfícies das plantas Aqui são mostrados cinco exemplos de tecido dérmico três em folhas Figura 132 e dois nos nectários florais Figura 133 A epiderme foliar possui uma superfície su perior e uma inferior com diferentes tipos de células em cada uma ver Figura 132A Em muitas plantas floríferas a epiderme inclui células fundamentais pavement cells em forma de peças de quebracabeças ou em forma de tijolos utilizados na pavimentação decorativa Na Figu ra 132B as células dérmicas de um cotilédone de Arabi dopsis são as únicas células em evidência mas quando a N de RT A denominação célula pavimentosa é empregada em citologia animal razão pela qual preferiuse não adotála no contex to deste livro ver glossário Figura 131 Alterações na organização do fragmoplasto e do RE durante a formação da placa celular A A placa celular em for mação amarelo em vista lateral no início da telófase apresenta poucos locais de interação com a rede tubulovesicular do RE azul Os blocos de microtúbulos do fragmoplasto roxo também apre sentam poucas cisternas entre eles B Visão lateral da placa celular periférica em formação amarelo mostrando que embora muitos túbulos citoplasmáticos do RE azul se entrelacem com microtú bulos roxo na região de crescimento periférico há pouco contato direto entre os túbulos do RE e as membranas da placa celular Os pequenos pontos brancos são ribossomos ligados ao RE Recons trução tomográfica tridimensional da microscopia eletrônica do fragmoplasto de SeguíSimarro et al 2004 Telófase Formação do fragmoplasto A B Citocinese Formação da placa celular Taiz01indd 39 Taiz01indd 39 27102016 115102 27102016 115102 40 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal primeira folha verdadeira aparece a epiderme diferencia se em mais tipos celulares tornandose coberta por tri comas ramificados ver Figura 132C Em raízes os pelos diferenciamse a partir da epiderme Muitas plantas têm relativamente poucos cloroplastos no tecido epidérmico das folhas verdadeiras talvez porque a divisão do cloro plasto seja desligada A exceção são as célulasguarda células surpreendentes que formam os lábios das bocas ou estômatos da folha que contêm muitos cloroplastos ver Figura 132DF As célulasguarda desenvolvem se a partir das mesmas células precursoras do restante da epiderme mas o citoesqueleto de microtúbulos que auxilia na determinação da forma das célulasguarda é radialmente orientado centrado na abertura estomática enquanto o tecido circundante tem uma orientação lon gitudinal ou lateral ver Figura 132E Uma vez formadas as célulasguarda permanecem citoplasmaticamente iso ladas do resto da epiderme pois nenhum plasmodesmo é produzido na placa celular durante a última divisão que as forma observe a ausência das manchas verdes que in dicam plasmodesmos nas célulasguarda na Figura 14E Assim ao contrário do restante da folha as célulasguarda não fazem parte do simplasto Como será descrito nos Ca pítulos 6 e 10 a membrana plasmática da célulaguarda é bastante dinâmica regulando a abundância de canais de K na superfície celular por endocitose O nectário floral de Abutilon ver Figura 133A tem células epidérmicas e tricomas secretores multicelulares ver Figura 133B que terminam em uma célula capitada semiesférica Em ultraestrutura essa célula é bastante in teressante ver Figura 133C estando conectada às células subjacentes por muitos plasmodesmos ver Figura 133D e E e contendo considerável quantidade de RE tanto REL em forma tubular quanto RER na forma de cisterna O REL provavelmente está envolvido na síntese de lipí deos presentes nas secreções da célula glandular ver Figura 133B enquanto o RER dá suporte à síntese de proteínas especiais para a secreção A síntese de lipídeos e terpenoides também ocorre nos leucoplastos encontra dos na célula apical do tricoma As paredes que envolvem o tricoma são isoladas do restante dos espaços de parede do tecido ou apoplasto por um espesso anel de cutina na base do tricoma isolando portanto as secreções do apo plasto do restante do tecido ver Figura 133F Tecidos fundamentais formam o corpo dos vegetais O mesofilo da folha possui dois tipos de tecidos funda mentais o parênquima paliçádico de células alongadas e o parênquima esponjoso com células de formato irregular Figura 134 O parênquima esponjoso apresenta grandes espaços de ar entre as células elas não são cimentadas 20 μm 100 μm 50 μm 20 μm 5 μm 20 μm Superfície inferior Estômato Superfície superior A B D E F C Figura 132 Tecido dérmico da folha de uma eudicotiledônea típica A Visão geral da estrutura da folha B Micrografia de microscopia de varredura de células epidérmicas de uma folha de Galium aparine mostrando o arranjo de células similar a peças de um quebracabeça C Micrografia de microscopia de varredura da epiderme de uma folha verdadeira de Arabidopsis Tricomas ramifi cados surgem dos complexos de célulasguarda e de outras células epidérmicas D Micrografia de microscopia de varredura e deta lhe com maior resolução de complexo estomático em uma sépala de Tradescantia E Micrografia de fluorescência da distribuição de microtúbulos no complexo estomático de sépala de Tradescantia F Micrografia óptica do complexo estomático de sépala de Trades cantia Um vídeo ilustrando a corrente citoplasmática nessas células está disponibilizado no Tópico 19 na internet Micrografias de Gunning 2009 B e D cedidas por B Gunning C cedida por R Hea dy E e F cedidas por A Cleary Taiz01indd 40 Taiz01indd 40 27102016 115102 27102016 115102 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 41 em toda sua periferia pela lamela média Isso permite a troca de gases dióxido de carbono e oxigênio pelos espa ços intercelulares da folha durante a fotossíntese e a respi ração Ambos os tipos de células têm muitos cloroplastos ver Figura 134B e C dispostos na periferia da célula mas capazes de se mover quando a luz muda ver Tópico 19 na internet Ambos os tipos de células também têm abun dantes peroxissomos esféricos ver Figura 134B além de mitocôndrias alongadas e ramificadas que podem ter mui tos micrômetros de comprimento ver Figura 134D As mitocôndrias e a rede do RE em células do mesofilo ver Figura 134B estão presas próximo aos cloroplastos de forma que presumivelmente permitem a troca eficiente dos metabólitos intermediários dos processos de respira ção e fotossíntese ver Figura 114 Esse aprisionamento é o foco de uma área emergente de pesquisa As células de mesofilo podem diferenciarse em uma variedade de outros tipos celulares sob ambiente adequa do por isso o mesofilo é considerado uma forma de pa rênquima um tecido fundamental com paredes primárias finas Figura 135A O parênquima possui a capacidade de continuar se dividindo e pode se diferenciar em vá rios outros tecidos fundamentais e vasculares depois de ser produzido por meristemas As células jovens do pa rênquima têm múltiplos vacúolos pequenos ou uma rede vacuolar Figura 135B que posteriormente se desenvolve 50 μm 20 μm 1 μm 05 μm 20 μm A D E F B Produto de secreção Túbulos do RE Plasmodesmos Sem transporte apoplástico Transporte simplástico pelos plasmodesmos C Parede celular Plastídio Vacúolo Vacúolo Vacúolo Mitocôndrias Núcleo Núcleo Núcleo Plasmodesmo Plasmodesmo Plasmodesmo RE rugoso RE rugoso RE rugoso Figura 133 Estrutura de tricomas secretores na epiderme do nec tário floral de Abutilon A Flor de Abutilon B Microscopia eletrônica de varredura de campos de tricomas secretores no nectário A micro grafia da direita mostra produto secretado acumulado na superfície dos tricomas C Célula capitada de tricomas secretores D Campo de plasmodesmos na parede transversal abaixo da célula capitada E Mi crografia de fluorescência de tricomas secretores corados com azul de anilina para marcar a calose associada aos plasmodesmos F A ausên cia nos tricomas secretores de um marcador fluorescente identificando o apoplasto do resto da folha sugere que todo o transporte através dos tricomas ocorre pelo simplasto De Gunning 2009 A B D e F cedidas por B Gunning C cedida por C H Busby E cedida por J E Hughs Taiz01indd 41 Taiz01indd 41 27102016 115103 27102016 115103 42 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal em um grande vacúolo central Catharanthus roseus é um exemplo interessante no qual as células dos parênquimas paliçádico e esponjoso podem se diferenciar em células especiais ou idioblastos Figura 135C os quais contêm vincristina e vimblastina importantes agentes anticâncer e presumivelmente usadas pela planta na defesa contra herbivoria A vimblastina interfere na polimerização dos microtúbulos inibindo assim a divisão celular ao causar a polimerização da tubulina em agregados não tubulares Diferentes células parenquimáticas adjacentes ao idio blasto fornecem diferentes intermediários na biossíntese destes alcaloides tóxicos em outras palavras existe uma divisão bioquímica de trabalho entre células distintas do parênquima Os alcaloides são compartimentalizados em um vacúolo especializado nos idioblastos isolando as de mais partes da célula dos efeitos tóxicos dos metabólitos O parênquima pode se diferenciar em tecido funda mental com paredes celulares espessadas que continuam a se alongar Figura 136 O colênquima nas saliências de caules de aipo possui paredes em camadas muito espessa das ver Figura 136AD e é crocante A rede de laticíferos que carregam látex branco leitoso em seringueiras papou la alface e dentedeleão possui paredes primárias irregu larmente espessadas e continua a se alongar ver Figura 5 μm 10 μm 5 μm 5 μm A B C D Parênquima paliçádico Parênquima esponjoso Figura 134 A Micrografia de fluorescência do retículo en doplasmático fluorescente nas células do parênquima esponjoso Oparka in Gunning 2009 B Micrografia de fluorescência de cé lulas do parênquima esponjoso mostrando peroxissomos verde e cloroplastos vermelho C Visão tridimensional da distribuição dos cloroplastos em uma célula em paliçada de uma folha D Visão tridimensional da distribuição de mitocôndrias em uma célula em paliçada de uma folha Micrografias de Gunning 2009 A cedida por K Oparka BD cedidas por B Gunning 100 μm A B C Parede celular primária Núcleo Lamela média Idioblasto Vários vacúolos Vacúolos Vacúolo único 5 μm Idioblastos em parênquima esponjoso Figura 135 Tecidos fundamentais com paredes primárias finas A Dia grama de células do parênquima mostrando a mudança de múltiplos peque nos vacúolos para um único grande vacúolo central e a diferenciação de uma das células do parênquima em um idioblasto B Micrografia eletrônica de pa rênquima de raiz de Cyperus C Micrografia de fluorescência do parênquima esponjoso do mesofilo de Catharanthus roseus com idioblastos diferenciados que contêm alcaloides de fluorescência verdeamarelada A fluorescência ver melha é dos cloroplastos nas outras células do parênquima esponjoso B de Gunning 2009 cedida por B Gunning C de St Pierre et al 1999 Taiz01indd 42 Taiz01indd 42 27102016 115103 27102016 115103 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 43 136E e F Os laticíferos podem apresentar duas formas articulada e não articulada ver Figura 2312 Os laticiferos articulados recrutam células parenquimáticas adjacentes para a sua formação e quando essas células digerem suas paredes de conexão o látex movese ao longo delas Os la ticíferos não articulados apresentam paredes relativamente finas mas crescem e se ramificam sem a formação de pa redes transversais formando portanto um tubo multinu cleado de condução de látex As partículas de látex estão contidas em vacúolos diferenciados os vacúolos dos laticí feros de Catharanthus roseus assim como os vacúolos dos idioblastos contêm alcaloides tóxicos ver Figura 136F O parênquima também pode se diferenciar em escle rênquima que tem paredes secundárias espessas Figura 137 As esclereídes procedem de parênquima de folhas frutos p ex pera e flores p ex camélia ver Figura 137A Eles muitas vezes possuem forma irregular ramifi cada ver Figura 137B Em alguns tecidos seu desenvol vimento é dependente da exposição a estresses ambien tais como o vento e a chuva ver Figura 137C e D As fibras desenvolvemse a partir do parênquima e formam estruturas alongadas de suporte com paredes secundárias espessas tanto no tecido fundamental ver Figura 137E quanto no vascular ver as fibras do floema na Figura 15 Elas podem ser as células mais longas de plantas superio res por exemplo as células de fibras da planta do Ramie podem ter 25 cm de comprimento As células têm elevada resistência à tração pois as paredes são enrijecidas com lignina após o alongamento e não é de admirar que os seres humanos usem amplamente tais fibras chamadas de fibras do floema Durante o alongamento as fibras são caracterizadas por muitos complexos de Golgi ver Figura 137F que secretam ativamente polissacarídeos e gran des conjuntos paralelos de microtúbulos participantes no alinhamento da deposição de celulose na membrana plas mática ver Figura 137G A membrana plasmática mostra uma estrutura peculiar em fibras em crescimento mas o papel que essa estrutura desempenha na deposição de pa rede ou no alongamento é desconhecido Poros especia lizados na parede secundária chamados de pontoações A Parede celular primária Núcleo B 10 μm C 1 μm D 100 μm 50 μm E F Citoplasma Citoplasma Citoplasma Parede em camadas Parede em camadas Parede em camadas Transversal Longitudinal Laticíferos em alongamento Pi 100 μm Figura 136 Tecido fundamental com paredes primárias espes sadas A Diagrama do colênquima de aipo em visão longitudinal e corte transversal B Micrografia óptica de corte transversal mos trando grupos de colênquima em aipo A seta indica a região enri quecida em colênquima C Micrografia eletrônica de corte trans versal de colênquima de aipo D Micrografia eletrônica ilustrando a parede primária em camadas do colênquima de aipo A seta abran ge cinco camadas de parede primária E Micrografias ópticas de cortes transversais e longitudinais de um laticífero de Euphorbia mostrando as paredes primárias espessas F Laticíferos alongados na folha da Catharanthus roseus os quais contêm alcaloides fluo rescentes verdeamarelados como acontece com idioblastos asso ciados ao parênquima paliçádico indicado como Pi na figura BD de Leroux 2012 E de Rudall 1987 F de St Pierre et al 1999 Taiz01indd 43 Taiz01indd 43 27102016 115104 27102016 115104 44 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal comunicam as fibras vivas entre si As pontoações com frequência são o local de campos de plasmodesmos A presença de fibras tanto em tecidos fundamentais quanto em vasculares traz à tona o tema de como os dife rentes tecidos são separados No caule o cilindro vascular pode ser preenchido com tecido fundamental a medula além de tecido vascular ver Figura 15A Na raiz o tecido fundamental situase entre o tecido dérmico e o sistema vascular e é chamado de parênquima cortical da raiz ver Fi gura 15B O limite entre as células do parênquima corti cal e do sistema vascular é um tipo de célula especializada chamada de endoderme que tem uma estria impregnada de suberina a estria de Caspary Como será descrito no Capítulo 6 a estria de Caspary como a faixa de cutina so bre os tricomas de Abutilon separa o apoplasto do parên quima cortical do apoplasto do tecido vascular Os tecidos vasculares formam redes de transporte entre diferentes partes da planta As células do floema que conduzem os produtos da fo tossíntese das folhas para as raízes ver Capítulo 11 são vivas na maturidade e apresentam paredes celulares não lignificadas Elas incluem as células crivadas nas gimnos permas e os elementos de tubo crivado que se dispõem de ponta a ponta para formar tubos crivados nas angios permas Figura 138 Proteínas especializadas são pro duzidas no floema como a proteína P ver Figura 138B A rede de proteína P concentrase nas paredes transver sas ou placas crivadas ver Figura 138B e D próximo ao RE O RE desempenha uma função importante no desen volvimento do floema pois a cisterna do RE localizada em um plasmodesmo marca o local das mudanças futu ras nas paredes transversais formando a grande abertura 50 μm 200 μm 200 μm 500 nm 500 nm A G F E Fibras MP MP MP mt mt mt G mt mt mt mf mf mf cIt cIt cit PC PC PC B C D Figura 137 Tecido fundamental com paredes primárias e secun dárias espessas A Diagrama do conjunto de esclereídes em vis tas longitudinal e transversal B Esclereíde que se desenvolveu a partir de uma célula de parênquima no mesofilo de uma pétala de Camellia sinensis C Micrografia óptica das esclereídes pigmentadas em uma pétala de C japonica na natureza onde está sujeita ao ven to e à chuva D Micrografia óptica de esclereídes pigmentadas em número muito reduzido de uma pétala de C japonica cultivada em estufa E Diagrama de fibras em vistas longitudinal e transversal F Micrografia eletrônica de Golgi G vista frontal e microtúbulos mt de uma membrana plasmática MP em uma célula fibra ativamente envolvida na deposição de parede secundária no álamo G Micro grafia eletrônica mostrando o alinhamento de microfibrilas mf de celulose da parede celular PC e microtúbulos mt no citoplasma cit de uma fibra envolvida na biossíntese da parede secundária BD de Zhang et al 2011 F e G de Kaneda et al 2010 Taiz01indd 44 Taiz01indd 44 27102016 115105 27102016 115105 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 45 Figura 138 Floema A Diagrama de células crivadas do floema de gimnospermas e elementos de tubo crivado de angios permas B Micrografia de fluorescência da proteína P SERB2 azul e do RE verde em um elemento de tubo crivado maduro Observe que a proteína P é indicada na placa crivada seta no pai nel à esquerda mas experimentos revelam que ela não obstrui a placa C Micrografia eletrônica de um elemento de tubo crivado e uma célula companheira Observe os agregados de proteína P fibrilar D Corte transversal da placa crivada em Arabidopsis Li nha superior cortes em série de uma placa crivada em etapas de 1 μm Existem vários poros abertos no centro da placa painel da esquerda em seguida o lume enche com proteína P painéis do centro e da direita Segunda linha quando o elemento de tubo crivado é cortado em ângulo com a placa vários poros abertos são revelados painéis da esquerda e do centro alguns dos quais contêm múltiplos plasmodesmos setas brancas no painel à direi ta o qual é uma ampliação da área marcada no painel central E RE liso em um elemento de tubo crivado F Plastídios diferencia dos em um elemento de tubo crivado maduro em contato direto com a seiva do tubo G Disposição de mitocôndrias em relação ao restante do citoplasma de um corte transversal do elemento de tubo crivado maduro H Ultraestrutura de mitocôndrias aste riscos com anel de proteína filamentosa em torno delas BH de Froelich et al 2011 5 μm 1 μm 250 nm 500 nm 500 nm 75 μm Placa crivada A D E F G H RE liso Plastídio Seiva do elemento de tubo crivado Revestimento proteico Mitocôndrias B C RE proteína P Proteína P RE Fibras P Elemento de tubo crivado Áreas crivadas Placa crivada Elemento de tubo crivado angiospermas Célula companheira Célula companheira Núcleo Célula crivada gimnospermas Plasmodesmos na placa Placa Placa parcial Placa 2 μm abaixo da placa 1 μm abaixo da placa Taiz01indd 45 Taiz01indd 45 27102016 115105 27102016 115105 46 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal da placa crivada Os plasmodesmos podem ser vistos em corte tangencial de uma placa crivada em formação ver Figura 138E Tal como acontece com outros arranjos de plasmodesmos a calose é depositada na placa crivada O elemento de tubo crivado está conectado por campos de plasmodesmos ou áreas crivadas às células adjacentes células companheiras em angiospermas e células albu minosas em gimnospermas Como mostrado na Figura 138C as organelas no elemento de tubo crivado maduro e na célula companheira são bastante diferentes No ele mento de tubo crivado há REL abundante mitocôndrias condensadas com uma estrutura limitante especializada e plastídios alterados ver Figura 138EG Além disso em algumas espécies fibras e parênquima de reserva estão associados ao floema 10 μm 10 μm 250 nm 5 μm 500 nm Pontoações simples Elementos de vaso Placas de perfuração paredes terminais Paredes secundárias Pontoações areoladas A B C Microtúbulos fluorescentes Desenvolvimento Microscopia de campo claro E F G D Paredes primárias Traqueídes Celulosesintase Microtúbulos Golgi Mitocôndria Membrana plasmática Parede celular Banda de microtúbulos Golgi Actina Celulose sintase Feixe de actina Parede celular Figura 139 Xilema A Diagrama de duas traqueídes e um elemento de vaso Os cortes transversais no retângu lo azul revelam o espessamento da parede secundária em espiral helicoidal e anelar B Diagrama de dois elementos de vasos mostrando pontoações e placas de perfuração C Desenvolvimento do xilema no álamo visto em imagens de microscopia de fluorescência de microtúbulos e imagens de microscopia de campo claro dos anéis da parede secundária em desenvolvimento Os microtúbulos se alinham com os anéis em desenvolvimento D Colocalização de microtúbulos e complexos celulose sintase em um elemento de vaso em de senvolvimento no álamo O painel superior mostra complexos de celulose sintase fluorescentes o painel inferior mostra os microtúbulos fluorescentes na mesma célula E Micrografia eletrônica de um trecho com microtúbulos e Golgi no desen volvimento do xilema no pinheiro F Tráfego de celulose sin tase no desenvolvimento do xilema de álamo O painel supe rior é uma micrografia de fluorescência de vesículas contendo celulose sintase e o painel inferior é o sinal de fluorescência de feixes de actina na mesma célula Há alguma colocaliza ção ao longo das cadeias longitudinais de actina indicando que os complexos de celulose sintase podem se deslocar pelo citoplasma em vesículas guiadas por actina G Micrografia eletrônica de feixes de microfilamentos de actina vesículas túbulos seta e Golgi no desenvolvimento do xilema no pi nheiro C D e F de Wightman e Turner 2008 E e G de Sa muels et al 2002 Taiz01indd 46 Taiz01indd 46 27102016 115105 27102016 115105 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 47 As células do xilema que conduzem água e sais mi nerais a partir da raiz os elementos traqueais não per manecem vivas na maturidade e consistem em traqueídes em todas as plantas vasculares e elementos de vaso mais curtos principalmente em angiospermas Figura 139 Os elementos de vaso empilhamse extremidade a extremidade para formar colunas largas até 07 mm chamadas de vasos As células do protoxilema com pa redes primárias começam a se diferenciar em elementos traqueais maduros depositando paredes celulares secun dárias com espessamento espiral de celulose e reforçadas com lignina A celulose é alinhada em feixes por bandas de microtúbulos ver Figura 139C D e F que se conectam com os complexos de celulose sintase na membrana plas mática ver Figura 139D Os filamentos de actina também participam na deposição de parede guiando ativamente a secreção do Golgi para os locais de deposição de polissa carídeo ver Figura 139EG Tal como acontece com as fibras a deposição de parede secundária é caracterizada por ação ativa e abundante do Golgi ver Figura 139F Uma vez cessado o alongamento celular grandes placas de perfuração surgem nas paredes das extremidades supe rior e inferior As paredes secundárias laterais continuam a espessar exceto nos pontos que continham as pontoa ções que iniciam como campos de plasmodesmos e por fim tornamse comunicações nas paredes partilhadas entre células adjacentes As células das traqueídes e va sos morrem por um processo chamado de morte celular programada ver Capítulo 19 deixando um feixe de tubos formados pelas paredes secundárias e conectados lateral mente por pontoações Essas pontoações são importantes porque o fluxo através desses tubos estreitos depende da existência de uma corrente líquida contínua ver Capítulos 4 e 6 Se uma bolha de ar ou embolia é formada em um tubo o fluxo pode ser desviado em torno da embolia nas pontoações para as células adjacentes RESUMO Apesar da grande diversidade em forma e tamanho todos os ve getais realizam processos fisiológicos semelhantes Todos os teci dos e órgãos vegetais assim como o organismo inteiro mostram uma polaridade de crescimento sendo derivada da polaridade axial ou radial da divisão celular dos meristemas Processos vitais das plantas princípios unificadores Todas as plantas convertem a energia solar em energia quími ca Elas usam o crescimento em vez da motilidade para obter recursos têm sistemas vasculares possuem estruturas rígidas e apresentam mecanismos para evitar a dessecação em ambien tes terrestres Elas se desenvolvem a partir de embriões susten tados e protegidos pelos tecidos da plantamãe Classificação das plantas e ciclos de vida A classificação dos vegetais tem como base as relações evolu tivas Figura 11 Os ciclos de vida das plantas alternamse entre gerações diploi des e haploides Figura 12 Visão geral da estrutura vegetal Todas as plantas compartilham um plano corporal comum Fi gura 13 Os três principais sistemas de tecidos presentes em todos os ór gãos vegetais são dérmico fundamental e vascular Figura 13 Como consequência da presença de paredes celulares rígidas o desenvolvimento vegetal depende exclusivamente de padrões de divisão celular e do aumento do volume da célula Figura 14 O citoplasma de células clonais está conectado por plasmodes mos formando o simplasto que permite o movimento de água e pequenas moléculas entre as células sem atravessar a mem brana externa Figura 14 Quase todas as mitoses e citocineses ocorrem nos meristemas O crescimento secundário resulta no aumento da espessura de raízes e caules pela ação de meristemas especializados o câm bio vascular e o câmbio suberoso Figura 15 Organelas da célula vegetal Além das paredes celulares e da membrana plasmática as célu las vegetais possuem compartimentos derivados do sistema de endomembranas Figura 16 O sistema de endomembranas exerce um papel central nos processos de secreção de reciclagem de membranas e no ciclo celular Os plastídios e as mitocôndrias são organelas semiautônomas de divisão independente que não são derivadas do sistema de endomembranas A composição e a estrutura em mosaico fluido de todas as membranas plasmáticas permitem a regulação do transporte para dentro e para fora da célula e entre os compartimentos subcelulares Figura 17 O sistema de endomembranas O sistema de endomembranas conduz membrana e proteínas de carga para diversas organelas Taiz01indd 47 Taiz01indd 47 27102016 115105 27102016 115105 48 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal As membranas especializadas do envoltório nuclear são deriva das do retículo endoplasmático RE um componente do siste ma de endomembranas Figuras 18 112 113 O núcleo é o sítio de armazenamento replicação e transcrição do DNA na cromatina assim como o sítio da síntese de ribosso mos Figuras 19111 O RE é um sistema de túbulos membranosos ligados que for mam uma estrutura complexa e dinâmica Figura 112 O RE rugoso está envolvido na síntese de proteínas que entram no lume do RE O RE liso é o sítio de biossíntese de lipídeos Figura 113 O RE forma íntima associação membranosa com outras or ganelas na célula e assim pode auxiliar na sua organização Figura 114 O RE provê proteínas de membrana e de carga para outros compartimentos do sistema de endomembranas A secreção de proteínas pelas células inicia no RE rugoso Figu ras 111 116 As glicoproteínas e os polissacarídeos destinados à secreção são processados no complexo de Golgi Figuras 115 116 Durante a endocitose a membrana é removida da membrana plasmática pela formação de vesículas revestidas por clatrina Figuras 116 117 A endocitose a partir da membrana plasmática permite a reci clagem de membranas Figura 117 Os vacúolos exercem múltiplas funções e podem ter origem em rotas múltiplas de endomembranas Organelas de divisão ou fusão independente derivadas do sistema de endomembranas Oleossomos peroxissomos e glioxissomos são capazes de cres cer proliferarse ou fundirse independentemente Figuras 118 119 Organelas semiautônomas de divisão independente As mitocôndrias e os cloroplastos apresentam uma membrana interna e uma externa Figuras 120 121 Os cloroplastos têm um sistema adicional de membranas inter nas os tilacoides que contêm clorofilas e carotenoides Os plastídios podem conter altas concentrações de pigmentos ou de amido Figura 122 Os próplastídios passam por diferentes estágios de desenvolvi mento para formar plastídios especializados Figura 123 Em plastídios e mitocôndrias a fissão e a replicação do DNA são reguladas independentemente de divisão nuclear O citoesqueleto vegetal Uma rede tridimensional de polimerização e despolimerização da tubulina que forma os microtúbulos e da actina que forma microfilamentos organiza o citosol e é necessária para a vida Figura 124 A formação e a degradação de microfilamentos e de feixes de microfilamentos são reguladas por várias proteínas acessórias Figura 125 Microtúbulos possuem instabilidade dinâmica mas podem se estabilizar ou se deslocar por movimento de esteira rolante na célula com o auxílio de proteínas acessórias Figura 126 Motores moleculares ligamse reversivelmente ao citoesqueleto e podem aprisionar ou direcionar o movimento de organelas Figura 127 Durante a corrente citoplasmática o fluxo de massa do citosol é acionado pelo arraste viscoso no caminho das organelas movi das por motores moleculares A regulação do ciclo celular O ciclo celular durante o qual a célula replica seu DNA e se reproduz consiste em quatro fases Figura 128 Ciclinas e quinases dependentes de ciclina CDKs regulam o ci clo celular incluindo a separação de cromossomos metafásicos pareados Figura 128 O sucesso na mitose Figuras 129 130 e na citocinese Figu ra 131 requer a participação de microtúbulos e do sistema de endomembranas Tipos de células vegetais O sistema dérmico abrange a epiderme que possui vários ti pos de células incluindo células fundamentais pavement cells célulasguarda e tricomas Figura 132 A diferenciação epidérmica inclui alterações no RE e plastídios e plasmodesmos entre as células adjacentes Figura 133 O sistema fundamental é constituído por células do parênqui ma que podem se diferenciar em vários tipos de células distin tas pela natureza das paredes celulares primárias e secundárias e pelo conteúdo vacuolar Figuras 134137 As células do tecido vascular apresentam paredes secundá rias espessas extremidades perfuradas placas de perfuração e campos de pontoação gerados pela interação de organelas envolvidas na formação da parede celular durante o desenvolvi mento Figuras 138 139 Taiz01indd 48 Taiz01indd 48 27102016 115105 27102016 115105 Capítulo 1 Arquitetura da Célula e do Vegetal 49 MATERIAL DA INTERNET Tópico 11 Organismosmodelo Certas espécies vegetais são amplamente utilizadas em laboratório para o estudo de sua fisiologia Tópico 12 Identificação e classificação de plantas e o pensamento evolutivo A organização de como as plantas são identificadas começou por motivos utilitários mas agora se baseia em relações evolutivas Tópico 13 Anatomia da flor e o ciclo de vida das angios permas A diferenciação celular das gerações gametofítica e esporofítica e suas contribuições para a estrutura da flor são consideradas Tópico 14 O poro nuclear e as proteínas envolvidas na im portação e na exportação nucleares Acreditase que o poro nuclear seja revestido por uma malha de proteínas nucleoporinas não estruturadas e proteínas carregadas com GTP que efetuam a transferência para dentro e para fora do nucleoplasma Tópico 15 As proteínas de sinalização usadas para se lecionar proteínas para suas destinações A sequência primária de uma proteína pode incluir uma etiqueta para sua destinação final Tópico 16 As proteínas SNARES Rabs e de revestimento medeiam a formação a fissão e a fusão de vesículas Os modelos para os mecanismos de fissão e fusão de vesículas são apresentados Tópico 17 Os sítios de saída do RE ERESs e os corpos de Golgi estão interconectados A migração conjunta de ERESs e corpos de Golgi durante a corrente citoplasmática é mostrada em filmes Tópico 18 Vacúolos especializados em células vege tais As células vegetais contêm diversos tipos de vacúolos que são dinâmicos e móveis como mostrado por filmes Tópico 19 Movimento dirigido de organelas e corrente citoplasmática O movimento e a interação de organelas celu lares da planta são mostrados com filmes Tópico 110 Movimento de microtúbulos e movimento mediado por microtúbulos em plantas As cinesinas moto ras as MAPs e a regulação da dinâmica dos microtúbulos du rante o ciclo celular são discutidas Leituras sugeridas Albersheim P Darvill A Roberts K Sederoff R and Staehelin A 2011 Plant Cell Walls From Chemistry to Biology Garland Science Taylor and Francis Group New York Bell K and Oparka K 2011 Imaging plasmodesmata Protoplasma 248 925 BurchSmith T M Stonebloom S Xu M and Zambryski P C 2011 Plasmodesmata during development Re examination of the importance of primary secondary and branched plasmodesmata structure versus function Protoplasma 248 6174 Burgess J 1985 An Introduction to Plant Cell Development Cambridge University Press Cambridge Carrie C Murcha M W Giraud E Ng S Zhang M F Narsai R and Whelan J 2013 How do plants make mitochondria Planta 237 429439 Chapman K D Dyer J M and Mullen R T 2012 Biogenesis and functions of lipid droplets in plants Thematic Review Series Lipid droplet synthesis and metabolism from yeast to man J Lipid Res 53 215226 Griffing L R 2010 Networking in the endoplasmic reticulum Biochem Soc Trans 38 747753 Gunning B E S 2009 Plant Cell Biology on DVD Springer New York Heidelberg HentyRidilla J L Li J Blanchoin L and Staiger C J 2013 Actin dynamics in the cortical array of plant cells Curr Opinion Plant Biol 16 678687 Hu J Baker A Bartel B Linka N Mullen R T Reumann S and Zolman B K 2012 Plant peroxisomes biogenesis and function Plant Cell 24 22792303 Jones R Ougham H Thomas H and Waaland S 2013 The Molecular Life of Plants 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genó tipo todos os genes ou alelos que determinam as caracterí sticas da planta o padrã o de modificaç õ es epigené ticas de seu DNA grupos químicos ligados a algumas das bases nitrogenadas do DNA que afetam a atividade gênica e o ambiente em que vive No Capítu lo 1 foram revisados a estrutura fundamental e a função do DNA seu empacotamento dentro de cromossomos e as duas fases prin cipais da expressão gênica transcrição e tradução Neste capítulo é discutido como a composição do genoma além de seus genes influencia a fisiologia e a evolução do organismo Primeiro sã o examinados a estrutura e a organizaç ã o do genoma nuclear e os elementos extragene que ele conté m Em seguida voltase para os genomas citoplasmáticos que estão contidos dentro das mitocôndrias e dos plastídios Também se discute sobre a maqui naria celular necessária para transcrever e traduzir os genes em proteínas funcionais e é visto como a expressão gênica é regulada tanto transcricional como póstranscricionalmente Por fim são in troduzidas algumas das ferramentas utilizadas para estudar a função gênica concluindo com uma discussão sobre o uso da engenharia genética na pesquisa e na agricultura Organização do genoma nuclear Como discutido no Capítulo 1 o genoma nuclear contém a maioria dos ge nes necessários para as funções fisiológicas da planta O primeiro genoma de uma espécie vegetal a ser completamente sequenciado foi o de uma pequena angiosperma dicotiledônea chamada Arabidopsis thaliana arabidopsedotale ou ervaestrelada em 2000 O genoma de A thaliana é composto por cerca de 157 milhõ es de pares de bases 157 Mpb que sã o distribuí dos ao longo de cinco cromossomos Por outro lado o genoma da espécie de monocotiledô nea Paris japonica japanese canopy com o maior genoma conhecido contém aproximadamente 150 bilhões de pares de bases 150000 Mpb Dentro de seu genoma nuclear A thaliana possui cerca de 27416 genes codificadores de proteí nas e outros 4827 genes que são ou pseudogenes genes não fun cionais ou parte de transpósons elementos de DNA móveis O genoma de A thaliana também contém 1359 genes que produzem RNAs nã o codificadores de proteí nas ncRNAs Alguns desses ncRNAs incluem RNAs ribossômicos e de transferência outros estão provavelmente envolvidos na regulação da ex pressão gênica Tanto os transpósons quanto os ncRNAs são discutidos em mais detalhes mais adiante neste capítulo gru af o 1 se p tan odu a c qui ani dis ces pé per ae mi rom ris j mad nom teí n ou a ta teí n sfe o g eta caracte DNA DNA g que lo tro gênica na pesq Orga Como d nes nec uma es angiosp ou erva de 157 cinco cr nea Par aproxim seu gen de prot cionais thaliana de prot de tran pressão mais de Estrutura do Genoma e Expressão Gênica Taiz02indd 51 Taiz02indd 51 27102016 115516 27102016 115516 52 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica O genoma vegetal no entanto consiste em muito mais do que genes Nesta seç ã o são examinadas a orga nização e a composiç ã o quí mica do genoma Em seguida é visto como certas regiõ es do genoma correspondem a funç õ es especí ficas O genoma nuclear é compactado na cromatina O genoma nuclear é composto por moléculas de DNA que são enroladas em torno de histonas formando es truturas em forma de contas chamadas de nucleosso mos ver Capítulo 1 DNA e histonas junto com outras proteínas que se ligam ao DNA são referidos como cro matina ver Figura 110 Dois tipos de cromatina podem ser distinguidos eucromatina e heterocromatina Histo ricamente esses dois tipos foram distinguidos com base em sua aparência em microscopia óptica quando corados com corantes específicos A heterocromatina em geral é bem mais compactada e portanto mostrase mais escu ra do que a eucromatina menos condensada A maioria dos genes que estão ativos transcricionalmente em uma planta está localizada dentro das regiõ es eucromá ticas de um cromossomo enquanto os genes localizados em regiõ es heterocromá ticas sã o ou inativos ou silenciados ao menos em muitos tecidos O silenciamento completo de genes levará finalmente à acumulação de mutações que não implicam custos evolutivos ie a mutação não ajuda nem inviabiliza o indivíduo e tornam o gene extinto Tais genes são exemplos de pseudogenes Comparada com a eucromatina a heterocromatina é relativamente pobre em genes As regiões heterocromáticas incluem os centrôme ros diversas saliências knobs e as regiões imediatamente adjacentes aos telômeros ou extremidades dos cromosso mos conhecidas como regiões subteloméricas As estruturas heterocromáticas com frequência são formadas por sequências de DNA altamente repetitivas ou repetições em série tandem repeats blocos de motivos de nucleotídeos com cerca de 150 a 180 pb que se repetem vá rias vezes Uma segunda classe de repetições é a das repeti ções dispersas Um tipo de repetiç ã o dispersa é conhecido como sequê ncia simples repetida SSR de simple sequence repeat ou microssaté lite Essas repetiç õ es sã o compostas por motivos de sequê ncias que têm entre 2 e 6 nucleotídeos de comprimento que se repetem centenas ou mesmo mi lhares de vezes Outro grupo dominante de repetiç õ es dis persas encontrado na heterocromatina é o de transpósons Centrô meros telô meros e regiões organizadoras do nucléolo contê m sequê ncias repetitivas Os mais proeminentes marcadores estruturais nos cro mossomos sã o os centrô meros os telô meros e as re giões organizadoras do nucléolo Essas regiõ es contê m sequê ncias repetitivas de DNA que podem ser visí veis por hibridizaç ã o in situ fluorescente FISH fluorescent in situ hybridization uma té cnica que utiliza sondas moleculares marcadas com fluorescê ncia normalmente fragmentos de DNA que se ligam especificamente a uma sequê ncia a ser identificada Figura 21 Centrô meros sã o constriç õ es dos cromossomos onde as fibras do fuso se fixam duran te a divisã o celular A fixação das fibras ao centrômero é mediada pelo cinetocoro um complexo de proteínas que circunda o centrômero ver Capítulo 1 Centrô meros con sistem em regiõ es de DNA altamente repetitivas incluin do repetições em série eou transpósons inativos Embora essas sequências repeti tivas com frequência tenham entre 150 e 180 pb de comprimento o tamanho dos centrômeros de plantas pode alcançar de centenas de pares de kilobases a muitos pares de megabases de comprimento Por causa do comprimento e da repetitivida de dos centrômeros tem sido difícil para os cientistas genômicos determinar sua sequência exata mesmo na era atual dos sequenciamentos completos de genomas Telômeros são sequências localizadas nas extremidades de cada cromossomo Eles agem como quepes caps nas extremi dades do cromossomo impedem a perda de DNA durante sua replicaç ã o e inibem a fusão terminal entre cromossomos me diada via mecanismos de reparo por que bra de fita dupla As molé culas de RNA que compõ em os ribossomos rRNA sã o transcritas a partir de regiõ es organizadoras do nu cléolo RONs Como os ribossomos sã o compostos principalmente de rRNA e pro A188 A632 B37 B55 B73 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Figura 21 Marcadores cromossô micos incluindo centrô meros telô meros e regiões organizadoras do nucléolo RONs podem ser usados para identificar cromossomos individuais Cada linha mostra os dez pares de cromossomos de uma linhagem en dogâmica de milho diferente Zea mays cinco linhas comuns sã o mostradas aqui de A188 a B73 As sequências de DNA sondas complementares para certos marcadores cromossômicos foram marcadas com fluorocromo e hibridizadas com as preparações cromossômicas Os centrômeros podem ser vistos como pontos verdes próximos da região mediana dos cromossomos as regiões organizadoras do nucléolo como uma área verde maior sobre o cromossomo 6 e os telômeros como tênues pontos ver melhos mais claramente visíveis no topo dos cromossomos 2 a 4 As áreas maiores destacadas em azul são regiões heterocromáticas específicas De Kato et al 2004 Taiz02indd 52 Taiz02indd 52 27102016 115517 27102016 115517 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 53 teínas e já que muitos ribossomos sã o necessá rios para a traduç ã o nã o é surpresa que as RONs contenham centenas de có pias repetidas de cada gene de rRNA Dependendo da espécie vegetal uma ou várias RONs estão presentes no genoma o milho tem uma no cromossomo 6 ver Figura 21 Devido à sua natureza repetitiva e ao seu alto conteúdo GC as RONs podem ser vistas ao microscópio óptico após coloração e assim podem servir como marcadores espe cíficos de cromossomos Marcadores cromossômicos como esses foram utilizados por geneticistas pioneiros para ma pear características fenotípicas em regiões cromossômicas específicas Apesar de sua natureza repetitiva o rDNA DNA que codifica rRNA é ativamente transcrito A es trutura proeminente denominada nucléolo ver Figura 14 consiste no rDNA de RON nas proteínas que transcrevem o rDNA e processam transcritos primários do rRNA para a montagem dos ribossomos e nos ribossomos imaturos recémmontados Transpósons são sequências móveis dentro do genoma Um tipo dominante de DNA repetitivo dentro das regiões heterocromáticas do genoma é o transpóson Transpó sons ou elementos transponíveis são também conheci dos como genes saltadores porque alguns deles têm a ca pacidade de inserir uma cópia de si mesmos em um novo local dentro do genoma Existem duas grandes classes de transpósons os re troelementos ou retrotranspósons Classe 1 e os trans pósons de DNA Classe 2 Essas duas classes são distin guidas por seu modo de replicação e de inserção em um novo local Figura 22 Os retrotranspósons fazem uma cópia de RNA de si mesmos que é reversamente transcrita em DNA antes de ser inserida em outras partes do ge noma ver Figura 22A Como normalmente nã o deixam sua localizaç ã o original mas geram có pias adicionais de si mesmos retrotranspósons ativos tendem a se multipli car dentro do genoma O conteúdo do genoma derivado de retrotranspósons varia amplamente entre as espécies No esprucedanoruega Picea abies os retrotranspósons compõem cerca de 58 do genoma enquanto na utricu lária carnívora Utricularia gibba os retrotranspósons não ocupam mais do que aproximadamente 25 do genoma Transpósons de DNA ao contrário movemse de uma posição para outra usando um mecanismo de corta e cola catalisado por uma enzima que é codificada dentro da sequência do transpóson Essa enzima a transposase corta o transpóson e o insere em outras partes do genoma em muitos casos mantendo constante o número total de cópias do transpóson ver Figura 22B A transposição em um gene pode resultar em muta ções Se um transpóson acoplase dentro de uma região codificadora o gene pode ser inativado A inserção de um transpóson próximo a um gene também pode alterar o padrão de expressão gênica Por exemplo o transpóson pode perturbar os elementos reguladores normais do gene impedindo a transcrição ou já que os transpósons com frequência carregam promotores aumentando sua trans crição A capacidade mutagênica dos transpósons pode de sempenhar um papel importante na evolução do genoma do hospedeiro Um baixo nível de mutagênese pode levar a novas variações em um indivíduo que podem ser passadas para a próxima geração Se a taxa de transposição é alta entretanto resultando em indivíduos com muitas muta ções ao menos algumas delas provavelmente serão deleté rias e poderão diminuir a aptidão fitness geral da espécie Plantas e outros organismos parecem ser capazes de regular a atividade de transpósons por meio da metilação do DNA e de histonas Como será visto mais adiante neste capítulo esses mesmos processos são usados para repri mir a transcrição em regiões heterocromáticas do genoma À medida que mais sequências de DNA genômico se tor naram disponíveis os cientistas têm percebido um grande número de transpósons altamente metilados em regiões heterocromáticas É a metilação dos transpósons que cau sa a formação da heterocromatina em determinado local DNA do genoma Transpóson Excisão A Retrotranspósons elementos transponíveis de Classe 1 B Transpósons de DNA elementos transponíveis de Classe 2 DNA do genoma Retrotranspóson Inserção Inserção Transpóson excisado DNA Nova localização do transpóson Nova cópia do retrotranspóson RNA intermediário Transcriptase reversa Figura 22 As duas classes principais de transpósons diferem em seu modo de transposição A Os retrotranspósons movemse por meio de um RNA intermediário B Os transpósons de DNA movem se usando um mecanismo de corta e cola cutandpaste Taiz02indd 53 Taiz02indd 53 27102016 115517 27102016 115517 54 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica Ou eles tornamse metilados porque estão presentes em regiões heterocromáticas Estudos de mutantes incapazes de manter a metilaç ã o do genoma tê m mostrado que uma perda lenta da metilaç ã o ao longo de geraç õ es pode ativar transpósons dormentes e aumentar a frequê ncia de mutaç õ es transposicionais Figu ra 23 Essa atividade de transpóson pode diminuir con sideravelmente a aptidão da prole Portanto a metilação e a formação de heterocromatina parecem desempenhar pa péis importantes na estabilidade do genoma A organização cromossômica não é aleatória no núcleo interfásico Durante a interfase do ciclo celular os cromossomos des condensamse Entretanto os cromossomos interfásicos não estão organizados ao acaso ou entrelaçados uns com os outros como um prato de espaguete ao contrário cada cromossomo ocupa uma localização discreta no núcleo chamada de território cromossômico Os cromossomos em espécies com genomas maiores orientam seus cromos somos de tal modo que os centrômeros e os telômeros de cada cromossomo estejam em polos opostos do núcleo uma conformação conhecida como configuração de Rabl nome em homenagem ao cientista Austríaco Carl Rabl que propôs pela primeira vez tal arranjo em 1885 Figura 24A Entretanto cromossomos em plantas com genomas meno res como Arabidopsis não adotam a configuração de Rabl mas parecem agrupar seus telômeros em volta do núcleo em uma formação tipo roseta Figura 24B Por um longo tempo os cientistas tentaram determinar se o arranjo dos cromossomos durante a interfase afeta a expressão gênica porém até o momento essa questão não está resolvida A meiose divide o número de cromossomos e permite a recombinação dos alelos No Capítulo 1 foram discutidos os eventos durante a di visão celular mitótica Durante a produção de gametas as células são divididas como durante a mitose mas com muitas diferenças importantes Durante a primeira divi são meiótica o DNA é trocado entre os cromossomos ho mólogos antes que os cromossomos sejam separados nas célulasfilhas resultando na recombinação do material genético recombinação meiótica Figura 25 A segunda divisão meiótica separa as cromátidesirmãs resultando em quatro célulasfilhas por célula original Como a meio se envolve duas divisões celulares mas com uma única etapa de replicação do DNA cada célulafilha tem metade do material genético da célula original uma planta diploi A B Setor revertido Envoltório nuclear A B Centrômero Braço do cromossomo Volta da cromatina Nucléolo Telômero Figura 23 A perda de metilação pode levar a mutações à medi da que os transpósons não metilados tornamse ativos Uma muta ção chamada diminuição na metilação do DNA ddm1 decrease in dna methylation ocasiona hipometilação metilação diminuída de transpósons endógenos A mutação clam que surgiu em um mu tante ddm1 é o resultado da inserção de um transpóson no gene DWARF4 DWF4 que é necessário para a biossíntese do hormônio de crescimento brassinosteroide A Mutante clam transpósonin duzido à esquerda ao lado do tipo selvagem em Arabidopsis B Mutante clam sem à esquerda e com à direita um setor que foi revertido para o fenótipo do tipo selvagem depois que o transpóson saltou para fora do gene DWF4 De Miura et al 2001 Figura 24 Arranjos cromossômicos no núcleo interfásico A Configuração Rabl dos cromossomos onde os centrômeros e os telômeros de todos os cromossomos distan ciamse uns dos outros B Configuração dos cromossomos em roseta onde os telômeros estão orientados diretamente ao nucléolo De Tiang et al 2012 Taiz02indd 54 Taiz02indd 54 27102016 115517 27102016 115517 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 55 INÍCIO Meiose I Meiose II Telófase I Telófase II Anáfase II Anáfase I Metáfase I Placa metafásica Diacinese Diplóteno Quiasma Paquíteno Zigóteno Leptóteno Coesinas Membrana nuclear Prófase II Metáfase II Quatro núcleosfilhos Figura 25 Meiose masculina em Arabid opsis A ilustração mostra o estado cromossômico em cada estágio para somente um cromos somo A prófase 1 inicia no estágio de leptóteno e vai para a diacine se Ver texto para detalhes Setas no zigóteno da prófase I indicam áreas visíveis do pareamento cromossômico na diacinese da prófase I as setas indicam o quiasma e as pontas de setas indicam os centrô meros As coesinas são proteínas que mantêm unidas as cromátides irmãs Complexos sinaptonêmicos são complexos proteicos que se formam entre os homólogos Micrografias por Wuxing Li de Ma 2005 diagramas de Grandont et al 2013 Taiz02indd 55 Taiz02indd 55 27102016 115517 27102016 115517 56 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica de 2n produz gametas haploides 1n Isso é denominado redução meiótica A primeira fase principal na meiose a prófase está dividida em cinco estágios leptóteno zigóteno paquíte no diplóteno e diacinese Durante o leptóteno as regiões homólogas entre os pares de cromossomos homólogos co meçam a se associar umas com as outras e a recombinação meiótica é iniciada com o auxílio de muitas proteínas es pecíficas Uma vez identificadas as regiões homólogas os cromossomos homólogos começam a se parear durante o zigóteno e formam os complexos sinaptonêmicos Figura 26 que finalmente aparecem continuamente ao longo do comprimento de cada par cromossômico Cromossomos pareados também são referidos como bivalentes Para o fi nal do paquíteno os cromossomos condensaramse o su ficiente para serem vistos no microscópio como filamentos distinguíveis ver Figura 25 A permuta a troca de DNA entre homólogos inicia durante o paquíteno e as junções visíveis no diplóteno também denominadas quiasmas podem ser vistas entre os cromossomos homólogos Os quiasmas estão finalizados ie a troca de DNA está com pleta ao final do diplóteno e no início da diacinese Nesse ponto os cromossomos condensamse e os centrômeros parecem distanciarse um do outro enquanto as regiões terminais dos cromossomos homólogos ainda mantêm contato entre os homólogos A membrana nuclear rompe se ao final da diacinese Durante a metáfase I os homólo gos ainda pareados alinhamse na placa metafásica onde as fibras do fuso aderem a cada centrômero via cinetocoro proteico Na anáfase I os pares homólogos separamse com o auxílio das fibras do fuso puxando os homólogos para os polos opostos As cromátidesirmãs permanecem aderidas entre si durante a anáfase I Durante a telófase I os cromossomos devem descondensarse como no caso de Arabidopsis ou em algumas plantas permanecem con densados e movemse rapidamente no decorrer da prófase II para a metáfase II Durante essas fases os cromosso mos alinhamse novamente na placa metafásica e as fi bras do fuso fixamse nos centrômeros Na anáfase II as cromátidesirmãs separamse e são puxadas para os po los Os cromossomos começam a descondensarse duran te a telófase II e quatro núcleos haploides são formados A citocinese produz então quatro células separadas No caso da meiose masculina nas angiospermas estas quatro células são os micrósporos que permanecem juntos em um conjunto denominado tétrade Mais tarde a tétrade libera os quatro micrósporos que sofrem mitose para pro duzir polens maduros o gametófito masculino No caso da meiose feminina nas angiospermas somente uma das célulasfilhas sobrevive originando o megásporo O me gásporo finalmente passa por mitose e produz oito núcle os haploides que formam o gametófito feminino Poliploides contêm múltiplas cópias do genoma completo O nível de ploidia o número de cópias do genoma inteiro de uma célula é outro aspecto importante da estrutura do genoma que pode ter implicações tanto para a fisiolo gia quanto para a evolução Em muitos organismos mas especialmente em plantas o genoma diploide inteiro 2n pode sofrer uma ou mais rodadas adicionais de replicação sem sofrer citocinese ver Capítulo 1 tornandose poli ploide Se a poliploidia está restrita a tecidos somáticos o termo utilizado para descrever esse estado é endopoli ploidia Exemplos de poliploidia são as glândulas salivares em Drosophila e as células hepáticas em seres humanos Nas plantas a endopoliploidia com frequência ocorre em células foliares completamente diferenciadas Se uma duplicação genômica em uma célula somática acontece em uma célula germinativa gametas uma ge ração uniformemente poliploide pode resultar daí A poli ploidia nã o é um evento raro nem é normalmente asso ciada a mutaç ã o ou doenç a Na verdade a poliploidia é um evento comum que ocorre ao menos uma vez em todas as linhagens de angiospermas A evidência para eventos múltiplos de poliploidização pode ser encontrada em mui tos genomas de plantas porém é interessante que dupli cações genômicas parecem ser menos comuns em gim nospermas Duas formas de poliploidia são distinguidas autopoliploidia e alopoliploidia Autopoliploides contêm múltiplos de genomas completos de uma única espécie enquanto alopoliploides contêm múltiplos de genomas completos derivados de duas ou mais espécies distintas Ambos os tipos de poliploidias podem resultar da meiose incompleta durante a gametogênese Durante a Figura 26 Complexo sinaptonêmico em Arabidopsis A ponta da seta indica o complexo sinaptonêmico parcial durante o paquíte no Micrografias por L Timofejeva de Ma 2005 Taiz02indd 56 Taiz02indd 56 27102016 115518 27102016 115518 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 57 meiose normal os cromossomos de uma célula reprodutiva diploide sofrem replicação do DNA seguida por duas ro dadas de divisão meiose I e meiose II produzindo quatro células haploides ver Figura 25 Se a duplicaç ã o de cro mossomos nã o for seguida pelas duas rodadas de divisã o celular durante a meiose podem ser formados gametas não reduzidos diploides Em uma espécie ou em um indi víduo formado por autofecundação se uma oosfera diploide for fecundada por uma célula espermática diploide o zigoto resultante irá conter quatro cópias de cada cromossomo e será dito ser autotetraploide Figura 27A Da mesma forma se a divisã o celular nã o ocorrer apó s a duplicaç ã o dos cro mossomos durante a mitose as cé lulas tornarseão autote traploides Figura 27B Ambos os tipos de erro durante a meiose ou a mitose ocorrem espontaneamente nas plantas em frequências variáveis dependendo da espécie Figura 27 A poliploidia surge por duplicação do genoma A A fusão de gametas diploides não reduzidos da mesma espécie di ploide resultam em um autotetraploide B A duplicação genômi ca espontânea também pode resultar em um autotetraploide C A fusão de uma célula espermática de uma espécie e da oosfera de outra espécie resulta em um híbrido diploide interespecífico D Em casos raros um híbrido interespecífico pode produzir gametas diploides híbridos não reduzidos que se fusionados com outro ga meta híbrido não reduzido produziriam um alopolipoide E Um híbrido interespecífico também pode em casos raros passar por duplicação genômica espontânea nas células somáticas levando a um alopoliploide F A fusão de gametas diploides de duas espécies diferentes resulta em um alopoliploide G A fusão de um gameta haploide normal com um gameta diploide formado acidentalmente leva primeiro a um indivíduo triploide que se fértil de fato pode produzir ambos os gametas haploides e diploides não reduzidos A fusão de dois gametas diploides então resulta em um autotetra ploide como mostrado em H Essa rota para a poliploidia é deno minada ponte triploide UR gametas não reduzidos de unreduced gametes De Bomblies e Madlung 2014 Espécie A 2n UR G C H D A F E UR Autopoliploide 4n Alopoliploide 4n UR UR UR UR UR Gametas Triploide 3n Híbrido 2n Espécie B 2n B Taiz02indd 57 Taiz02indd 57 27102016 115518 27102016 115518 58 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica Os alopoliploides em geral se formam de duas manei ras 1 Uma cé lula espermá tica haploide de uma espé cie e uma oosfera haploide de outra espé cie podem formar um hí brido diploide interespecí fico Figura 27C A meiose nessas plantas costuma faltar mas pode levar a gametas raros duplicados o que pode produzir o alopoliploide Fi gura 27D Alé m disso se cé lulas hí bridas acidentalmen te suprimirem a divisã o celular tornamse alopoliploides espontaneamente Figura 27E Esse tipo de alopoliploidi zação é denominado duplicação somática e pode acontecer em um zigoto hí brido ou mais tarde nos tecidos vegetati vos ou reprodutivos da planta hí brida 2 Gametas diploi des de duas espécies diferentes podem se unir para formar um zigoto tetraploide Os gametas diploides podem vir tanto de tetraploides parentais que sofreram meiose nor mal quanto de diploides parentais em que faltou a meiose normal reducional Figura 27F O último evento é conhe cido como não redução gamética Os híbridos diploides interespecíficos ocorrem natu ralmente mas em geral são estéreis pois seus cromosso mos não podem se emparelhar corretamente durante a pró fase I meiótica ver Figura 25 Outra rota para a poliploidia estável é a chamada via ponte triploide que demanda um processo de duas etapas Primeiro um gameta reduzido fu sionase com um gameta não reduzido resultando em um indivíduo triploide Figura 27G É mais provável que esse indivíduo produza gametas não reduzidos por ele mesmo alguns 2n e alguns 1n e por isso é mais provável produ zir uma prole tetraploide quando seus gametas se fusionam com outro gameta 2n não reduzido Figura 27H Um exemplo clássico da natureza em que várias es pécies do mesmo gênero produziram proles alopoliploides se origina da família das mostardas Brassicaceae Figura 28 Diferentemente da ocorrência natural da duplicação genômica a poliploidia também pode ser induzida artifi cialmente pelo tratamento com colchicina que é derivada do açafrãodooutono Colchicum autumnale A colchicina inibe a formação de fibras do fuso e impede a divisão celu lar mas não interfere na replicação do DNA O tratamento com colchicina portanto resulta em um núcleo indivisí vel contendo várias cópias do genoma A falta de fertilidade em híbridos interespecíficos está em contraste gritante com o fenômeno conhecido como vi gor híbrido ou heterose o aumento do vigor frequente mente observado nos descendentes de cruzamentos entre duas variedades puras da mesma espécie vegetal A heterose pode contribuir para a formação de plantas maiores maior biomassa e maior produtividade nas culturas agrícolas As respostas fenotípicas e fisiológicas à poliploidia são imprevisíveis A noção general de que autopoliploides são maiores do que seus progenitores diploides nem sempre é verdadeira Por exemplo quando exemplares de milho com o mesmo padrão genético mas di ferente nível de ploidia foram compara dos verificouse que a altura das plantas aumentou do haploide para o diploide mas diminuiu com novos aumentos no nível de ploidia Figura 29A Uma hi pótese para explicar o maior vigor de al guns autopoliploides comparados com N 10 8 AABB Brassica juncea N 10 AA Brassica rapa N 10 9 AACC Brassica napus N 9 CC Brassica oleracea N 9 8 BBCC Brassica carinata N 8 BB Brassica nigra Mostardapreta Mostardadaíndia com sementes oleaginosas do tipo canola Couvedaetiópia Couveflor brócolis couve comum Sementes de canola Couvechinesa acelgachinesa Figura 28 Três espécies comuns de plan tas na família da mostarda Brassicaceae têm cruzado entre si na natureza formando novas espécies alotetraploides Suas relações estão retratadas no chamado triângulo do U em homenagem ao cientista coreano Nagaharu U Os três vértices do triângulo mostram espécies diploides de Brassica Cada uma das três espé cies pode cruzar com as outras duas formando novos alopoliploides Taiz02indd 58 Taiz02indd 58 27102016 115518 27102016 115518 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 59 seus progenitores diploides é que o vigor vegetal aumenta com o aumento da ploidia somente se o hibridismo hete rozigose também aumentar Se ao contrá rio o ní vel de homozigose aumentar em plantas com o aumento do ní vel de ploidia por meio de endogamia seu vigor diminui Fi gura 29B Os alopoliploides diferem de seus progenitores diploi des parentais em dois modos principais 1 Seus genomas como nos autopoliploides são dupli cados 2 Eles são híbridos entre duas espécies diferentes Portanto ao comparar alopoliploides com seus progenito res é difícil determinar se as diferenças fenotípicas obser vadas são devidas à duplicação do genoma ou à hibridiza ção Os dados atuais sugerem que a hibridização tem uma contribuição maior do que a duplicação do genoma para a divergência da prole alopoliploide de seus progenitores Os alopoliploides muito comuns entre plantas agrono micamente importantes são em geral mais vigorosos ou apresentam maior produtividade do que suas espécies parentais Exemplos desses alopoliploides incluem canola cultivares de couve café algodão trigo centeio aveia e canadeaçúcar Independentemente de como os alopoliploides sur gem a fusão de dois genomas divergentes tem muitas consequências embora ainda não esteja claro se existe um conjunto comum de respostas em todas as espécies duran te ou imediatamente após a alopoliploidização Algumas das mudanças genéticas observadas em alopoliploides recémformados em comparação com seus progenitores são as seguintes Reorganização do genoma incluindo perda ou ganho de sequências de DNA Mudanças nas modificações epigenéticas Mudanças na atividade transcricional dos genes Variabilidade no uso dos éxons processamento alter nativo Aumento na frequência de recombinação meiótica Ativação de elementos transponíveis previamente dormentes pela perda do silenciamento gênico As mudanças na atividade transcricional entre espécies parentais e espécies alopoliploides no nível genômico opondose a um gene de cada vez têm sido estudadas utilizandose análise por microarranjo e sequenciamen to de RNA em massa duas técnicas que serão discutidas mais tarde neste capítulo É provável que modificações epigenéticas incluindo metilação de DNA e histonas e acetilação das histonas sejam responsáveis por muitas dessas mudanças Devido à natureza não previsível das mudanças genômicas nos poliploides respostas fisiológi cas à poliploidia podem variar entre indivíduos do mes mo cruzamento Ao contrário da maioria das mudanças fenotípicas não previsíveis devido à alopoliploidia alguns fenótipos geralmente associados à autopoliploidia têm maior diâmetro da flor maior tamanho dos estômatos e em Arabidopsis maior resistência ao estresse salino A poliploidia leva a múltiplas cópias redundantes dos genes no genoma Quando a evolução atua sobre os genes duplicados uma cópia pode ser perdida ou funcionalmen te alterada enquanto a outra retém sua função original Cópias de genes duplicados também podem adotar pa drões de expressão que são tecidoespecíficas Esse pro cesso é conhecido como subfuncionalizaç ã o A análise do genoma mostra que mesmo em muitas espécies diploides há clara evidência de duplicação do genoma na história evolutiva da espécie Nesses casos uma subsequente per da gradual de DNA levou a um retorno ao estado do tipo diploide Figura 210 Espé cies que mostram sinais de duplicaç õ es do genoma ancestral seguidos pela perda de DNA sã o conhecidas como paleopoliploides e incluem Arabidopsis milho e espécies de Brassica A poliploidia está em evidente contraste com uma con dição chamada aneuploidia Aneuploides são organismos Incremento na ploidia Vigor A B Diploide Máxima heterozigosidade Máxima homozigosidade Figura 29 A Série de ploidias no milho Plantas com uma mesma idade são mostradas da esquerda para a direita haploide diploide triploide e tetraploide No milho endogâmico a autopo liploidia correlacionase com vigor reduzido em comparação com o diploide Cada subdivisão preta ou branca na escala mede 20 cm B Uma visão generalizada da relação entre o vigor da planta e o nível de ploidia Com o aumento da ploidia o vigor da planta aumenta apenas nas plantas cujo nível geral de heterozigosidade também aumenta devido a um maior número de diferentes alelos por genoma linha vermelha Por outro lado o incremento na ploi dia em plantas homozigóticas ou puras está correlacionado com a diminuição do vigor geral da planta linha azul A cortesia de E Himelblau B adaptada de um diagrama cortesia de J Birchler Taiz02indd 59 Taiz02indd 59 27102016 115518 27102016 115518 60 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica cujos genomas contêm mais ou menos cromossomos indi viduais e não conjuntos de cromossomos inteiros do que o normal Esses estados são conhecidos como trissomias se um tipo de cromossomo é triplicado ou monossomias se apenas um cromossomo de determinado tipo está pre sente Em seres humanos e em muitos animais a aneu ploidia normalmente leva à morte ou a graves problemas fisiológicos como a síndrome de Down trissomia do 21 Plantas aneuploides embora muitas vezes distintas feno tipicamente das plantas normais euploides em geral são viáveis Em poliploides os efeitos de aneuploidia podem ser mascarados por cromossomos adicionais no genoma O papel da poliploidia na evolução ainda não está claro Sabese agora que todas as linhagens de angiospermas passaram por pelo menos um evento de duplicação em suas histórias evolutivas e novos casos de poliploidização são frequentes na natureza Devido ao alcance das mudan ças genômicas e epigenéticas em novos poliploides forma dos discutido a seguir podese esperar que a poliploidia tenha um enorme potencial para modelar a evolução das plantas A novidade genética que surge das mudanças in duzidas pela poliploidia proporciona novos materiais gené ticos sobre os quais a seleção age Já a análise filogenética também tem demonstrado que a poliploidia é encontrada mais frequentemente em espécies jovens do que em espé cies mais antigas Essa observação levou à hipótese de que a poliploidia não deve ser tão vantajosa como presumido anteriormente e de que muitas espécies poliploides novas são um pouco mais do que um impasse evolutivo Mudan ças genômicas e interações cromossômicas complexas du rante a meiose devem explicar por que em alguns casos os Figura 210 Continuum na evolução das espécies poliploides Diploides podem dar origem a autopoliploides ou alopoliploides pelos mecanismos descritos na Figura 25 Poliploides podem re verter para um estado do tipo diploide pela perda gradual de DNA incluindo genes duplicados ao longo da escala evolutiva A cor lilás delimitando as elipses representa os núcleos de uma espécie os cír culos coloridos dentro dos núcleos representam genomas inteiros De Comai 2005 Diploide ancestral Diploide Espécie diploide AA Formação normal de gametas 1n Espécie diploide BB Híbrido diploide AB Formação acidental de gametas 2n Formação acidental de gametas 2n 1 Um ancestral comum ori gina duas espécies diploides diferentes AA e BB Especiação Alotetraploide AABB Autotetraploide AAAA 2 A fusão de gametas haploides normais A e B pode levar à formação de um híbrido interespecífico Esses híbridos podem ser viáveis mas geralmente são estéreis Se sofrerem duplicação espontânea do genoma podem dar origem a alotetraploides 3 Formação acidental e fusão de gametas diploides podem levar à formação de um auto ou alotetraploide 4 A perda de genes duplicados ao longo do tempo evolutivo pode resultar em lenta diploidização na qual poliploides voltam a um estado do tipo diploide Gameta 2n do tetraploide Duplicação espontânea do genoma Diploidização Poliploidia Diploidia Diploidia Taiz02indd 60 Taiz02indd 60 27102016 115518 27102016 115518 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 61 poliploides reduziram sua aptidão e extinguiramse Toda via a importância da poliploidia como um processo mode lando a evolução de plantas sugere que a longo prazo as vantagens da poliploidia superam seus perigos Genomas citoplasmáticos em plantas mitocôndrias e plastídios Além do genoma nuclear as células vegetais contêm dois genomas adicionais o genoma mitocondrial também presente em células animais e o genoma plastidial Nesta seção vêse de onde esses genomas procedem e que pa péis desempenham Após é apresentada sua organização e a discussão sobre algumas diferenças importantes em comparação ao genoma nuclear pela maneira como sua informação genética é transmitida A teoria endossimbiótica descreve a origem dos genomas citoplasmáticos Os genomas citoplasmáticos provavelmente são os rema nescentes evolutivos dos genomas de células bacterianas que foram engolfadas por outra célula A teoria endos simbiótica defendida por Lynn Margulis na década de 1980 postula que a mitocôndria original era uma bactéria usuária de oxigênio aeróbia que foi absorvida por outro organismo procariótico Ao longo do tempo esse endos simbionte original evoluiu para uma organela que não era mais capaz de viver por conta própria A célula hospedeira em conjunto com seu endossimbionte deu origem a uma linhagem de células que eram capazes de usar oxigênio no metabolismo aeróbico essas células por sua vez final mente deram origem a todas as células animais As célu las vegetais de acordo com essa teoria surgiram quando ocorreu um segundo evento de endossimbiose Dessa vez uma célula contendo mitocôndrias engolfou uma ciano bactéria fotossintética que dentro da célula evoluiu ao longo do tempo para o plastídio Duas linhas de evidência principais com frequência são citadas em apoio à teoria endossimbiótica Em primeiro lu gar tanto mitocô ndrias quanto plastídios sã o delimitados por uma membrana externa e uma interna Essa observação é compatível com a ideia de que o engolfamento da célula original aeróbia ou fotossintética por invaginação da mem brana plasmática da célula hospedeira procariótica dei xou uma membrana dupla em torno da nova organela Em segundo lugar ambos os genomas organelares mostram sequência similar aos genomas procarióticos Os genomas organelares como os de procariotos não estão incluídos em envoltório nuclear e são chamados de nucleoides Genomas organelares variam no tamanho Os genomas de plastí dios em geral variam em tamanho cerca de 120 a 160 pares de quilobases kpb e codificam genes necessá rios para a fotossí ntese e a expressã o dos ge nes plastidiais O genoma mitocondrial é muito mais variá vel em tamanho do que o genoma plastidial Os genomas mitocondriais vegetais variam entre cerca de 180 kpb a cer ca de 11 Mpb muito maior do que o genoma mitocondrial de animais ou fungos muitos dos quais possuem apenas 15 a 50 kpb Muito da diferença no tamanho entre esses genomas é composto de DNA repetitivo não codificante O DNA mitocondrial vegetal contém genes que codificam proteínas necessárias na cadeia de transporte de elétrons ou que estão envolvidas no fornecimento de cofatores para o transporte de elétrons Além disso o DNA mitocondrial vegetal carrega genes para as proteínas necessárias para a expressão gênica da própria organela como proteínas ribossômicas tRNAs e rRNAs Em ambas as organelas muitos genes necessá rios para a funç ã o adequada do plas tídio ou da mitocô ndria já nã o sã o codificados no genoma organelar em si mas ao longo do tempo evolutivo foram transferidos para o nú cleo das plantas atuais As proteí nas codificadas por esses genes sã o sintetizadas no citoplasma e em seguida importadas para as organelas Por muitos anos pensavase que os cromossomos or ganelares continham seu genoma na forma de uma molé cula de DNA circular semelhante aos plasmídeos circula res de bactérias Dados recentes no entanto mostram que a maioria do DNA de mitocô ndrias e plastídios vegetais é encontrada em molé culas lineares que podem conter mais de uma có pia do genoma Essas có pias sã o conectadas en tre si em uma orientaç ã o cabeç acauda headtotail e as molé culas de DNA cromossô mico podem ser altamente ra mificadas parecendo um arbusto ou uma á rvore diferen temente das estruturas mais simples dos cromossomos nu cleares lineares Enquanto os cromossomos nucleares são de tamanho constante geração após geração o tamanho do cromossomo em mitocôndrias e plastídios pode variar No entanto cada cromossomo organelar contém pelo me nos um genoma completo Para ver fotos dos genomas de plastídios vegetais ver Tópico 21 na Internet A genética das organelas não obedece os princípios mendelianos A genética dos genes organelares é regida por dois princí pios que a distinguem da genética mendeliana Em primeiro lugar tanto mitocôndrias quanto plastídios em geral mos tram herança uniparental isto é a descendência sexual via pólen e oosferas somente herdará organelas de um dos progenitores Entre as gimnospermas as coníferas normal mente herdam seus plastídios do progenitor paterno Para angiospermas a regra geral é que os plastídios vêm do pro genitor materno No entanto há algumas angiospermas em que os plastídios são herdados biparental ou paternalmente A herança mitocondrial costuma ser materna na maioria das plantas mas novamente algumas exceções podem ser en contradas por exemplo alguns tipos de coníferas como os ciprestes mostram herança paterna das mitocôndrias Para uma discussão de como a herança uniparental acontece du rante o desenvolvimento ver Tópico 21 na internet A segunda principal característica da herança orga nelar é o fato de plastídios e mitocôndrias poderem exi Taiz02indd 61 Taiz02indd 61 27102016 115519 27102016 115519 62 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica bir segregação vegetativa Isso significa que uma célula vegetativa em oposição a um gameta por mitose pode originar outra célula vegetativa geneticamente diferente Por exemplo considere uma célula vegetal que contém uma mistura de dois tipos de plastídios geneticamente distintos Durante a mitose os plastídios são distribuídos ao acaso nas célulasfilhas Por chance uma cé lulafilha pode receber plastí dios com um tipo de genoma enquan to outras célulasfilhas podem receber plastí dios com informaç õ es gené ticas diferentes talvez contendo uma ou mais mutaç õ es A segregação vegetativa que também é referida como sortingout classificar separar pode resultar na formação de setores fenotipicamente diferen tes dentro de um tecido Figura 211 A presenç a desses setores em folhas pode resultar no que os horticultores muitas vezes se referem como variegaç ã o A variegaç ã o foliar pode ser causada por mutaç õ es nos genes nucleares e mitocondriais Uma vez examinada a organizaç ã o dos genomas nu clear e citoplasmá tico nas plantas a atenç ã o será voltada para a estrutura do genoma nuclear e como ela influencia a expressã o dos genes que conté m Os mecanismos bási cos da transcrição de genes serão analisados em primeiro lugar seguidos por uma descrição da regulação transcri cional da expressão gênica Regulação transcricional da expressão gênica nuclear Como introduzido no Capítulo 1 o caminho entre o gene e a proteí na é um processo de vá rias etapas catalisadas por muitas enzimas ver Figura 111 Cada etapa é objeto de regulação pela planta para controlar a quantidade de proteína que é produzida por cada gene A regulação da primeira etapa transcrição determina quando e se um mRNA será produzido Esse nível de regulação que é referido como regulação transcricional inclui o contro le do início a manutenção e o término da transcrição O próximo nível na regulação da expressão gênica conhe cido como regulação póstranscricional ocorre depois da transcrição Esse ní vel que será abordado mais adian te neste capí tulo inclui controles sobre a estabilidade do mRNA eficiê ncia da traduç ã o e degradaç ã o Finalmente a estabilidade da proteína regulação póstraducional de sempenha um papel importante na atividade geral de um gene ou seu produto A RNApolimerase II ligase à região promotora da maioria dos genes codificadores de proteínas A transcrição gênica é facilitada por uma enzima chamada de RNApolimerase que se liga ao DNA a ser transcrito e produz um transcrito de mRNA complementar à sequên cia de DNA Figura 212 Existem vários tipos de RNA polimerase A RNApolimerase II é a polimerase que transcreve a maioria dos genes que codificam proteínas A regiã o do gene que recruta a maquinaria transcricio nal incluindo a RNApolimerase é chamada de promotor A estrutura do promotor eucarió tico pode ser dividida em duas partes o promotor central ou promotor mí nimo que consiste na sequê ncia mí nima necessá ria para a expressã o gê nica e as sequê ncias reguladoras do promotor que controlam a atividade do promotor central Para os genes codificantes o promotor central geralmente ocupa cerca de 80 pb no entorno do sítio de início da transcrição Antes que a transcrição de um gene possa começar várias etapas têm que ocorrer para permitir que a RNA B Setor branco A C Setor totalmente verde Plastídio normal Nova célula com todos os plastídios do tipo selvagem Nova célula com uma mistura de plastídios selvagens e mutantes Nova célula com todos os plastídios mutantes Plastídio mutante Núcleo Setor verde produzindo variegação Segregação Figura 211 A segregação vegetativa pode levar à variegação A A divisão celular em uma célula com cloroplastos normais ver de e mutantes branco pode ao acaso resultar em uma prole com apenas organelas mutantes B Células que contêm exclusivamente cloroplastos brancos levam a um setor branco C Setores em que nenhuma célula que surge contém apenas cloroplastos brancos per manecem totalmente verdes A variegação também pode ser cau sada por mutações em genes mitocondriais e nucleares Taiz02indd 62 Taiz02indd 62 27102016 115519 27102016 115519 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 63 polimerase tenha acesso à sequência de nucleotídeos do gene O DNA nuclear é enrolado em torno das histo nas formando estruturas em forma de contas os nucle ossomos Como será discutido mais detalhadamente na pró xima seç ã o as histonas estã o sujeitas a modificaç õ es e somente se essas modificaç õ es forem favorá veis à transcriç ã o a RNApolimerase será capaz de se ligar ao DNA Para serem funcionais as RNApolimerases de eucariotos requerem proteí nas adicionais chamadas fa tores gerais de transcriç ã o para posicionar a polime rase no sí tio de iní cio da transcriç ã o Esses fatores gerais de transcriç ã o junto com a RNApolimerase compõ em uma grande multissubunidade chamada complexo de iniciaç ã o da transcriç ã o A transcrição é iniciada quan do o fator de transcrição final que se liga ao complexo fosforila a RNApolimerase A seguir a RNApolimerase separase do complexo de iniciaç ã o e prossegue ao longo da fita antissenso de DNA também referida como fita não codificante molde negativa ou de Watson ou comple mentar na direç ã o 35 enquanto adiciona nucleotídeos à nova fita de mRNA na direção 53 da fita nascente A se quência do mRNA assemelhase ao código da fita oposta GGGCGG CCAAT TATA ATG TAC TAA TAG TGA UAA AAAAAN 3 UAG UGA AUG TAA AATAAA 1020 bp Transcrição termina aqui ATT Éxon 1 CGbox 110 Promotor regulador sequência aka de ação em cis TATA box se presente 25 DPE se presente 30 FUE Éxon 2 Éxon 3 Íntron 1 Sítio de início de transcrição ATG sítio de início de tradução 60 to 100 INR 2 to 4 BRE se presente Região do promotor central Sequência de DNA codificante CDS Tradução em proteína Proteína Modificação Retenção para função de longo prazo Degradação p ex via proteassomo 26S Íntrons removidos Sinal de poliadenilação PoliA sítio de clivagem Parada da tradução Íntron 2 3 Fita codificante 3 UTR 5 Fitamolde Quepe 5 m7G Núcleo Citoplasma 5 UTR Figura 212 Expressão gênica em eucariotos A RNApolime rase II ligase aos promotores de genes que codificam proteínas Ao contrário de genes procarióticos genes eucarióticos não estão agrupados em óperons e cada um é dividido em íntrons e éxons A transcrição da fitamolde prossegue na direção 3 para 5 no início do sítio de transcrição e a cadeia de RNA crescente estende um nucleotídeo de cada vez na direção 5 para 3 A tradução começa com o primeiro AUG codificando metionina como em procariotos e termina com um códon de parada A transcrição do prémRNA é primeiro capeada recebe um quepe pela adição de 7metil guanilato m7G na extremidade 5 A extremidade 3 é encurtada ligeiramente pela clivagem em um local específico e uma cauda poliA é adicionada O prémRNA com quepe e poliadenilado é então processado por um complexo proteico denominado spliceos somo e os íntrons são removidos O mRNA maduro deixa o núcleo através dos poros nucleares e inicia a tradução em ribossomos no citoplasma À medida que cada ribossomo progride em direção à extremidade 3 do mRNA novos ribossomos prendemse na extre midade 5 e iniciam a tradução levando à formação de polissomos Após a tradução algumas proteínas são modificadas pela adição de grupos químicos à cadeia Os polipeptídeos liberados têm meias vidas características que são reguladas pela rota da ubiquitina e por um grande complexo proteolítico denominado proteassomo 26S Genes eucarióticos em geral contêm sítios de ligação para a RNApolimerase tais como o TATA box dentro da região do promo tor central como também sítios para ligação de fatores de transcri ção gerais e específicos na região reguladora proximal e distal do promotor Taiz02indd 63 Taiz02indd 63 27102016 115519 27102016 115519 64 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica de DNA não utilizada como molde pela polimerase que é referida então como fita codificante ou fita senso positi va não molde ou de Crick Alé m da RNApolimerase e dos fatores gerais de transcriç ã o muitos genes necessitam de fatores de transcriç ã o especí ficos també m chamados de proteí nas reguladoras de genes para que a RNApolimerase se tor ne ativa Essas proteí nas reguladoras ligamse ao DNA frequentemente em sequências específicas e tornamse parte do complexo de iniciaç ã o da transcriç ã o Um exemplo de um gene eucariótico típico em con junto com suas sequências reguladoras é mostrado na Fi gura 212 O promotor central dos genes transcritos pela RNApolimerase II geralmente inclui muitas sequências referidas como elementos do promotor central Essas sequências nucleotídicas curtas são responsáveis pela ligação dos fatores gerais de transcrição e da RNApoli merase Muitos genes eucarióticos contêm uma sequência curta de aproximadamente 25 a 30 pb a montante do sítio de início da transcrição denominada TATA box consis tindo na sequência TATAATAAGA onde as posi ções 5 e 8 são mais variáveis que as demais posições Os motivos de sequência como a TATA box com frequência encontrados em muitos genes eucarióticos são referidos como regiões conservadas A TATA box desempenha um papel fundamental na transcrição porque ela auxi lia na montagem do complexo de início da transcrição já discutido Genes sem TATA box com frequência contêm um elemento promotor a jusante DPE de downstream promoter element com a sequência consenso AGGAT CTGAC que está localizada nos nucleotídeos 28 a 32 a jusante do sítio de início da transcrição Uma terceira parte importante do promotor central é o elemento ini ciador INR Essa sequência nucleotídica também se liga a fatores gerais de transcrição e pode ser encontrada em genes que contenham ou não TATA box no entorno do sítio de início da transcrição da posição 2 a 4 O quarto elemento ligante no promotor central é o chamado de ele mento de reconhecimento do TFIIB BRE de TFIIB recog nition element Essa sequência reconhece um fator geral de transcrição diferente daquele que os outros elementos reconhecem O BRE está localizado entre os seis nucleotí deos imediatamente adjacentes a montante da TATA box ver Figura 212 Alé m dos promotores centrais a montante muitos genes eucarióticos també m contê m duas sequê ncias con servadas adicionais a CCAAT box e a GC box ver Figura 212 A região que contém essas sequências é denominada promotor regulador ou promotor proximal Essa parte do promotor não se liga à RNApolimerase e a seus fatores gerais de transcrição porém ligase a fatores de transcri ção que são geneespecíficos A CCAAT box se presente em geral está localizada 60 a 100 pb a montante do sítio de início da transcrição É importante observar que nem todos os genes contêm todos os elementos conservados Por exemplo GC boxes são encontradas mais frequente mente em genes que não contêm uma TATA box e uma ou mais GC boxes podem estar presentes no promotor As várias sequências conservadas de DNA descritas até en tão também são coletivamente chamadas de sequências de ação em cis já que estão adjacentes cis às unidades transcricionais que estão regulando Os fatores de trans crição que se ligam às sequências de ação em cis também são chamados de fatores de ação em trans uma vez que os genes que codificam estão localizados em outras partes do genoma Várias sequê ncias de aç ã o em cis localizadas mais a montante das sequê ncias promotoras proximais podem exercer controle positivo ou negativo sobre promotores eucarió ticos Essas sequê ncias denominadas sequê ncias promotoras reguladoras distais geralmente estã o loca lizadas a cerca de 1000 pb do sí tio de início da transcriç ã o Figura 213 Os fatores de transcrição que se ligam a esses sítios agindo positivamente são chamados de ativadores enquanto aqueles que inibem a transcrição são chamados de repressores Além de terem sequências reguladoras dentro do próprio promotor os genes eucarióticos podem ser regulados por elementos de controle localizados de zenas de milhares de pares de bases de distância do sítio de início da transcrição Intensificadoras enhancers são tais tipos de sequências reguladoras distais e podem estar localizadas tanto a montante como a jusante do promotor Como todos os fatores de transcrição que se ligam a sequências de ação em cis regulam a transcrição Duran te a formação do complexo de iniciação o DNA entre o promotor central e as sequências reguladoras mais distais curvase de tal forma que permite que todos os fatores de transcrição ligados a esse segmento de DNA façam conta to físico com o complexo de iniciação Por meio desse con tato físico cada fator de transcrição exerce seu controle positivo ou negativo sobre a transcrição Sequências nucleotídicas conservadas sinalizam o término da transcrição e a poliadenilação Conforme a RNApolimerase II alcança a região 3 do gene ela primeiro passa pela sequência de DNA que codifica o códon de parada no mRNA ver Figura 212 O códon de parada é parte do mRNA e indica aos ribos somos onde termina a região do mRNA que deveria ser traduzida em uma proteína A região 3 não traduzida lo calizase a 3 da sequência do códon de parada Os sinais para o término da transcrição em plantas fungos e ani mais têm similaridades e diferenças Antes do término da transcrição a RNApolimerase II de plantas encontra três sequências conservadas de DNA que apontam o término da transcrição e a adição de uma cauda poliA que auxilia na estabilização do mRNA A primeira dessas sequências conservadas de DNA é o elemento distante a montante FUE de far upstream element que tem seis nucleotídeos de comprimento e é encontrado entre 30 e 170 pb antes do sí tio de adição da poliA Logo depois do FUE muitos genes de plantas contêm uma sequência AAUAAA conservada Taiz02indd 64 Taiz02indd 64 27102016 115519 27102016 115519 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 65 É exatamente essa a sequência que parece ser estritamente necessária à poliadenilação em animais porém em plan tas variações dessa sequência com similaridade ao ele mento AAUAAA são suficientes para a função apropriada Ambos os sítios FUE e AAUAAA também são referidos como sinais poliA O sítio de clivagem de poliA é a se quência de DNA que codifica a região no mRNA onde o mRNA nascente é clivado e a cauda de poliA é adicionada ver Figura 212 Em conjunto essas três sequências con servadas na fita de DNA também promovem o término da transcrição pela RNApolimerase II Modificações epigenéticas ajudam a determinar a atividade gênica Como já mencionado a transcrição pode ser iniciada so mente se o DNA estiver acessível à RNApolimerase e a outras proteínas de ligação necessárias Para que o DNA esteja acessível seu empacotamento tem que ser afrou xado um processo mediado por modificações covalentes tanto do DNA como de histonas Visto que podem mu dar o comportamento de um gene sem mudar a sequência do DNA do gene em si essas modificações são referidas como modificações epigenéticas do grego epi que signi fica sobre ou em cima Um tipo comum de modificação do DNA é a metila ção de resíduos de citosina Figura 214A As sequências de DNA que com frequência são metiladas em plantas são CG CHG e CHH onde H pode ser qualquer nucleotídeo exceto guanina Por outro lado a metilação de citosina em mamíferos ocorre principalmente em sequências CG A metilação de citosina é catalisada por uma das várias metiltransferases enquanto a desmetilação do DNA é ca talisada pelas glicosilases que substituem metilcitosina por citosina não metilada Modificações epigenéticas também podem ocorrer em histonas que junto com o DNA enrolado em torno delas compõem os nucleossomos Cada histona tem uma cau da que é composta da primeira parte da cadeia de ami noácidos da histona e se projeta para fora do nucleossomo As modificações das histonas ocorrem nessas caudas em geral dentro dos 40 ou mais aminoácidos mais externos Essas modificações podem influenciar a conformação dos nucleossomos e assim a atividade dos genes no DNA as sociado Uma das modificações das histonas que influencia a atividade gênica é a metilação especialmente em resíduos de lisina específicos abreviado pela letra K na cauda da histona do tipo H3 Esses resíduos são K4 K9 K27 e K36 contando a partir do aminoácido mais externo em dire ção ao centro da histona Um dois ou três grupos metila podem ser adicionados a uma única lisina Figura 214B As histonas dimetiladas na posição H3K4 em geral são associadas a genes ativos enquanto dimetilação na posi ção H3K9 com frequência é associada a genes e elementos inativos como transpósons silenciados Grupos metila podem ser removidos por histonas desmetilase Outra forma de modificação que ocorre na cauda das histonas é a acetilação que é catalisada por enzimas cha madas de histonas acetiltransferase HATs Em geral as histonas acetiladas estão associadas a genes que estão ati vos transcricionalmente Histonas desacetilase HDACs podem reverter essa ativação por meio da remoção de gru pos acetila Tanto a metilação como a acetilação mudam a arqui tetura do complexo da cromatina que pode resultar em condensação ou relaxamento da cromatina Essas mu danças ocorrem quando os complexos multiproteicos de remodelação da cromatina se ligam a histonas modifica Figura 213 Regulação da transcrição por sequências regulado ras distais no promotor intensificadores e fatores de ação em trans Os fatores de ação em trans podem agir junto com sequências re guladoras distais às quais estão vinculadas para ativar a transcri ção mediante contato físico direto com o complexo de iniciação da transcrição Gene X RNApolimerase e fatores transcricionais gerais Promotor regulador com sequência de ação em cis ou sequência de elementos de controle proximais Promotor central Fatores específicos da transcrição Sítio de ligação do ativador Sítio de ligação do repressor Sequências promotoras reguladoras distais Intensificador montante Intensificador jusante Fatores de ação em trans Taiz02indd 65 Taiz02indd 65 27102016 115519 27102016 115519 66 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica CH3 NH3 O O N H Lisina O O N H Monometillisina HMT Metilação 5metilcitosina Citosina B A NH2 NH2 H3C O O N H Dimetillisina HMT H3C NH CH3 O O N H Trimetillisina HMT H3C N CH3 CH3 C C C C N N O 1 2 3 4 5 6 NH2 C C C C N N O 1 2 3 4 5 6 K4 K9 Cadeia de aminoácidos da cauda da histona Nucleossomo Histona Cauda da histona Histona acetiltransferase histona metilase Histona desacetilase Histona desmetilase glicosilase H3K9 histona metiltransferase Ativação das modificações das histonas p ex grupos acetil ou H3K4 dimetilada Desativação das modificações das histonas p ex H3K9 dimetilada Histona DNA C Nucleossomo RNApolimerase II e fatores de transcrição Proteína remodeladora de cromatina ATPdependente Transcrição INDUÇÃO GÊNICA REPRESSÃO GÊNICA Figura 214 A A adição de um grupo metila ao C5 na citosina está associada à inatividade da transcrição B O aminoácido lisina K que ocorre em diversas posições nas histonas pode ser mono di ou trimetilado pela histona metiltransferase HMT C Histonas podem ser remodeladas para ativar a transcrição gênica em cima ou para repri mila embaixo Em muitos casos a ativação está associada a acetilação por histonas acetiltransfera se HATs e metilação por HMT nos resíduos de li sina H3K4 Essas modificações promovem remode lação da cromatina ATPdependente e estimulam a transcrição A repressão da transcrição pode ser alcançada pela metilação de H3K9 e desacetilação por histonas desacetilase Taiz02indd 66 Taiz02indd 66 27102016 115519 27102016 115519 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 67 das Usando a energia liberada pela hidrólise de ATP para acionar a reação esses complexos abrem a cromatina des locando ligeiramente os nucleossomos na direção 5 ou 3 do complexo de remodelação O espaço resultante entre os nucleossomos é agora suficientemente largo para que a RNApolimerase possa se ligar e iniciar a transcrição Fi gura 214C Alternativamente modificações das histonas podem apresentar novos sítios de ligação para proteínas reguladoras que afetam a atividade gênica Os cientistas estão apenas começando a compreender os efeitos das modificações químicas específicas sobre cada um dos pri meiros 40 ou mais aminoácidos das caudas das histonas Somados à metilação e à acetilação outros tipos de mo dificações de histonas incluindo fosforilação e ubiquiti nação podem influenciar a atividade transcricional de determinado gene A totalidade das modificações das his tonas em um nucleossomo específico às vezes é chamada de código de histonas para enfatizar a forte ligação entre a constituição dos nucleossomos e a atividade gênica Regulação póstranscricional da expressão gênica nuclear Imediatamente após a transcrição os mRNAs resultantes são processados seus íntrons são removidos por processa mento splicing e quepes e caudas poliA são adicionados nas extremidades 5 e 3 respectivamente Os transcritos são então exportados ao citoplasma para a tradução ver Figura 212 Um organismo com frequência produz mRNA em resposta a uma situação específica A fim de permanecer útil como uma resposta específica a uma situação tam bém específica mRNAs individuais devem ter uma vida finita Por exemplo para enfrentar um estresse ambiental transitório uma planta pode necessitar produzir breve mente enzimas específicas Após o fim do estresse seria um desperdício talvez até mesmo prejudicial continuar a produzir essas enzimas Por isso síntese atividade e es tabilidade de mRNA são todas reguladas A degradação diferencial de espécies de mRNA pode mudar a quantida de das moléculas disponíveis para a tradução e por isso possui uma influência na atividade gênica geral Foi dis cutida a regulação da transcrição síntese de mRNA na seção anterior Agora são abordados os mecanismos de regulação póstranscricional regulação da atividade e da estabilidade do mRNA Todas as moléculas de RNA estão sujeitas ao decaimento As moléculas de mRNA eucariótico podem ser degrada das por exonucleases depois da remoção da cauda poliA desadenilação ou remoção do 5 quepe desencapamen to Esses processos são guiados por sinais ambientais e outras rotas celulares Um mecanismo pelo qual a esta bilidade do mRNA é regulada depende da presença de certas sequências dentro da própria molécula de mRNA chamadas de elementos cis uma escolha infeliz de ter mo uma vez que o mesmo termo é usado para as regiões do DNA que influenciam a atividade transcricional Esses elementos cis podem estar ligados a proteínas de ligação a RNA as quais podem tanto estabilizar o mRNA quan to promover sua degradação por nucleases Dependendo dos tipos de elementos cis presentes a estabilidade de uma molécula de mRNA pode variar muito RNAs não codificantes regulam a atividade de mRNA por meio das rotas do RNA de interferência RNAi Outro mecanismo para a regulação da estabilidade do mRNA é a rota do RNA de interferência RNAi Essa rota envolve vários tipos de pequenas moléculas de RNA que não codificam proteínas e são assim chamadas de RNAs não codificantes ncRNAs de noncoding RNAs A rota do RNAi tem um papel importante na regulação gênica e na defesa do genoma A rota do RNAi é um conjunto de reações celulares à presença de moléculas de fitas duplas de RNA dsRNA de doublestranded RNA Lembrese de que o mRNA em geral é uma molécula de fita simples ssRNA de singlestranded RNA Em células vegetais dsRNAs geralmente ocorrem como resultado de um destes três tipos de eventos 1 A presença de microRNAs miRNAs que estão en volvidos nos processos de desenvolvimento normal ver Figura 215 2 A produção de RNAs de interferência curtos siRNAs de short interfering RNAs que silenciam certos genes ver Figura 216 3 A introdução de RNAs estranhos tanto pela infecção viral quanto via transformação com um gene estranho ver Figura 217 Independentemente de como os dsRNAs são produzi dos a célula ajusta a resposta do RNAi Os dsRNAs são fragmentados ou picados em pequenos RNAs com 21 a 24 nucleotídeos que se ligam a RNAs complementares de fita simples p ex mRNAs de genes endógenos vírus ou transgenes e promovem sua degradação ou inibição da tradução Em alguns casos a rota do RNAi também pode levar ao silenciamento gênico ou à heterocromatização do DNA endógeno ou de genes estranhos introduzidos Para explorar os RNAis em mais detalhes serão analisa dos primeiramente os eventos que levam à acumulação de dsRNA na célula Após serão discutidos os componentes moleculares e os eventos a jusante do processo de RNAi MicroRNAs REGULAM MUITOS GENES DO DESEN VOLVIMENTO DE MODO PÓSTRANSCRICIONAL As plantas contêm centenas de genes codificando miRNAs os quais agem reprimindo a tradução dos mRNAs em proteínas ou destinando para degradação mRNAs especí ficos Os miRNAs estão envolvidos em muitos processos do desenvolvimento como reprodução divisão celular Taiz02indd 67 Taiz02indd 67 27102016 115519 27102016 115519 68 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica embriogênese formação de novos órgãos incluindo folhas e flores e transição da fase vegetativa para a reprodutiva Eles surgem da transcrição mediada pela RNApolimerase II de um locus específico que codifica os transcritos pri mários do miRNA primiRNAs os quais podem variar em comprimento de centenas a milhares de nucleotídeos Figura 215 O transcrito primário é capeado na extremi dade 5 poliadenilado na extremidade 3 e forma uma es trutura de fita dupla cujos pareamentos de bases possuem uma volta de fita simples na borda Em seguida os pri miRNAs são processados em prémiRNAs que em geral apresentam 60 a 80 nucleotídeos em animais mas que nas plantas podem ter até várias centenas de nucleotídeos de comprimento Nas plantas os primiRNAs são convertidos em miRNAs dentro do núcleo pelas proteínas DICERLIKE1 DCL1 e pelas proteínas com domínio de ligação a RNA de fita dupla dsRBP de doublestranded RNAbinding domain protein HYPONASTIC LEAVES 1 HYL1 ambas estão envolvidas no processamento dos transcritos primários em duplex de miRNAs maduros Em animais esse processo é conduzido pela RNase III endonuclease Drosha auxilia da pelas várias dsRBPs Após o processamento o miRNA é transportado através do poro nuclear com o auxílio da proteína de exportação nuclear chamada de EXPORTINA5 em animais ou sua homóloga em plantas chamada de HASTY Uma vez no citoplasma miRNAs maduros estão prontos para serem utilizados no RNAi RNAs DE INTERFERÊ NCIA CURTOS ORIGINAMSE DE DNA REPETITIVO Os siRNAs maduros sã o estrutural e funcionalmente similares aos miRNAs e també m levam à iniciação do RNAi No entanto os siRNAs diferem dos miRNAs na maneira como sã o gerados Os siRNAs po dem ser produzidos de três maneiras Primeiro eles po dem surgir a partir da transcriç ã o de promotores opostos que produzem mRNA de fitas opostas de um segmento único de DNA Figura 216A A transcrição simultânea de tais promotores gera duas molé culas de ssRNA total ou parcialmente complementares que podem posteriormente formar uma molé cula de fita dupla Transcrição PrimiRNA DNA RNApolimerase II 1 O miRNA primário primiRNA é transcrito dobrase em uma estrutura em grampo prémiRNA e é processado 2 O RNA de fita dupla processado dsRNA ligase ao complexo de silenciamento induzido pelo RNA RISC contendo a proteína catalítica ARGONAUTE AGO DCL1 HYL1 HASTY EXPORTINA5 Núcleo Citoplasma Membrana nuclear Ribossomo 3 Uma fita do dsRNA é removida e o complexo é exportado para o citoplasma onde ele tanto degrada o mRNAalvo quanto impede sua tradução mRNAalvo RISC AGO PrémiRNA Figura 215 A rota do RNAi em plantas microRNAs MicroRNAs miRNAs são parte das muitas ro tas genéticas que estão ativas du rante o desenvolvimento vegetal Taiz02indd 68 Taiz02indd 68 27102016 115519 27102016 115519 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 69 A segunda maneira pela qual siRNAs podem ser forma dos é pela transcrição de uma sequência duplicada em dire ções opostas Figura 216B Isso gera a fita senso de uma cópia e a fita antissenso da outra cópia RNAs de interfe rência curtos também podem ser produzidos de sequências de DNA arranjadas de tal modo que a transcrição contínua resulta em uma mensagem que contém ao final de sua se quência uma imagemespelho do início de sua sequência um palíndromo e por isso pode dobrar sobre si mesma para produzir uma molécula de RNA de fita dupla Figura 216C Por último uma classe especial de RNApolimerases dependentes de RNA RdRPs de RNAdependent RNA poly merases pode gerar moléculas de dsRNA a partir de mRNAs de fita simples Figura 216D No momento está sob inves tigação como exatamente a RdRP reconhece as moléculas de mRNAs para convertêlas em dsRNA Enquanto a maioria dos genes que codificam proteínas e miRNAs é transcrita pela RNApolimerase II a transcrição dos siRNAs é reali zada pelas RNApolimerases IV e V Não somente a biogênese dos siRNAs descritos an teriormente difere daquela dos miRNAs Diferentemen te dos miRNAs siRNAs endógenos são transcritos de regiões cromossômicas que no passado foram atribuídas como inativas transcricionalmente DNA repetitivo trans pósons e regiões centroméricas Na verdade siRNAs que se originam de tais regiões repetitivas são às vezes chama dos de RNAs de silenciamento associados a repetições rasiRNAs repeatassociated silencing RNAs Como será visto a seguir isso não deve ser uma coincidência parece Figura 216 A rota do RNAi em plantas RNAs de interferência curtos RNAs de interferência curtos siRNAs são requeridos para manter a heterocromatina e para silenciar genes não utilizados A C O RNAi pode ser iniciado por vários tipos de transcritos que for mam dsRNAs espontaneamente D A rota do siRNA também pode ser induzida pela ação das RdRPs sobre mRNAs de fita simples Núcleo ssRNA A B C D ssRNA ATCG ATCG ATCG TAGC ATCG TAGC CGAT GCTA ATCG ATCG TAGC TAGC TAGC TAGC DCL 12 DCL 12 DCL 12 DCL 3 ssRNA Transcrição Transcrição ssRNA RdRP DNA DNA dsRNA dsRNA siRNA maduro RISC AGO Sem transcrição Metilases e modificadores da cromatina ATP ADP que a formação de siRNAs e a indução do RNAi realmente é a causa dessas regiões se tornarem amplamente hete rocromáticas e transcricionalmente silenciadas Uma vez que o dsRNA é produzido ou por transcrição direta ou por conversão de ssRNA em dsRNA via RdRPs ele é corta do em RNAs duplex de 21 a 24 nucleotídeos por membros da família das proteínas DICERLIKE DCL ver Figura 216 Esse processo acontece no núcleo em plantas po rém em alguns animais como Caenorhabditis elegans ocorre no citoplasma Além desses siRNAs de origem endógena RNAs exógenos também podem desencadear a formação de siRNAs As fontes para esses RNAs exógenos incluem transgenes introduzidos artificialmente e RNA viral Em ambos os casos proteínas RdRPs e DCL estão envolvidas na produção dos siRNAs maduros Figura 217 Taiz02indd 69 Taiz02indd 69 27102016 115519 27102016 115519 70 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica Além dos miRNAs e dos siRNAs uma terceira classe de pequenos RNAs chamados de RNAs associados a PIWI piRNAs PIWIassociated RNAs é encontrada nas células germinativas animais Essa classe de pequenos RNAs tem como alvo especificamente transcritos de transpósons para manter esses elementos genéticos inativos EVENTOS A JUSANTE DA ROTA DE RNAi ENVOLVEM A FORMAÇ Ã O DE UM COMPLEXO DE SILENCIAMEN TO RNAINDUZIDO Para os miRNAs os siRNAs e os RNAs de origem exógena o resultado do processo do RNAi é similar a inativação ou o silenciamento de seus mRNAs complementares ou sequências de DNA Depois que os 21 a 24 nucleotídeos de miRNAs ou siRNAs forem formados pelas proteínas DCL uma fita do RNA duplo curto associa se a um complexo de ribonucleases chamado de complexo de silenciamento induzido pelo RNA RISC RNAinduced silencing complex ver Figuras 215 a 217 Tanto em ani mais como em plantas o RISC contém pelo menos uma proteína catalítica ARGONAUTE AGO Em alguns casos o RISC pode recrutar proteínas adicionais para o comple xo Em Arabidopsis são conhecidos dez diferentes mem bros da família de genes AGO Após o duplex do miRNA ou siRNA ligarse a AGO uma das fitas de RNA é remo vida Com essa remoção o RISC é ativado No caso dos miRNAs a pequena fita ssRNA que se liga à AGO agora guia o RISC a um mRNA complementar Após a ligação de RISC e mRNAalvo o mRNAalvo é clivado pela ativida de de fatiamento da AGO Os fragmentos resultantes são liberados no citoplasma onde são posteriormente degrada dos Em vez de fatiar o alvo a associação do RISC com uma molécula de mRNA também pode simplesmente inibir a tradução do mRNA em proteína Enquanto os miRNAs ligados ao RISC atingem pri meiramente a expressão de genes codificantes de proteí nas os siRNAs ligados ao RISC também facilitam a me tilação do DNA e das histonas associadas nas sequências complementares ao siRNA Isso permite que o organismo silencie permanentemente certos genes e forme heterocro matina predominantemente nas regiões teloméricas e sub teloméricas Embora o mecanismo não seja claro o RISC com seu siRNA de algum modo guia as enzimas modifi cadoras de DNA para a sequência genômica a ser silencia da A estrutura da cromatina é entã o remodelada em uma reaç ã o ATPdependente e posteriormente metilada resultando em maior condensaç ã o e heterocromatizaç ã o da regiã o do DNA envolvida ver Figura 214 O RNAi PODE AUXILIAR A REPROGRAMAR AS MAR CAS EPIGENÉTICAS NA LINHAGEM GERMINATI VA Agora você deve estar imaginando por que a ma quinaria transcricional passaria pelo gasto celular de Figura 217 A rota do RNAi em plantas defesa an tiviral As células vegetais podem montar uma resposta de RNAi à infecção por vírus DCL3 núcleo Metilação DCL24 citoplasma ou núcleo Virus ssRNA RNA em grampo RdRP dsRNA siRNA maduro Degradação Degradação RISC AGO 1 Um vírus infecta a célula vegetal 2 O RNA vírus pode conter regiões que espontaneamente produzem RNA em grampo de fita dupla 5 RISC ligase aos siRNAs produzidos pelas DCLs como guias para identificar as origens dos RNAs recruta metilases e silencia os genes virais 3 Além disso RdRP da planta hospedeira converte vírus RNA de fita simples em dsRNA 4 Enzimas tipo DICER iniciam o RNAi Taiz02indd 70 Taiz02indd 70 27102016 115519 27102016 115519 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 71 transcrever transpósons e outros genes heterocromáticos apenas para silenciálos novamente ao final da rota de siRNA Marcas epigenéticas como metilação no DNA ou na histona podem mudar durante a vida do organismo e são reprogramadas a uma certa linha basal de marcas na linhagem germinativa Isso assegura que marcas epi genéticas simplesmente não se acumulem em gerações sucessivas porém elas podem ter uma função reguladora durante a vida de um indivíduo Em plantas isso é parti cularmente importante para alguns genes que regulam o desencadeamento da floração descrito em mais detalhes no Capítulo 20 A questão de como a reprogramação epigenética seleti va na linhagem germinativa é alcançada ao nível molecular ainda não está resolvida Entretanto achados recentes em Arabidopsis sugerem um modelo em que elementos genéticos que normalmente são suprimidos como transpósons tor namse ativos em células não gaméticas em ambos os game tófitos masculino e feminino Assumese que a transcrição desses elementos genéticos conduza à formação de siRNAs complementares aos genes que deveriam permanecer silen ciados na próxima geração De acordo com esse modelo os siRNAs gerados em células não gaméticas a célula central na parte feminina e o núcleo vegetativo na parte masculina viajariam então dentro do gametófito às células germinati vas oosfera e célula espermática onde os siRNAs poderiam direcionar a metilação daquelas sequências de DNA para as quais eles seriam complementares Esse processo aceitaria essencialmente as consequências prejudiciais do aumento da mutagênese induzida pelos transpósons naquelas células germinativas não sendo transmitidas para a próxima gera ção enquanto ao mesmo tempo manteria a metilação na linhagem germinativa PEQUENOS RNAs E RNAi COMBATEM A INFECÇÃO VI RAL Além do processamento dos miRNAs e dos siRNAs endógenos as plantas também adotaram a rota de RNAi como um tipo de resposta imunológica molecular contra infecção por vírus Para outros tipos de defesas das plan tas contra patógenos além do RNAi ver Capítulo 23 As estruturas genômicas dos vírus de plantas são bastante di versificadas Alguns ví rus injetam DNA de fita dupla nas células vegetais porém a maioria dos vírus que infectam plantas utiliza RNA de fita dupla ou simples As plantas utilizam a rota do siRNA para produzir moléculas de siRNAs contra o genoma viral Os cientistas propõem três caminhos possíveis para gerar siRNAs virais 1 via for mação de grampos de fita dupla a partir de ssRNAs virais 2 via geração de moléculas de RNA senso e antissenso pela RNApolimerase do hospedeiro ou do vírus 3 via uma das RdRPs de planta Desconsiderando sua origem uma vez que o dsRNA é reconhecido pelas proteínas DCL de plantas siRNAs são produzidos carregados na AGO e montados no RISC ver Figura 217 Os siRNAs derivados de vírus podem então degradar os RNAs virais e metilar o genoma do vírus dentro da célula hospedeira No processo de corte do RNA invasor em 21 a 24 nu cleotídeos de siRNAs a planta gera um conjunto de molécu las de memória que podem trafegar via plasmodesmos por todo o corpo vegetal imunizandoo efetivamente antes que o vírus possa se espalhar Para não serem superados pelas defesas das plantas os vírus desenvolveram uma diversida de de rotas moleculares para evitar o mecanismo de siRNA da planta Alguns desses contramecanismos incluem a ini bição da formação do RISC a degradação de AGO e a deses tabilização indireta da molécula de siRNA por ela mesma COSSUPRESSÃO É UM FENÔMENO DE SILENCIAMEN TO GÊNICO MEDIADO PELO RNA Um dos primeiros experimentos que levaram à descoberta do RNAi envol veu uma resposta inesperada à introduç ã o de transgenes No início da década de 1990 Richard Jorgensen e seus co legas trabalhavam com o gene da petúnia para a chalcona sintase uma enzimachave na rota que produz moléculas de pigmento roxo em suas flores Quando eles inseriram na planta uma cópia altamente ativa do gene esperavam ver uma intensificação da cor roxa nas flores da prole Para sua surpresa as cores das pétalas variaram do roxoescuro como esperado para o completamente branco como se os níveis de chalcona sintase tivessem baixado em vez de aumentar Esse fenômeno diminuição na expressão de um gene quando cópias extras são introduzidas foi de nominado cossupressão Com o entendimento atual do RNAi sabese que em algumas células a superexpressão de chalcona sintase estimulou uma RNApolimerase de pendente de RNA a produzir moléculas de dsRNA o que iniciou a resposta RNAi Essa resposta finalmente levou ao silenciamento póstranscricional e à metilação tanto das cópias de chalcona sintase introduzidas como das en dógenas Curiosamente o silenciamento póstranscricio nal não ocorreu em todas as células As células em que o silenciamento do gene ocorreu deram origem a setores brancos explicando por que algumas das plantas transgê nicas de petúnia tinham flores variegadas roxas e brancas Em resumo RNAi é um processo em que dsRNA eli cita uma resposta pó stranscricional que leva ao silencia mento de transcritos especí ficos Os miRNAs auxiliam na regulação póstranscricional de genes no citoplasma en quanto os siRNAs agem no núcleo para manter a hetero cromatina transcricionalmente inativa ou funcionar como uma resposta imunológica contra vírus A regulação póstraducional determina o tempo de vida das proteínas Como visto a estabilidade do mRNA desempenha um pa pel importante na capacidade de um gene de produzir uma proteína funcional Agora serão examinados a estabilidade das proteí nas e os mecanismos que regulam a longevidade de uma proteí na Uma proteí na uma vez sintetizada tem um tempo de vida finito na cé lula que vai desde alguns mi nutos a vá rias horas ou mesmo dias Assim níveis estáveis de enzimas celulares refletem um equilíbrio entre a síntese e a degradação das proteínas conhecido como reciclagem turnover Em células vegetais e animais existem duas ro tas distintas de reciclagem de proteínas uma em vacúolos Taiz02indd 71 Taiz02indd 71 27102016 115520 27102016 115520 72 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica líticos especializados chamados de lisossomos em células animais e outra no citoplasma ver também Capítulo 1 A rota citoplasmática de reciclagem proteica envolve a formação de uma ligação covalente ATPdependente entre a proteína que será degradada e um pequeno polipeptídeo de 76 aminoácidos chamado de ubiquitina A adição de uma ou mais moléculas de ubiquitina a uma proteína é chamada de ubiquitinação A ubiquitinação direciona uma proteína para sua destruição por um grande complexo proteolítico ATPdependente chamado de proteassomo 26S que reco nhece especificamente essas moléculas marcadas Figura 218 Mais de 90 das proteí nas de vida curta nas cé lulas eucarió ticas sã o degradados pela rota da ubiquitina A ubiquitinação é iniciada quando a enzima ativado ra de ubiquitina E1 catalisa a adenilação ATPdepen dente da porção Cterminal da ubiquitina A ubiquitina adenilada é então transferida para um resíduo de cisteína em uma segunda enzima a enzima conjugadora de ubi quitina E2 As proteínas destinadas à degradação são li gadas por um terceiro tipo de proteína a ubiquitinaliga se E3 O complexo E2ubiquitina em seguida transfere sua ubiquitina a um resíduo de lisina da proteína ligada à E3 Esse processo pode ocorrer várias vezes formando um polímero de ubiquitina A proteína ubiquitinada é então destinada a um proteassomo para degradação Há uma infinidade de ubiquitinaligases proteína específicas que regulam a reciclagem de proteínasalvo específicas ver Capítulo 14 Será discutido um exemplo dessa rota com mais detalhes no Capítulo 19 quando será coberta a regulação do desenvolvimento pelo hormô nio vegetal auxina Ferramentas para o estudo da função gênica Os indivíduos que contêm alterações específicas em sua sequência de DNA são denominados mutantes A análise de mutantes é uma ferramenta extremamente poderosa que pode auxiliar os cientistas a inferir a função de um gene ou mapear sua localização nos cromossomos Nes ta seção é discutido como mutantes são gerados e como eles podem ser usados em análises genéticas Também são abordadas algumas ferramentas biotecnológicas moder nas que permitem aos pesquisadores estudar ou manipu lar a expressão de genes A análise de mutantes pode ajudar a elucidar a função gênica Ao longo deste livro são discutidos em detalhes os genes e as rotas genéticas envolvidos em funções fisiológicas muitas vezes referindose a certos tipos de mutantes que permitiram aos pesquisadores entender os genes e as rotas em discussão Por que um gene mutante é uma ferramenta mais poderosa para a elucidação da função dos genes do que o próprio gene normal do tipo selvagem O uso de mutantes para a identificação de genes de pende da capacidade de distinguir um mutante de um indivíduo normal portanto a alteração na sequência de nucleotídeos do mutante deve resultar em um fenótipo alterado Se um mutante pode ser restaurado ao fenótipo normal com uma versão do tipo selvagem de um gene can didato o pesquisador sabe que uma mutação no gene foi responsável conferindo o fenótipo mutante originalmente observado Esse método é chamado de complementação Por exemplo supõese que uma planta com uma mutação de um único gene mostre um atraso na produção de flores em comparação com o tipo selvagem Se a sequência e a localização do gene responsável puderem ser determina das provavelmente aprendese algo sobre os mecanismos envolvidos no desenvolvimento floral Supõese agora que um pesquisador seja capaz de encontrar um gene no geno ma mutante que difere do gene do tipo selvagem em sua sequência de DNA Se o pesquisador puder mostrar que a transferência do gene do tipo selvagem para o mutante Proteína alvo E3 E3 E2 E2 Poliubiquitinação Peptídeos E1 E1 Ubiquitina Proteassomo 26S 1 ATP é requerido para a ativação inicial da ubiquitina pela E1 2 E1 transfere ubiquitina para E2 3 E3 medeia a transferência final da ubiquitina para uma proteínaalvo que pode ser ubiquitinada por múltiplas unidades de ubiquitinas 4 A proteína ubiquitinada é direcionada para o proteassomo 26S onde é degradada AMPPP AMPPP AMP PPi AMP PPi Figura 218 Diagrama geral da rota citoplasmática da degradação de proteínas Taiz02indd 72 Taiz02indd 72 27102016 115520 27102016 115520 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 73 restaura o fenótipo normal podese estar razoavelmente certo de que o gene candidato desempenha um papel no início do florescimento Na década de 1920 H J Muller e L J Stadler inde pendentemente testaram os efeitos dos raios X sobre a estabilidade de cromossomos em moscas e em cevada res pectivamente Os dois pesquisadores relataram mudanças hereditárias nos organismos tratados Nos anos seguintes foram desenvolvidas outras técnicas para induzir muta ções Essas técnicas incluem o uso de raios ultravioleta ou radiação com nêutrons rápidos e de produtos químicos mutagênicos Por exemplo o tratamento com etilmetanos sulfonato EMS ocasiona a adição de um grupo etila a um nucleotídeo geralmente guanina Guanina etilada pareia com timina em vez de citosina A maquinaria de reparação do DNA celular em seguida substitui a guanina etilada com adenina causando uma mutação permanente do par GC para AT naquele sítio A mutagênese com radiação ou produtos químicos induz aleatoriamente alterações nu cleotídicas ao longo do genoma Existem várias formas de mapear uma mutação de seu cromossomo e finalmente clonar o gene afetado O Tópi co 22 na internet explica um método chamado de clona gem com base em mapeamento que usa cruzamentos entre um mutante e uma planta do tipo selvagem e análise genética da prole para refinar a localização da mutação em um segmento curto do cromossomo que é então sequen ciado Outro método de mutagênese é a inserção aleatória de transpósons em genes Essa técnica envolve o cruzamento de uma planta de interesse com uma planta carregando um transpóson ativo e triagem de sua prole para fenótipos mutantes causados por inserção aleatória do transpóson em novos locais Sendo a sequência do transpóson conhe cida essas mutações são marcadas assim as sequências de DNA adjacentes ao transpóson podem ser facilmente encontradas e analisadas para identificar o gene mutado Essa técnica é chamada de etiquetamento de transpóson transposon tagging e é explicada em detalhes no Tópico 23 na internet Técnicas moleculares podem medir a atividade dos genes Uma vez que um gene de interesse tenha sido identifica do os cientistas estão geralmente interessados em onde e quando ele é expresso Por exemplo um gene pode ser expresso apenas em tecidos reprodutivos ou apenas em vegetativos Da mesma forma um gene pode codificar funções celulares em geral chamadas de funções de ma nutenção e ser expresso continuamente ou pode codifi car funções especiais e ser expresso apenas em resposta a certo estímulo como um hormônio ou um estímulo ambiental No passado a análise transcricional a deter minação da quantidade de mRNA produzido a partir de um gene em determinado momento era realizada princi palmente em genes isolados Ferramentas desenvolvidas para esse tipo de aná lise incluem Northern blotting trans crição reversa ou reação em cadeia da polimerase PCR polymerase chain reaction quantitativa RTPCR ou qPCR e hibridizaç ã o in situ São encontradas aplicações de cada uma dessas técnicas ao longo deste livro A disponibilida de crescente de sequências de genomas completos adicio nou dois novos métodos ao arsenal das técnicas de RNA análise por microarranjo e sequenciamento de RNA de alto desempenho RNAseq Ambas as técnicas permi tiram a investigação de uma amostra do transcriptoma que é a soma de todos os genes transcritos em um dado momento Podese encontrar mais sobre as técnicas de microarranjo no Tópico 24 na internet O sequenciamento do transcriptoma ou RNAseq é uma técnica que se baseia essencialmente no sequen ciamento de cada molécula de mRNA em uma amostra contando o número de moléculas para cada gene e com parando essas abundâncias de mRNA com aquelas obtidas em uma amostra diferente Figura 219 Para fazer isso os mRNAs são transcritos reversamente em conjuntos de DNA complementar cDNA Utilizandose uma das téc nicas específicas disponíveis cada molécula de cDNA é sequenciada produzindo um read Genes mais altamen te expressos em uma amostra do que na outra produzirão mais moléculas de mRNA e por isso levarão a mais mo Número de reads Reads alinhados Posição do nucleotídeo Fragmentos de RNA obtidos da amostra de RNA Biblioteca com adaptadores Reads sequenciados cerca de 100 pb de comprimento Arcabouço do genoma ou genomabase ATCGGC CCGAT GCATTCA Figura 219 Fluxograma para análise da ex pressão gênica por RNAseq Os fragmentos de RNA são transcritos reversamente e os fragmen tos de cDNA resultantes são ligados a adaptado res e sequenciados Cada sequência é computa cionalmente alinhada com sequências conhecidas do genoma do organismo Quanto maior for o número de fragmentos de RNA reads por região codificante maior será a expressão do gene Taiz02indd 73 Taiz02indd 73 27102016 115520 27102016 115520 74 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica léculas de cDNA e por último a mais reads sequenciados Para comparar de maneira mais eficiente a abundância de mRNAs entre duas amostras o pesquisador deve ter o genoma sequenciado do organismo à disposição ou ao menos as sequências de DNA correspondentes às regiões transcritas do genoma o transcriptoma Os reads das duas amostras de mRNA a serem comparadas podem então ser alinhados com esse genoma de referência Utilizandose análise computacional e estatística podese determinar se o número de reads encontrado em uma amostra é diferen te do número de reads na outra amostra Com o declínio rápido do custo de sequenciamento o RNAseq está rapi damente tornandose o método de escolha para a análise transcricional global do genoma A abundância do RNA é atualmente muito mais fá cil de mensurar do que a abundância proteica para qual quer gene Embora a atividade transcricional de um gene seja relativamente uma boa indicação de seus níveis de proteína não é correto que mudanças nos níveis de RNA e proteína estejam linearmente relacionadas A análise de proteínas em escala genômica global ainda é trabalhosa e de alto custo Porém as técnicas incluindo espectrometria de massas estão sendo refinadas e utilizadas para anali sar amostras representando a soma de todas as proteínas expressas o que é chamado de proteoma Como o estudo do transcriptoma é chamado de transcriptômica o estudo do proteoma é chamado de proteômica Devido às inova ções tecnológicas agora é possível estudar muitos aspec tos de um organismo não somente o transcriptoma ou o proteoma em sua totalidade em vez de uma molécula de cada vez Tais análises globais com frequência são referidas como análises ômicas Por exemplo o estudo de todos os metabólitos nas rotas fisiológicas é chamado de metabolô mica e a análise de todas as modificações epigenéticas no genoma de uma célula é referida como epigenômica Fusões gênicas podem introduzir genes repórteres A identificação de um gene contendo uma mutação fornece informações sobre a localização desse gene no genoma e sobre o efeito de sua função alterada no fenótipo da planta A partir da sequê ncia de um ú nico gene os cientistas po dem fazer inferê ncias sobre sua funç ã o celular comparan do a estrutura gê nica com a de outros genes conhecidos Por exemplo certas regiões dentro do gene chamadas de domínios podem ter similaridade com domínios encon trados em certas famílias de genes como as que codificam quinases fosfatases ou receptores de membrana No en tanto informações da sequência por si só não dão evidên cia direta da função celular do gene nem indicam onde ou em que condições o gene está ativo na planta Uma maneira de descobrir onde e quando determina do gene é expresso dentro de uma planta ou cé lula é men surar a abundância de seu mRNA por um dos métodos já descritos Outra maneira é fazer uma fusã o de genes Uma fusão gênica é uma construção artificial que combina par te do gene de interesse por exemplo o promotor com ou tro gene denominado gene repórter o qual produz uma proteína facilmente detectável Um exemplo de gene repór ter é o gene da proteína verde fluorescente GFP green flu orescent protein que produz uma proteína fluorescente que pode ser observada em uma planta intacta ou na célula por microscopia de fluorescência para um exemplo ver Figura 1918B Lembrese de que nem todos os genes são trans critos em todas as células vegetais a todo o momento A ex pressão do gene é regulada por fatores de transcrição que fazem uma sintonia fina de sua atividade e permitem que ele seja transcrito apenas onde e quando for necessário Se uma planta porta a fusão de um promotor e de um gene GFP em todas as suas células GFP será expresso apenas nas cé lulas que normalmente expressam o gene cujo promotor foi fundido com esse gene Em outras palavras a fluorescência verde será visível onde e sempre que o gene sob investigação é expresso Outro gene repórter frequentemente utilizado é o gene glucuronidase em geral chamado de GUS O sis tema repórter GUS não necessita de luz fluorescente para ser visível porém a desvantagem desse sistema é que para visualizar a glucuronidase o tecido tem que ser fixado Borda esquerda LB left border TDNA tipo selvagem Borda direita RB right border Genes para produção de hormônios e opinas oncogenes Plasmídio Ti TDNA DNA genômico bacteriano Genes vir Célula bacteriana TDNA engendrado Gene de interesse Gene de resistência a antibiótico LB RB Figura 220 Plasmídio indutor de tumores Ti da Agro bacterium O plasmídio Ti é uma peça extracromossômica cir cular de DNA contida no interior da célula bacteriana Uma porção desse plasmídio o DNA de transferência TDNA é transferida para a planta infectada onde é inserida no geno ma nuclear da planta Os genes de virulência vir localizados em outra parte do plasmídio Ti são essenciais para o início da transferência de TDNA O TDNA do plasmídio Ti do tipo sel vagem contém genes para a produção de hormônios vegetais e aminoácidos não proteicos opinas Quando Agrobacterium é utilizada para a transformação de plantas os genes de hor mônios e opinas são removidos e substituídos pelo gene de interesse muitas vezes acoplado a um gene repórter selecio nável como um gene para resistência a antibióticos Taiz02indd 74 Taiz02indd 74 27102016 115520 27102016 115520 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 75 morto e então mergulhado em um substrato líquido o qual causa o aparecimento de uma cor azul naqueles tecidos que expressam GUS para um exemplo ver Figura 1924 Para transformar plantas com fusõ es de genes como genes repórteres ou aqueles por análise de complemen tação os cientistas tê m aproveitado o poder de Agrobac terium tumefaciens um pató geno microbiano de plantas Essa bactéria faz as plantas infectadas produzirem hor mônios de crescimento os quais induzem a formação de um tumor chamado de galha da coroa ver Figura 1511B A doença da galha da coroa é um sério problema em de terminadas culturas agrícolas como em árvores frutíferas uma vez que pode reduzir a produtividade da cultura e di minuir a saúde geral da planta A Agrobacterium tumefaciens por vezes é referida como engenheiro genético natural por sua capacidade de trans formar células vegetais com um pequeno subconjunto de seus próprios genes Os genes transferidos para o genoma vegetal são parte de uma peça circular de DNA extracro mossômico chamado de plasmídio indutor de tumores Ti tumorinducing Figura 220 O plasmídio Ti contém uma série de genes de virulência vir assim como uma região chamada de DNA de transferência TDNA Os genes vir são necessários para iniciar e conduzir a transferência do TDNA para a célula vegetal Uma vez transferido o TDNA inserese aleatoriamente no genoma nuclear da planta Ele carrega genes com duas funções gerais primei ro a indução da galha da coroa que irá proporcionar um hábitat para a bactéria e segundo a produção de aminoá cidos não proteicos chamados de opinas que são utilizados pela bactéria como fonte de energia metabólica Uma visão geral das etapas envolvidas na transformação de plantas por Agrobacterium é mostrada na Figura 221 Uma descri ção mais detalhada do mecanismo de transformação pode ser encontrada no Tópico 25 na internet Dado que a Agrobacterium em geral é um patógeno de plantas como pode ser uma ferramenta biotecnológica útil Quando a Agrobacterium é usada no laboratório os cientistas utilizam uma cepa contendo um plasmídio Ti modificado Os genes dos hormônios e das opinas são removidos do TDNA e um gene de interesse é inserido em seu lugar ver Figura 220 Com frequência um gene que confere resistência a um antibiótico é adicionado como um gene marcador selecioná vel O plasmídio Ti reconstruído é então inserido na Agro bacterium Qualquer gene agora contido dentro do TDNA será transferido para uma célula vegetal infectada com a bactéria engendrada O gene de resistê ncia a antibió ticos permite ao pesquisador rastrear facilmente as cé lulas trans formadas já que somente as células transformadas sobrevi verão quando cultivadas na presença do antibiótico As plantas podem ser infectadas com bactérias en gendradas por diversas maneiras Pequenos segmentos de folhas podem ser cortados de uma planta e cocultivados com uma soluç ã o da bacté rias antes de cultivar as cé lulas vegetais purificadas em um meio de cultura de tecidos A seguir os hormônios vegetais auxina e citocinina são utilizados para estimular a geração de raízes e partes aé reas a partir do tecido respectivamente Essa técnica em última análise produz uma planta adulta transformada Algumas plantas incluindo Arabidopsis são tão facilmen te transformadas que apenas mergulhar as flores em uma suspensão das bactérias é suficiente para resultar em em briões transformados na geração seguinte Além de transformação mediada por Agrobacterium vá rias outras técnicas têm sido desenvolvidas para incorporar Plasmídio Ti TDNA TDNA C O OH CH3O CH3 OCH3 Gene vir Agrobacterium Acetosseringona Indução do gene vir Receptores Vir AG Transporte Célula da planta Citocinina Auxina Opinas Integração Núcleo Dano lesão Excisão Figura 221 Infecção de células vegetais com Agrobacterium Taiz02indd 75 Taiz02indd 75 27102016 115520 27102016 115520 76 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica genes estranhos aos genomas vegetais Uma dessas técnicas é a fusão de duas células vegetais com diferentes informa ções genômicas chamada de fusão de protoplastos Outra té cnica é a biobalí stica algumas vezes també m chamada de técnica gene gun arma de genes em que pequenas partí culas de ouro revestidas com a construç ã o gené tica de interesse sã o disparadas em cé lulas cultivadas em placas de cultura Figura 222 O material gené tico é entã o incorpo rado aleatoriamente aos genomas das cé lulas As células po dem então ser transferidas para um meio de cultura sólido e cultivadas até se tornarem indivíduos transgênicos maduros Modificação genética de plantas cultivadas Os seres humanos têm modificado por muitos séculos plantas cultivadas por meio do melhoramento seletivo produzindo cultivares que têm rendimentos mais elevados são mais adaptados a climas específicos ou resistentes a fi topatógenos Por exemplo os cultivares modernos de mi lho sã o os descendentes domesticados de uma subespé cie do gê nero Zea conhecida como teosinto Figura 223 Como é evidente pela figura o melhoramento e a domes ticação modificaram substancialmente essa cultura desde sua forma original Da mesma maneira o melhoramento seletivo tem produzido tomates que são muito maiores do que os frutos da espécie progenitora original O melho ramento tem produzido até espé cies totalmente novas como o trigo do pã o comum Triticum aestivum o qual é alohexaploide e surgiu a partir da polinizaç ã o cruzada de três espé cies progenitoras diferentes Enquanto as técnicas clássicas do melhoramento dependem de recombinação genética aleatória de caracteres em espécies sexualmente compatíveis a biotecnologia permite a transferência de um número controlado de genes entre espécies que não po dem ser cruzadas com sucesso Discutese agora como o melhoramento clássico difere do melhoramento que utiliza ferramentas biotecnológicas No melhoramento genético clássico características desejáveis são introduzidas em linhagens agrícolas de elite mediante polinização cruzada de dois cultivares e seleção dessas características entre os descendentes Uma desvan tagem dessa abordagem é que as contribuições genéticas de ambos os progenitores são embaralhadas na meiose de modo que características indesejáveis podem ser introdu zidas na linhagem receptora junto com as desejáveis Os caracteres indesejá veis devem novamente ser melhorados por retrocruzamentos repetidos frequentemente laborio sos com a linhagem de elite para manter as características desejáveis As ferramentas biotecnológicas contornam esse problema permitindo somente a inserção do gene desejado na planta receptora na maioria das vezes por transforma ção mediada por Agrobacterium ou por biobalística As plan tas produzidas dessa maneira costumam ser referidas como organismos geneticamente modificados OGMs Há três diferenças essenciais entre os OGMs e os cul tivares convencionalmente melhorados 1 A transferência de genes nos OGMs ocorre no labora tório e não necessita de cruzamento 2 Os genes dos doadores dos OGMs podem ser deriva dos de qualquer organismo não apenas aqueles com os quais o receptor pode ser cruzado com sucesso 3 Os OGMs podem transportar construções de genes que são o produto da junção de uma diversidade de componentes genéticos que em conjunto produzem genes com novos usos p ex a fusão de um gene pro motor GFP descrito anteriormente Gás hélio Disco com DNA coberto com partículas de ouro Disco parado pela tela ou peneira screen Microprojéteis projéteis de DNA cobertos com ouro Tecidoalvo da planta Membrana restritiva Figura 222 Transformação de célula de planta utilizando o gene gun Figura 223 Melhoramento clássico e domesticação da gramí nea selvagem teosinto à esquerda levaram à planta cultivada Zea mays milho à direita ao longo de centenas de anos Cortesia de John Doebly Taiz02indd 76 Taiz02indd 76 27102016 115520 27102016 115520 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 77 Serão vistos alguns exemplos de genes normalmente usa dos para modificar culturas vegetais Transgenes podem conferir resistência a herbicidas ou a pragas de plantas Qualquer gene transferido artificialmente para um orga nismo é referido como um transgene Mais frequentemen te transgenes são introduzidos de uma espécie para outra Entretanto alguns pesquisadores preferem distinguir a transferência gênica entre espécies sexualmente compatí veis que podem também trocar material genético pelo me lhoramento clássico cisgenia daquela transferência gênica entre espécies que não podem cruzar naturalmente para as quais esses pesquisadores reservam o termo transgenia Atualmente dois dos tipos de transgenes mais comumente utilizados em culturas comerciais sã o genes que permitem que as plantas resistam a aplicaç õ es de herbicidas ou ao ata que por determinados insetos A invasão de plantas inde sejáveis e a infestação de insetos são duas das principais causas de reduções na produtividade na agricultura Plantas que carregam um transgene para resistência ao glifosato sobreviverão no campo à aplicação desse herbicida comercialmente Roundup que mata as ervas indesejáveis mas não prejudica as plantas de culturas re sistentes O glifosato inibe a enzima enolpiruvalchiqui mato3fosfatosintase EPSPS que catalisa uma reação chave na via do ácido chiquímico uma rota metabólica específica de plantas necessária para a produção de muitos compostos secundários incluindo auxina e aminoácidos aromáticos ver Apêndice 4 na internet As plantas glifo satoresistentes carregam um gene que codifica uma forma bacteriana do EPSPS insensível ao herbicida ou constru ções de transgenes que fusionam promotores de alta ati vidade com o tipo selvagem do gene EPSPS alcançando a resistência a herbicidas por superprodução da enzima Outro transgene comumente usado codifica uma toxi na inseticida proveniente da bactéria do solo Bacillus thu ringiensis Bt A toxina Bt interfere em um receptor en contrado apenas no intestino das larvas de certos insetos finalmente matandoas Plantas expressando a toxina Bt são tóxicas a insetos suscetíveis porém inofensivas à maio ria dos organismos incluindo espécies de insetos não alvo Plantas transgênicas com valor nutricional maior tam bém estão sendo desenvolvidas Todos os anos segundo a Organização Mundial da Saúde a deficiência de vitamina A na dieta causa cegueira em pelo menos 500 mil crianças em países em desenvolvimento Muitas dessas crianças vi vem no sudeste da Ásia onde o arroz é a parte principal da dieta Embora o arroz sintetize ní veis altos de caroteno pró vitamina A em suas folhas seu endosperma que compõ e o volume do grã o normalmente nã o expressa os genes necessá rios para as trê s etapas da rota de biossí ntese de caroteno Para superar esse bloqueio Ingo Potrykus Peter Beyer e colaboradores desenvolveram novas varie dades de arroz que carregam genes de outras espécies que podem completar a rota de biossí ntese de caroteno Figu ra 224 A variedade mais eficiente utiliza dois transgenes um gene da fitoeno sintase do milho e um gene bacteria no da caroteno dessaturase Em conjunto esses dois genes permitem que a planta de arroz acumule grandes quanti dades de caroteno Enfrentando muitos obstáculos regu ladores e de propriedade intelectual esse arroz dourado foi testado porém não foi liberado para uso público até o momento desta impressão Essa não foi a primeira vez que o conteúdo de caroteno de uma cultura agrícola foi alte rado Cenouras por exemplo eram vermelhas ou amarelas antes do século XVII quando um horticultor holandês sele cionou as primeiras variedades de cor laranja Outros pesquisadores estão desenvolvendo plan tas transgênicas que expressam vacinas em seus frutos comestíveis como uma alternativa mais conveniente de vacinar as pessoas em partes do mundo cujas instalações médicas são insuficientes para a administração de vacinas convencionais Organismos geneticamente modificados são controversos O desenvolvimento de OGMs não foi saudado com apoio e entusiasmo universal Apesar do enorme potencial humanitá rio dos OGMs muitos indiví duos bem como GeranilgeranilPP Fitoeno 2 pirofosfato ζcaroteno Licopeno αcaroteno βcaroteno Fitoeno sintase A B Licopeno ciclase crt1 crt1 Figura 224 O arroz dourado foi produzido por meio da inserção de dois genes estranhos envolvidos na síntese de caroteno no arroz A Rota de biossíntese de caroteno no arroz dourado B O arroz branco nor mal à esquerda comparado com o ar roz dourado à direita Foto cortesia do Golden Rice Humanitarian Board wwwgoldenriceorg Taiz02indd 77 Taiz02indd 77 27102016 115520 27102016 115520 78 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica os governos de alguns paí ses olham os OGMs com desconfianç a e preocupaç ã o Os opositores do uso da biotecnologia na agricultura citam por exemplo a possibilidade de inadvertidamente serem produzidas culturas que expressam alérgenos prove nientes de outras espécies Eles também se preocupam com o fato de que o uso excessivo de genes codificando a toxina Bt possa selecionar insetos que desenvolveram resistência à toxina ou que o pólen levado pelo vento de culturas trans gênicas resistentes a herbicidas possa polinizar espécies sel vagens próximas portanto produzindo ervas indesejáveis com resistência a herbicidas ou contaminando culturas or gânicas com transgenes A preocupação de que a ingestão de alimentos OGMs atualmente cultivados e comercializados cause riscos para a saúde humana até agora não tem sido provada de acordo com a Organização Mundial da Saúde Enquanto muitas questões considerando os OGMs têm sido endereçadas pelos proponentes da biotecnologia de plantas a pesquisa está avançando no monitoramento dos efeitos das novas tecnologias sobre a saúde humana e o meio ambiente Ao final a controvérsia pode cair nesta questão o quanto de risco é aceitável na tentativa de satis fazer as necessidades de alimento vestimentas e abrigo de uma população mundial em constante crescimento RESUMO O genó tipo as modificaç õ es epigené ticas de seu DNA e o am biente no qual vive determinam o fenó tipo de uma planta Enten der completamente a fisiologia de uma planta requer o entendi mento de como o genó tipo nuclear mitocondrial e plastidial é traduzido em fenó tipo Organização do genoma nuclear As marcas estruturais mais proeminentes dos cromossomos são os centrômeros os telômeros e as regiões organizadoras do nucléolo RONs Figura 21 A heterocromatina sequências de DNA altamente repetitivo é transcricionalmente menos ativa do que a eucromatina Transpósons são sequências de DNA móveis dentro do genoma nuclear Alguns podem se inserir em novos locais ao longo dos cromossomos Figura 22 Transpósons ativos podem prejudicar de modo significativo seu hospedeiro mas a maioria dos elementos mó veis é inativada por modificaç õ es epigené ticas como a metilaç ã o Figura 23 As modificações epigenéticas são controladas pela metilação do DNA pela acetilação e pela metilação de histonas A meiose permite a recombinação de genes e a redução or ganizada do genoma para metade de seus cromossomos Fi gura 25 Todas as linhagens de angiospermas experimentaram a dupli cação do genoma ao menos uma vez em suas histórias evolu tivas Muitas espécies vegetais modernas são poliploides por causa da duplicação genômica dentro de uma espécie auto poliploidia ou devido à duplicação genômica em associação com a hibridização de duas ou mais espécies alopoliploidia Figura 27 As assinaturas genômicas da poliploidia ancestral paleopoli ploidia podem ser detectadas em muitos genomas de plantas modernas As respostas fenotípicas e fisiológicas à poliploidia são variáveis e frequentemente imprevisíveis Poliploides têm múltiplos de genomas completos esse equilí brio genômico alterado pode distinguir fenotipicamente os po liploides em especial os alopoliploides de seus progenitores e pode levar à especiação Figura 210 Genomas citoplasmáticos em plantas mitocôndrias e plastídios Em sua maioria os genomas organelares são encontrados em múltiplas cópias do genoma da mesma molécula de DNA A genética organelar não obedece às leis de Mendel mas ge ralmente mostra herança uniparental e segregação vegetativa Figura 211 Regulação transcricional da expressão gênica nuclear A expressão gênica é regulada em vários níveis transcricional póstranscricional e póstraducional Para genes que codificam proteínas a RNApolimerase II liga se à região promotora e requer fatores de transcrição gerais e outras proteínas reguladoras para iniciar a transcrição gênica Figuras 212 213 Modificações epigenéticas como a metilação do DNA e a meti lação e a acetilação de proteínas histonas ajudam a determinar a atividade dos genes Figura 214 Regulação póstranscricional da expressão gênica nuclear Proteínas de ligação ao RNA podem estabilizar o mRNA ou pro mover sua degradação A rota do RNA de interferência RNAi é uma resposta pós transcricional que leva ao silenciamento de transcritos específi cos MicroRNAs miRNAs auxiliam na regulação gênica RNAs de interferência curtos siRNAs ajudam a manter a heterocro matina transcricionalmente inativa ou atuam como um sistema molecular imunológico contra vírus Figuras 215217 Proteínas marcadas com um pequeno polipeptídeo chamado ubi quitina são alvo de destruição pelo proteassomo Figura 218 Ferramentas para o estudo da função gênica As ferramentas desenvolvidas para a aná lise da transcriç ã o de genes isolados incluem Northern blotting transcrição reversa ou reação em cadeia da polimerase quantitativa RTPCR ou qPCR e hibridizaç ã o in situ Taiz02indd 78 Taiz02indd 78 27102016 115520 27102016 115520 Capítulo 2 Estrutura do Genoma e Expressão Gênica 79 As tecnologias de microarranjos e RNAseq utilizam informação do sequenciamento de genomas para aná lise de alto rendimen to da expressã o gênica Figura 219 As fusões de genes repórteres contêm parte de um gene de interesse p ex o promotor fusionada com um gene repórter que codifica uma proteína que pode ser prontamente detecta da quando expressa Tais construções podem ser usadas para monitorar onde e quando um gene em particular está ativo Agrobacterium pode transformar cé lulas vegetais quando os genesalvo sã o transferidos do plasmí dio bacteriano chamado de plasmí dio de induç ã o de tumores Ti Figuras 220 221 Modificação genética de plantas cultivadas Diferentemente do melhoramento seletivo clá ssico a bioen genharia permite a transferê ncia de genes específicos entre espé cies que nã o podem ser cruzadas com sucesso ou entre espécies que se cruzam como um meio para uma transferên cia gênica mais precisa do que é possível pelo melhoramento tradicional Genes transferidos artificialmente podem conferir resistência a herbicidas ou a pragas de plantas ou promover melhora nu tricional MATERIAL DA INTERNET Tópico 21 Padrões de herança de genomas plasti diais Genomas de plastídios são herdados de forma não men deliana Tópico 22 Mapeamento por recombinação e clonagem gênica visão geral Clonagem com base em mapeamento pode ser usada para isolar genes envolvidos em um fenótipo de interesse Tópico 23 Etiquetamento de transpóson Mutagênese uti lizando elementos transponíveis é outra abordagem na identi ficação gênica Tópico 24 Tecnologia do microarranjo A tecnologia do microarranjo permite a medida em escala genômica da expres são gênica e outras características do genoma Tópico 25 Transformação por Agrobacterium Agrobacte rium um fitopatógeno que transforma naturalmente sua planta hospedeira tornouse uma ferramenta importante para a bio tecnologia Leituras sugeridas Allen J F 2003 The function of genomes in bioenergetic organelles Phil Trans R Soc B 358 1937 Bendich A 2013 DNA abandonment and the mechanisms of uniparental inheritance of mitochondria and chloroplasts Chromosome Res 21 287296 Birchler J A Gao Z Sharma A Presting G G and Han F 2011 Epigenetic aspects of centromere function in plants Curr Opin Plant Biol 14 217222 Chen X 2012 Small RNAs in developmentinsights from plants Curr Opin Genet Develop 22 361367 Chen Z J 2007 Genetic and epigenetic mechanisms for gene expression and phenotypic variation in plant polyploids Annu Rev Plant Biol Mol Biol 58 377406 Ghildiyal M and Zamore P D 2009 Small silencing RNAs an expanding universe Nat Rev Genet 10 94108 Gill N Hans C S and Jackson S 2008 An overview of plant chromosome structure Cytogenet Genome Res 120 194201 Grandont L Jenczewski E and Lloyd A 2013 Meiosis and its deviations in polyploid plants Cytogenet Genome Res 14017184 Jiao Y Wickett N J Ayyampalayam S Chanderbali A S Landherr L Ralph P E Tomsho L P Hu Y Liang H Soltis P S Soltis D E Clifton S W Schlarbaum S E Schuster S C Ma H LeebensMack J and dePamphilis C W 2011 Ancestral polyploidy in seed plants and angiosperms Nature 473 97100 Leitch A R and Leitch I J 2008 Genomic plasticity and the diversity of polyploid plants Science 320 481483 Liu C Lu F Cui X and Cao X 2010 Histone methylation in higher plants Annu Rev Plant Biol 61 395420 Madlung A and Wendel J F 2013 Genetic and epigenetic aspects of polyploid evolution in plants Cytogenet Genome Res 140 270285 Mogensen L 1996 The hows and whys of cytoplasmic inheritance in seed plants Am J Bot 83 383404 Parisod C Alix K Just J Petit M Sarilar V Mhiri C Ainouche M Chalhoub B and Grandbastien MA 2010 Impact of transposable elements on the organization and function of allopolyploid genomes New Phytol 186 3745 Taiz02indd 79 Taiz02indd 79 27102016 115520 27102016 115520 Taiz02indd 80 Taiz02indd 80 27102016 115520 27102016 115520 Esta página foi deixada em branco intencionalmente Transporte e Translocação de Água e Solutos UNIDADE I Taiz03indd 81 Taiz03indd 81 27102016 143139 27102016 143139 UNIDADE I Capítulo 3 Água e Células Vegetais Capítulo 4 Balanço Hídrico das Plantas Capítulo 5 Nutrição Mineral Capítulo 6 Transporte de Solutos Taiz03indd 82 Taiz03indd 82 27102016 143140 27102016 143140 3 Água e Células Vegetais A água desempenha um papel fundamental na vida da planta A fotos síntese exige que as plantas retirem dióxido de carbono da atmosfera e ao mesmo tempo as expõe à perda de água e à ameaça de desidratação Para impedir a dessecação das folhas a água deve ser absorvida pelas raízes e transportada ao longo do corpo da planta Mesmo pequenos desequilíbrios entre a absorção e o transporte de água e a perda desta para a atmosfera podem causar déficits hídricos e o funcionamento ineficiente de inúmeros pro cessos celulares Portanto equilibrar a absorção o transporte e a perda de água representa um importante desafio para as plantas terrestres Uma grande diferença entre células animais e vegetais e que tem um impacto imenso sobre suas respectivas relações hídricas é que as células vegetais têm paredes celulares As paredes celulares permitem às células ve getais desenvolverem enormes pressões hidrostáticas internas denominadas pressão de turgor A pressão de turgor é essencial para muitos processos fisiológicos incluindo expansão celular abertura estomática transporte no floema e vários processos de transporte através de membranas A pressão de turgor também contribui para a rigidez e a estabilidade mecânica de tecidos vegetais não lignificados Neste capítulo considerase de que forma a água se movimenta para dentro e para fora das células vegetais enfatizando as suas propriedades moleculares e as forças físicas que influenciam seu movi mento em nível celular A água na vida das plantas De todos os recursos de que as plantas necessitam para crescer e funcionar a água é o mais abundante e frequentemente o mais limitante A prática da irrigação de culturas reflete o fato de que a água é um recursochave que limita a produtividade agrícola Figura 31 A disponibilidade de água da mesma forma limita a produtividade de ecossistemas naturais Figura 32 levando a diferenças marcantes na vegetação ao longo de gradientes de precipitação A água com frequência é um recurso limitante para as plantas embo ra menos para os animais porque elas a utilizam em enormes quantidades A maior parte cerca de 97 da água absorvida pelas raízes é transportada pela planta e evaporada pelas superfícies foliares Essa perda de água deno minase transpiração Por outro lado apenas uma pequena quantidade da água absorvida pelas raízes realmente permanece na planta para suprir o cres cimento cerca de 2 ou para ser consumida nas reações bioquímicas da fotossíntese e em outros processos metabólicos cerca de 1 Taiz03indd 83 Taiz03indd 83 27102016 143140 27102016 143140 84 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos A perda de água para a atmosfera parece ser uma consequência inevitável da realização da fotossíntese em ambiente terrestre A absorção de CO2 está acoplada à perda de água por meio de uma rota difusional comum à medida que o CO2 se difunde para dentro das folhas o vapor de água difundese para fora Uma vez que o gra diente motor da perda de água pelas folhas é muito maior que o da absorção de CO2 cerca de 400 moléculas de água são perdidas para cada molécula de CO2 obtida Esse in tercâmbio desfavorável teve grande influência na evolução da forma e da função da planta e explica por que a água desempenha um papelchave na fisiologia vegetal Inicialmente será considerado como a estrutura da água origina algumas de suas propriedades físicas exclusi vas Após são examinadas as bases físicas do movimento da água o conceito de potencial hídrico e a aplicação desse conceito às relações hídricas celulares A estrutura e as propriedades da água A água tem propriedades especiais que lhe permitem atuar como um solvente de amplo espectro e ser prontamente transportada ao longo do corpo da planta Essas proprie dades derivam principalmente da capacidade de formar pontes de hidrogênio e da estrutura polar da molécula de água Nesta seção examinase como a formação de pontes de hidrogênio contribui para o alto calor específico a ten são superficial e a resistência à tensão da água A água é uma molécula polar que forma pontes de hidrogênio A molécula de água consiste em um átomo de oxigênio co valentemente ligado a dois átomos de hidrogênio Figura 33A Por ser mais eletronegativo do que o hidrogênio o oxigênio tende a atrair os elétrons da ligação covalente Essa atração resulta em uma carga parcial negativa na ex tremidade da molécula formada pelo oxigênio e em uma carga parcial positiva em cada hidrogênio tornando a água uma molécula polar Essas cargas parciais são iguais de modo que a molécula de água não possui carga líquida As moléculas de água apresentam forma tetraédrica Em dois pontos do tetraedro estão os átomos de hidrogê nio cada um com uma carga parcial positiva Os outros dois pontos do tetraedro contêm pares solitários de elé trons cada um com uma carga parcial negativa Portan to cada molécula de água tem dois polos positivos e dois polos negativos Essas cargas parciais opostas criam atra ções eletrostáticas entre as moléculas de água conhecidas como pontes de hidrogênio Figura 33B As pontes de hidrogênio recebem esse nome pelo fato de que pontes eletrostáticas efetivas são formadas unica mente quando átomos altamente eletronegativos como o oxigênio são ligados covalentemente ao hidrogênio A ra zão para isso é que o pequeno tamanho do átomo de hidro gênio permite às cargas parciais positivas serem mais con centradas e portanto mais eficazes na atração eletrostática As pontes de hidrogênio são responsáveis por muitas das propriedades físicas incomuns da água A água pode formar até quatro pontes de hidrogênio com as moléculas de água adjacentes resultando em interações intermole culares muito fortes As pontes de hidrogênio também podem se formar entre a água e outras moléculas que contenham átomos eletronegativos O ou N em especial quando estes são ligados covalentemente ao H A água é um excelente solvente A água dissolve quantidades maiores de uma variedade mais ampla de substâncias que outros solventes correlatos Sua versatilidade como solvente se deve em parte ao pe queno tamanho da sua molécula Entretanto é sua capaci dade de formar pontes de hidrogênio e sua estrutura polar 100 0 200 300 400 1 0 2 3 4 5 6 Água utilizada pelas culturas mm Produtividade das culturas toneladas ha1 Cevada 1976 Trigo 1979 Figura 31 Produtividade de grãos em função da água utilizada em uma gama de tratamentos de irrigação para cevada em 1976 e trigo em 1979 no sudeste da Inglaterra De Jones 1992 dados de Day et al 1978 e Innes Blackwell 1981 05 10 15 20 500 1000 1500 0 Produtividade g seca m2 ano1 Precipitação anual m Figura 32 Produtividade de vários ecossistemas em função da precipitação anual A produtividade foi estimada pelo acúmulo lí quido de matéria orgânica acima do solo durante o crescimento e a reprodução De Whittaker 1970 Taiz03indd 84 Taiz03indd 84 27102016 143141 27102016 143141 Capítulo 3 Água e Células Vegetais 85 que a tornam um solvente particularmente bom para subs tâncias iônicas e para moléculas como açúcares e proteínas que contêm grupos polares OH ou grupos NH2 As pontes de hidrogênio entre moléculas de água e íons e entre água e solutos polares reduzem efetivamen te a interação eletrostática entre substâncias carregadas e desse modo aumentam sua solubilidade De modo simi lar as pontes de hidrogênio entre macromoléculas como proteínas e ácidos nucleicos reduzem as interações entre elas auxiliando portanto a mantêlas em solução A água tem propriedades térmicas características em relação a seu tamanho As numerosas pontes de hidrogênio entre as moléculas de água fazem com que ela tenha um alto calor específico e um alto calor latente de vaporização Calor específico é a energia calorífica exigida para au mentar a temperatura de uma substância em uma quan tidade definida Temperatura é uma medida da energia cinética molecular energia de movimento Quando a temperatura da água é aumentada as moléculas vibram mais rapidamente e com maior amplitude As pontes de hidrogênio agem como tiras de borracha que absorvem uma parte da energia do calor aplicado deixando menos energia disponível para aumentar o movimento Assim comparada com outros líquidos a água requer uma adição de calor relativamente grande para aumentar sua tempe ratura Isso é importante para as plantas porque ajuda a estabilizar as flutuações de temperatura O calor latente de vaporização é a energia necessária para separar as moléculas da fase líquida e movêlas para a fase gasosa um processo que ocorre durante a transpira ção O calor latente de vaporização diminui à medida que a temperatura aumenta atingindo seu mínimo no ponto de ebulição 100C Para água a 25oC o calor de vaporização é de 44 kJ mol1 o valor mais alto conhecido para líquidos A maior parte dessa energia é utilizada para clivar as pon tes de hidrogênio entre as moléculas de água O calor latente não altera a temperatura das moléculas de água que evaporaram mas ele resfria a superfície da qual a água evaporou Assim o alto calor latente de va porização da água serve para moderar a temperatura das folhas transpirantes a qual de outra maneira aumentaria devido ao aporte de energia radiante proveniente do sol As moléculas de água são altamente coesivas As moléculas de água na interface arágua são atraídas pelas moléculas de água vizinhas por pontes de hidrogê nio e essa interação é muito mais forte do que qualquer interação com a fase gasosa adjacente Como consequên cia a configuração de menor energia ie a mais estável é aquela que minimiza a área de superfície da interface ar água Para aumentar a área de superfície dessa interface pontes de hidrogênio precisam ser rompidas o que requer um acréscimo de energia A energia necessária para au mentar a área de superfície de uma interface gáslíquido é conhecida como tensão superficial A tensão superficial pode ser expressa em unidades de energia por área J m2 mas geralmente é expressa nas unidades equivalentes porém menos intuitivas de força por comprimento J m2 N m1 Um joule J é a unidade de energia do SI com unidades de força x distância N m um newton N é a unidade de força do SI com unidades de massa x aceleração kg m s2 Se a interface arágua é curvada a tensão superficial produz uma força líquida per pendicular à superfície Figura 34 Conforme será visto mais adiante a tensão superficial e a adesão definida a seguir nas superfícies de evaporação nas folhas geram as forças físicas que puxam a água ao longo do sistema vas cular das plantas A grande formação de pontes de hidrogênio na água também dá origem à propriedade conhecida como coesão a atração mútua entre moléculas Uma propriedade rela cionada denominada adesão é a atração da água a uma fase sólida como uma parede celular ou a superfície de um vidro mais uma vez devido fundamentalmente à formação de pontes de hidrogênio O grau de atração da água à fase sólida em comparação com o grau de atração a si mesma pode ser quantificado pela medição do ângulo de contato Figura 35A O ângulo de contato descreve a forma da interface arágua e portanto o efeito que a ten são superficial tem sobre a pressão no líquido Coesão adesão e tensão superficial originam um fe nômeno conhecido como capilaridade Figura 35B Con sidere um tubo capilar de vidro com paredes molháveis orientado verticalmente ângulo de contato 90 Em equilíbrio o nível da água no capilar será maior do que Ponte de hidrogênio Duas moléculas de água O O H H H H δ δ δ δ δ δ B A δ δ δ δ O H H Pares solitários Pares de elétrons compartilhados Figura 33 Estrutura da molécula de água A A forte eletrone gatividade do átomo de oxigênio significa que os dois elétrons que formam a ligação covalente com o hidrogênio são compartilhados desigualmente de modo que cada átomo de hidrogênio tem uma carga parcial positiva Cada um dos dois pares solitários de elétrons do átomo de oxigênio produz uma carga parcial negativa B As cargas parciais opostas δ e δ na molécula de água levam à forma ção de pontes de hidrogênio intermoleculares com outras molécu las de água O oxigênio tem seis elétrons nos orbitais externos cada hidrogênio tem um Taiz03indd 85 Taiz03indd 85 27102016 143141 27102016 143141 86 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos aquele do suprimento de água em sua base A água é pu xada para dentro do capilar devido 1 à atração da água para a superfície polar do tubo de vidro adesão e 2 à tensão superficial da água Juntas adesão e tensão super ficial puxam as moléculas de água fazendoas subirem pelo tubo até que a força de ascensão seja equilibrada pelo peso da coluna de água Quanto mais estreito o tubo mais alto o nível da água em equilíbrio Para cálculos relaciona dos à capilaridade ver Tópico 31 na internet A água tem uma grande resistência à tensão As pontes de hidrogênio proporcionam à água uma gran de resistência à tensão definida como a força máxima por unidade de área que uma coluna de água pode su portar antes de se romper Geralmente não se pensa em líquidos como tendo resistência à tensão entretanto tal propriedade é evidente na elevação de uma coluna de água em um tubo capilar Podese demonstrar a resistência à tensão da água colocandoa em uma seringa de vidro limpa Figura 36 Quando o êmbolo é empurrado a água é comprimida e desenvolvese uma pressão hidrostática positiva A pressão é medida em unidades denominadas pascais Pa ou mais convenientemente megapascais MPa Um MPa equivale a cerca de 99 atmosferas A pressão equivale à força por unidade de área 1 Pa 1 N m2 e à energia por unidade de volume 1 Pa 1 J m3 A Tabela 31 compara unidades de pressão Se em vez de empurrado o êmbolo for puxado de senvolvese uma tensão ou pressão hidrostática negativa porque as moléculas de água resistem a serem separadas Pressões negativas desenvolvemse apenas quando as mo léculas são capazes de tracionar umas às outras As fortes pontes de hidrogênio entre as moléculas de água permitem que as tensões sejam transmitidas através da água mesmo Gás Tensão superficial de diversos líquidos a 20 oC Nm Gelatina 1 Etanol Fenol Água 00083 00228 00409 00728 H2O Força resultante Figura 34 Uma bolha de gás suspensa dentro de um líquido assume a forma esférica de modo que sua área de superfície é mi nimizada Devido ao fato de a tensão superficial atuar tangencial mente em relação à interface gáslíquido a força líquida resultante será direcionada para o centro levando à compressão da bolha A magnitude da pressão forçaárea exercida pela interface é igual a 2Tr em que T é a tensão superficial do líquido Nm e r é o raio da bolha m A água tem uma tensão superficial extremamente alta comparada a outros líquidos à mesma temperatura Figura 35 A A forma de uma gotícula colocada sobre uma su perfície sólida reflete a atração relativa do líquido em relação ao sóli do e em relação a si mesmo O ângulo de contato θ definido como o ângulo entre a superfície sólida passando pelo líquido e a interface gáslíquido é usado para descrever essa interação Superfícies mo lháveis têm ângulos de contato menores que 90o uma superfície como água em vidro limpo ou em paredes celulares primárias alta mente molhável ie hidrofílica tem um ângulo de contato próximo a 0o A água expandese formando uma fina película em superfícies altamente molháveis Em contraste superfícies não molháveis ie hidrofóbicas têm ângulos de contato maiores que 90 A água for ma gotas nessas superfícies B A capilaridade pode ser observada quando um líquido é fornecido à base de tubos capilares orientados verticalmente Se as paredes são altamente molháveis p ex água sobre um vidro limpo a força resultante será para cima A coluna de água subirá até que a força ascendente seja equilibrada pelo peso da coluna de água Por outro lado se o líquido não molhar as pare des p ex Hg em vidro limpo tem um ângulo de contato de cerca de 140o o menisco se curvará para baixo e a força resultante da tensão superficial abaixa o nível do líquido no tubo θ 90 θ 90 Molhável substrato hidrofílico θ 0 Substrato hidrofóbico H2O H2O Hg H2O A B Força de tensão superficial Força resultante Gravidade θ 140 Taiz03indd 86 Taiz03indd 86 27102016 143141 27102016 143141 Capítulo 3 Água e Células Vegetais 87 ela sendo um líquido Por outro lado os gases não podem desenvolver pressões negativas porque as interações entre suas moléculas estão limitadas às colisões elásticas Quão forte se deve puxar o êmbolo antes que as mo léculas de água se separem umas das outras e a coluna de água se rompa Estudos meticulosos demonstraram que a água pode resistir a tensões maiores do que 20 MPa A coluna de água na seringa ver Figura 36 entretanto não pode suportar grandes tensões devido à presença de bolhas de gás microscópicas Uma vez que as bolhas de gás podem se expandir elas interferem na capacidade da água na seringa de resistir à tração exercida pelo êmbolo A expansão das bolhas de gás devido à tensão no líquido circundante é conhecida como cavitação Como será visto no Capítulo 4 a cavitação pode ter um efeito devastador sobre o transporte de água ao longo do xilema Difusão e osmose Os processos celulares dependem do transporte de mo léculas tanto para dentro da célula como para fora dela A difusão é o movimento espontâneo de substâncias de regiões de concentração mais alta para regiões de concen tração mais baixa Na escala celular a difusão é o modo de transporte dominante A difusão de água por meio de uma barreira seletivamente permeável é referida como osmose Nesta seção é examinado como o processo de difu são e osmose conduz ao movimento líquido tanto de água como de solutos Difusão é o movimento líquido de moléculas por agitação térmica aleatória As moléculas em uma solução não são estáticas elas estão em contínuo movimento colidindo umas com as outras e trocando energia cinética A trajetória de uma molécu la após uma colisão é considerada uma variável aleatória Contudo esses movimentos aleatórios podem resultar em um movimento líquido de moléculas Considere um plano imaginário dividindo uma solu ção em dois volumes iguais A e B Como todas as mo léculas estão sob movimento aleatório em cada intervalo de tempo há determinada probabilidade de que qualquer molécula de determinado soluto atravesse esse plano ima ginário O número esperado de travessia de A para B em qualquer intervalo determinado de tempo será proporcio nal ao número no início do intervalo de tempo no lado A e o número de travessia de B para A será proporcional ao número começando no lado B Se a concentração inicial no lado A for maior do que no lado B será esperado que mais moléculas de soluto atraves sem de A para B do que de B para A e será observado um movimento líquido de solutos de A para B Assim a difusão resulta em um movimento líquido de moléculas de regiões de alta concentração para regiões de baixa concentração mesmo que cada molécula esteja se movendo em uma dire ção aleatória O movimento independente de cada molécula explica por que o sistema irá evoluir em direção a um nú mero igual de moléculas em cada lado A e B Figura 37 Essa tendência de um sistema a evoluir em direção a uma distribuição uniforme de moléculas pode ser enten dida como uma consequência da segunda lei da termodi nâmica que afirma que processos espontâneos evoluem na direção do aumento da entropia ou desordem Aumen tar a entropia é sinônimo de reduzir a energia livre Assim a difusão representa a tendência natural dos sistemas a se deslocarem em direção ao mais baixo estado de energia possível Adolf Fick foi quem primeiro percebeu na década de 1850 que a taxa de difusão é diretamente proporcional ao gradiente de concentração ΔcsΔx ou seja à diferença na Tampa Força Água Êmbolo Bolha de ar Ar Ar Puxando Empurrando Figura 36 Uma seringa lacrada pode ser usada para criar pres sões positivas e negativas em fluidos como a água Empurrar o êmbolo ocasiona no fluido o desenvolvimento de uma pressão hi drostática positiva setas brancas que age na mesma direção que a força para dentro resultante da tensão superficial da interface gás líquido setas pretas Assim uma pequena bolha de ar aprisionada dentro da seringa irá encolher à medida que a pressão aumenta Puxar o êmbolo causa no fluido o desenvolvimento de uma tensão ou pressão negativa Bolhas de ar na seringa irão se expandir se a força direcionada para fora exercida pelo fluido sobre a bolha setas brancas exceder a força para dentro resultante da tensão superfi cial da interface gáslíquido setas pretas TABELA 31 Comparação de unidades de pressão 1 atmosfera 147 libras por polegada quadrada 760 mmHg ao nível do mar 45 latitude 1013 bar 01013 MPa 1013 105 Pa Um pneu de carro geralmente é inflado a cerca de 02 MPa A pressão da água em encanamentos domésticos em geral é de 0203 MPa A pressão da água a 10 m 30 pés de profundidade é de aproximadamente 01 MPa Taiz03indd 87 Taiz03indd 87 27102016 143141 27102016 143141 88 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos concentração da substância s Δcs entre dois pontos sepa rados por uma distância bem pequena Δx Em símbolos representamos essa relação como a primeira lei de Fick Js Ds cs x 31 A taxa de transporte expressa como densidade de fluxo Js é a quantidade da substância s que atravessa uma unidade de área de uma secção transversal por unidade de tempo p ex Js pode ter unidades de moles por metro quadrado por segundo mol m2 s1 O coeficiente de difusão Ds é uma constante de proporcionalidade que mede quão facilmente a substância s se move por determinado meio O coeficiente de difusão é uma característica da substância moléculas maio res têm menores coeficientes de difusão e depende tanto do meio p ex a difusão no ar em geral é 10 mil vezes mais rápida que a difusão em um líquido como da temperatura as substâncias difundemse mais rapidamente em tempe raturas mais altas O sinal negativo na equação indica que o fluxo ocorre a favor do gradiente de concentração A primeira lei de Fick diz que uma substância terá di fusão mais rápida quando o gradiente de concentração se tornar mais acentuado Δcs é grande ou quando o coefi ciente de difusão for aumentado Observe que essa equa ção contabiliza apenas o movimento em resposta a um gradiente de concentração e não movimentos em resposta a outras forças p ex pressão campos elétricos e assim por diante A difusão é mais eficaz para curtas distâncias Considere uma massa de moléculas de soluto inicialmente concentradas em torno de uma posição x 0 Figu ra 38A Como as moléculas estão sob movimento aleatório a frente de con centração movese para longe da posi ção inicial conforme mostrado para um momento posterior na Figura 38B Comparando a distribuição dos solutos nos dois momentos observase que à medida que a substância se di funde para longe do ponto de origem o gradiente de concentração tornase me nor Δcs diminui ou seja o número de moléculas de soluto que recuam ie em direção a x 0 em relação àquelas que avançam afastamse de x 0 aumenta e com isso o movimento lí quido tornase mais lento Observe que a posição média das moléculas do so luto permanece em x 0 durante todo o tempo mas que a distribuição lenta mente se achata Como consequência direta do fato de que cada molécula está submetida a sua própria trajetória casual e portanto tem igual probabi lidade de avançar em direção a algum ponto de interesse ou em uma direção distante deste o tempo médio necessário para uma partícula difundirse por uma distância L cresce segundo L2Ds Em outras palavras o tempo médio reque rido para uma substância se difundir a certa distância au menta com o quadrado daquela distância O coeficiente de difusão para a glicose em água é de cerca de 109 m2 s1 Assim o tempo médio necessário para uma molécula de glicose se difundir através de uma célu la com diâmetro de 50 m é de 25 s Entretanto o tempo médio requerido pela mesma molécula de glicose para se difundir por uma distância de 1 m na água é de cerca de 32 anos Esses valores mostram que a difusão em soluções pode ser eficaz dentro de dimensões celulares mas é de masiado lenta para ter eficácia por longas distâncias Para cálculos adicionais de tempos de difusão ver Tópico 32 na internet A osmose descreve o movimento líquido da água através de uma barreira seletivamente permeável As membranas das células vegetais são seletivamente permeáveis ou seja elas permitem que a água e outras substâncias pequenas sem carga movamse através delas mais rapidamente que solutos maiores e substâncias com carga Se a concentração de solutos é maior dentro da cé Inicial Intermediário Equilíbrio Concentração Posição no recipiente Perfis de concentração Figura 37 O movimento térmico de moléculas leva à difusão a mistura gradual de moléculas e consequente dissipação de diferenças de concentração Inicialmente dois ma teriais contendo moléculas diferentes são postos em contato Esses materiais podem ser sólidos líquidos ou gasosos A difusão mais rápida ocorre em gases sendo mais lenta em líquidos e mais lenta ainda em sólidos A separação inicial das moléculas é visualizada gra ficamente nos painéis superiores e os perfis de concentração correspondentes são mostra dos nos inferiores em função da posição A cor roxa indica uma sobreposição nos perfis de concentração dos solutos vermelho e azul Com o tempo a mistura e a aleatorização das moléculas diminuem o movimento líquido Na situação de equilíbrio os dois tipos de moléculas estão aleatoriamente uniformemente distribuídos Observe que em todos os pontos e tempos a concentração total de solutos ie ambos os solutos vermelho e azul permanece constante Taiz03indd 88 Taiz03indd 88 27102016 143141 27102016 143141 Capítulo 3 Água e Células Vegetais 89 lula do que na solução que a envolve a água irá se difundir para o interior da célula porém os solutos são incapazes de se difundir para fora dela O movimento resultante da água através de uma barreira seletivamente permeável é denominado osmose Foi visto anteriormente que a tendência de todo o siste ma em direção à entropia crescente resulta na dispersão de solutos ao longo do volume completo disponível Na osmo se o volume disponível ao movimento do soluto é restringi do pela membrana e portanto a maximização da entropia é realizada pelo volume do solvente difundindose através da membrana para diluir os solutos De fato na ausência de qualquer força que contrabalance toda a água disponível irá fluir para o lado da membrana contendo o soluto Imagine o que acontece quando se coloca uma célula viva em um béquer com água pura A presença de uma membrana seletivamente permeável significa que o movi mento resultante da água irá continuar até que uma entre duas coisas aconteça 1 a célula irá expandirse até que a membrana seletivamente permeável se rompa permitindo que os solutos se difundam livremente ou 2 a expansão do volume da célula será restringida mecanicamente pela presença de uma parede celular de modo que a força que governa a entrada da água na célula será contrabalançada pela pressão exercida pela parede celular O primeiro cenário descreve o que aconteceria a uma célula animal à qual falta a parede celular O segundo ce nário é relevante para as células vegetais A parede celular é muito resistente A resistência das paredes celulares à defor mação origina uma força para dentro que aumenta a pressão hidrostática no interior da célula A palavra osmose deriva da palavra grega para empurrar ela é uma expressão da pressão positiva gerada quando os solutos são confinados Em seguida será visto como a osmose regula o mo vimento de água para dentro e para fora das células vege tais Primeiramente no entanto será discutido o conceito de uma força propulsora composta ou total que represen ta o gradiente de energia livre da água Potencial hídrico Todos os seres vivos incluindo as plantas requerem uma adição contínua de energia livre para manterem e repara rem suas estruturas altamente organizadas assim como para crescerem e se reproduzirem Processos como reações bioquímicas acúmulo de solutos e transporte por longa distância são movidos por um aporte de energia livre na planta Para uma discussão detalhada do conceito termo dinâmico de energia livre ver Apêndice 1 na internet Nesta seção examinase como a concentração a pressão e a gravidade influenciam a energia livre O potencial químico da água representa o status de sua energia livre Potencial químico é uma expressão quantitativa da ener gia livre associada a uma substância Em termodinâmi ca energia livre representa o potencial para realizar tra balho força distância A unidade do potencial químico é energia por mol da substância J mol1 Observe que o potencial químico é uma grandeza relativa representa a diferença entre o potencial de uma substância em deter minado estado e o potencial da mesma substância em um estadopadrão O potencial químico da água representa a energia livre associada à água A água flui espontaneamente ou seja sem adição de energia de regiões de maior potencial quí mico para outras de menor potencial químico Historicamente os fisiologistas vegetais têm usado um parâmetro relacionado denominado potencial hídrico de finido como o potencial químico da água dividido por seu volume molal parcial o volume de 1 mol de água 18 106 m3 mol1 Portanto o potencial hídrico é uma medida da energia livre da água por unidade de volume J m3 Essas unidades são equivalentes a unidades de pressão como o pascal que é a unidade de medida comum para potencial hídrico O importante conceito de potencial hídrico será considerado mais detalhadamente a seguir Figura 38 Representação gráfica do gradiente de concentração de um soluto que se difunde de acordo com a primeira lei de Fick As moléculas de soluto foram inicialmente colocadas no plano indicado no eixo x 0 A Distribuição das moléculas de soluto logo após o posicionamento no plano de origem Observe que a concentra ção cai abruptamente à medida que a distância da origem x aumenta B Distribuição do soluto em um momen to posterior A distância média das mo léculas em difusão em relação à origem aumentou e a inclinação do gradiente tornouse bem menos acentuada De Nobel 1999 0 Concentração 0 B Distância Δx Distância Δx A Tempo Δcs Δcs Taiz03indd 89 Taiz03indd 89 27102016 143141 27102016 143141 90 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos Três fatores principais contribuem para o potencial hídrico celular Os principais fatores que influenciam o potencial hídri co em plantas são concentração pressão e gravidade O po tencial hídrico é simbolizado por Ψ a letra grega psi O potencial hídrico de soluções pode ser dividido em com ponentes individuais sendo normalmente escrito pelo se guinte somatório Ψ Ψs Ψp Ψg 32 Os termos Ψs Ψp e Ψg expressam os efeitos de solutos pressão e gravidade respectivamente sobre a energia li vre da água Convenções alternativas para expressar os componentes do potencial hídrico são discutidas no Tópi co 33 na internet Níveis energéticos precisam ser defi nidos em relação a um referencial análogo a como as cur vas de nível em um mapa especificam a distância acima do nível do mar O estado de referência mais utilizado para definir potencial hídrico é água pura sob temperatura am biente e pressão atmosférica padrão A altura de referência em geral é estabelecida ou na base da planta para estudos de plantas inteiras ou no nível do tecido sob exame para estudos de movimento de água em nível celular A seguir são considerados os termos do lado direito da Equação 32 SOLUTOS O termo Ψs denominado potencial de soluto ou potencial osmótico representa o efeito de solutos dissol vidos sobre o potencial hídrico Os solutos reduzem a ener gia livre da água por diluição desta Isso é essencialmente um efeito de entropia ou seja a mistura de solutos e água aumenta a desordem ou entropia do sistema e desse modo reduz a energia livre Isso significa que o potencial osmótico é independente da natureza específica do soluto Para soluções di luídas de substâncias indissociáveis como a sacarose o po tencial osmótico pode ser estimado aproximadamente por Ψs RTcs 33 em que R é a constante dos gases 832 J mol1 K1 T é a temperatura absoluta em graus Kelvin ou K e cs é a con centração de solutos da solução expressa como osmolari dade moles de solutos totais dissolvidos por litro de água mol L1 O sinal negativo indica que os solutos dissolvi dos reduzem o potencial hídrico da solução em relação ao estado de referência da água pura A Equação 33 é válida para soluções ideais Solu ções reais com frequência se desviam das ideais em espe cial em altas concentrações por exemplo maiores que 01 mol L1 A temperatura também afeta o potencial hídrico ver Tópico 34 na internet Ao se tratar de potencial hí drico assumese que se está lidando com soluções ideais PRESSÃO O termo Ψp denominado potencial de pressão representa o efeito da pressão hidrostática sobre a energia livre da água Pressões positivas aumentam o potencial hídrico pressões negativas reduzemno Tanto pressões positivas como negativas ocorrem em plantas A pressão hidrostática positiva dentro das células referese à pressão de turgor Pressões hidrostáticas negativas que frequentemente se desenvolvem nos condutos do xilema são referidas como tensão Conforme será visto a tensão é importante no movimento de água de longa distância através da planta A questão referente a se pressões nega tivas podem ocorrer em células vivas é discutida no Tópico 35 na internet A pressão hidrostática com frequência é medida como o desvio da pressão atmosférica Lembre que a água em seu estado de referência está à pressão atmosférica de modo que de acordo com essa definição Ψp 0 MPa para água no estadopadrão Assim o valor de Ψp para água pura em um béquer aberto é de 0 MPa embora sua pressão absoluta seja de cerca de 01 MPa 1 atmosfera GRAVIDADE A gravidade faz a água moverse para bai xo a não ser que uma força igual e oposta se oponha à for ça da gravidade O potencial gravitacional Ψg depende da altura h da água acima do estado de referência dela da densidade da água ρw e da aceleração da gravidade g Em símbolos escrevese Ψg ρwgh 34 em que ρwg tem um valor de 001 MPa m1 Assim elevar a água a uma altura de 10 m se traduz em um aumento de 01 MPa no potencial hídrico O componente gravitacional Ψg costuma ser omitido em considerações do transporte de água ao nível celular porque diferenças nesse componente entre células vizi nhas são desprezíveis se comparadas às diferenças no po tencial osmótico e no potencial de pressão Portanto nes ses casos a Equação 32 pode ser simplificada como segue Ψ Ψs Ψp 35 Potenciais hídricos podem ser medidos Crescimento celular fotossíntese e produtividade de cul turas vegetais são fortemente influenciados pelo poten cial hídrico e seus componentes Assim os botânicos têm despendido considerável esforço no desenvolvimento de métodos acurados e confiáveis para a avaliação do status hídrico das plantas As principais abordagens para determinar o Ψ usam os psicrômetros os quais são de dois tipos ou a câmara de pressão Os psicrômetros tiram proveito do grande calor latente de vaporização da água o que permite acuradas medições de 1 pressão de vapor da água em equilíbrio com a amostra ou 2 transferência de vapor de água entre a amostra e uma amostra de Ψs conhecido A câmara de pressão mede o Ψ pela aplicação da pressão externa de um gás em uma folha excisada até que água seja forçada a sair das células vivas Em algumas células é possível medir Ψp diretamente inserindose um microcapilar preenchido de líquido que é ligado a um sensor de pressão dentro da célula Em outros casos Ψp é estimado pela diferença entre Ψ e Ψs Concen trações de solutos Ψs podem ser determinadas utilizan Taiz03indd 90 Taiz03indd 90 27102016 143141 27102016 143141 Capítulo 3 Água e Células Vegetais 91 dose uma variedade de métodos incluindo psicrômetros e instrumentos que medem a redução do ponto de conge lamento Uma explicação detalhada dos instrumentos que têm sido usados para medir Ψ Ψs e Ψp pode ser encontrada no Tópico 36 na internet Nas discussões sobre água em solos secos e tecidos vegetais com conteúdos hídricos muito baixos como se mentes com frequência se encontra referência ao poten cial mátrico Ψm Sob essas condições a água ocorre como uma película muito delgada talvez com uma ou duas mo léculas de espessura ligada a superfícies sólidas por inte rações eletrostáticas Essas interações não são facilmente separadas em seus efeitos sobre Ψs e Ψp sendo às vezes combinadas em um único termo Ψm O potencial mátrico é discutido no Tópico 37 na internet Potencial hídrico das células vegetais As células vegetais em geral têm potenciais hídricos de 0 MPa ou menos Um valor negativo indica que a energia livre da água dentro da célula é menor do que a da água pura à temperatura ambiente pressão atmosférica e mes ma altura À medida que o potencial hídrico da solução circundante da célula muda a água entra na célula ou a deixa por osmose Nesta seção ilustrase o comporta mento osmótico da água em células vegetais com alguns exemplos numéricos A água entra na célula ao longo de um gradiente de potencial hídrico Primeiro imagine um béquer aberto cheio de água pura a 20C Figura 39A Uma vez que a água está em contato com a atmosfera o potencial de pressão da água é igual à pressão atmosférica Ψp 0 MPa Não há solutos na água de modo que Ψs 0 MPa Finalmente uma vez que o foco aqui são os processos de transporte que ocorrem dentro do béquer a altura de referência é definida como igual ao nível do béquer e portanto Ψg 0 MPa Logo o potencial hídrico é 0 MPa Ψ Ψs Ψp Agora imagine dissolver sacarose na água até uma concentração de 01 M Figura 39B Essa adição diminui o potencial osmótico Ψs para 0244 MPa e reduz o po tencial hídrico Ψ para 0244 MPa A seguir considere uma célula vegetal flácida ie uma célula sem pressão de turgor com uma concentra ção interna total de solutos de 03 M Figura 39C Essa concentração de soluto gera um potencial osmótico Ψs de 0732 MPa Uma vez que a célula está flácida a pressão interna é igual à pressão atmosférica de modo que o po tencial de pressão Ψp é 0 MPa e o potencial hídrico da célula é 0732 MPa O que acontece se essa célula for colocada em um bé quer contendo 01 M de sacarose ver Figura 39C Por ser o potencial hídrico da solução de sacarose Ψ 0244 MPa ver Figura 39B maior menos negativo do que o potencial hídrico da célula Ψ 0732 MPa a água vai moverse da solução de sacarose para a célula de um po tencial hídrico alto para um baixo À medida que a água entra na célula a membrana plasmática começa a pressionar a parede celular A parede estendese um pouco mas também resiste à deformação empurrando a célula de volta Isso aumenta o potencial de pressão Ψp celular Consequentemente o potencial hídri co da célula Ψ aumenta e a diferença entre os potenciais hídricos interno e externo ΔΨ é reduzida Por fim o Ψp da célula aumenta o suficiente para ele var o Ψ da célula ao mesmo valor do Ψ da solução de saca rose Nesse ponto o equilíbrio é atingido ΔΨ 0 MPa e o transporte líquido de água cessa A Água pura B Solução contendo 01 M de sacarose C Célula flácida colocada na solução de sacarose Ψp 0 MPa Ψs 0 MPa Ψ Ψp Ψs 0 MPa Água pura Ψp 0 MPa Ψs 0244 MPa Ψ Ψp Ψs 0 0244 MPa 0244 MPa Solução de 01 M de sacarose Ψp 0 MPa Ψs 0732 MPa Ψ 0732 MPa Célula flácida Célula após equilíbrio Ψ 0244 MPa Ψs 0636 MPa Ψp Ψ Ψs 0392 MPa Figura 39 Gradientes de potencial hídrico podem causar a en trada de água em uma célula A Água pura B Uma solução con tendo 01 M de sacarose C Uma célula flácida em ar é mergulha da em uma solução de 01 M de sacarose Uma vez que o potencial hídrico inicial da célula é menor do que o potencial hídrico da solu ção a célula absorve água Após o equilíbrio o potencial hídrico da célula igualase ao potencial hídrico da solução e o resultado é uma célula com uma pressão de turgor positiva Taiz03indd 91 Taiz03indd 91 27102016 143141 27102016 143141 92 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos Em equilíbrio o potencial hídrico é igual nos dois lo cais Ψcélula Ψsolução Como o volume do béquer é muito maior que o da célula a minúscula quantidade de água absorvida pela célula não afeta significativamente a con centração de soluto da solução de sacarose Por isso Ψs Ψp e Ψ da solução de sacarose não são alterados Portanto em equilíbrio Ψcélula Ψsolução 0244 MPa O cálculo do Ψp e do Ψs celular requer o conhecimento da variação no volume celular Neste exemplo admitese que se sabe que o volume celular aumentou em 15 de tal modo que o volume da célula túrgida é 115 vez aquele da célula flácida Admitindose que o número de solutos no interior da célula permanece constante à medida que ela se hidrata a concentração final de solutos será diluída em 15 O novo Ψs pode ser calculado dividindose o Ψs ini cial pelo aumento relativo no tamanho da célula hidratada Ψs 0732115 0636 MPa Podese então calcular o potencial de pressão da célula rearranjando a Equação 35 conforme segue Ψp Ψ Ψs 0244 0636 0392 MPa ver Figura 39C A água também pode sair da célula em resposta a um gradiente de potencial hídrico A água também pode sair da célula por osmose Se agora a célula vegetal da solução de 01 M de sacarose for re movida e colocada em uma solução de 03 M de sacarose Figura 310A o Ψsolução 0732 MPa será mais negativo que o Ψcélula 0244 MPa e a água vai se mover da célula túrgida para a solução Figura 310 Gradientes de potencial hídrico podem causar a saída de água de uma célula A O aumento da concentração de sacarose na solução faz a célula perder água A concentração de sacarose aumentada baixa o potencial hídrico da solução retira água da célula reduzindo portanto a pressão de turgor celular No caso o protoplasto afastase da parede celular ie a célula plasmolisa pois moléculas de sacarose são capazes de passar pelos poros relativamente grandes das paredes celulares Quan do isso ocorre a diferença de potencial hídrico entre o citoplas ma e a solução ocorre inteiramente ao longo da membrana plas mática e assim o protoplasto contraise independentemente da parede celular Por outro lado quando uma célula desidrata no ar p ex como a célula flácida na Figura 39C a plasmóli se não ocorre Assim a célula citoplasma parede contraise como um todo resultando na deformação mecânica da parede à medida que a célula perde volume B Outra maneira de fazer a célula perder água é comprimila lentamente entre duas pla cas Nesse caso metade da água celular é removida de modo que o potencial osmótico aumenta por um fator de 2 Solução de 01 M de sacarose A Concentração de sacarose aumentada B Pressão aplicada à célula A pressão aplicada comprime metade da água duplicando assim Ψs de 0636 para 1272 MPa Ψ 0244 MPa Ψs 0636 MPa Ψp 0392 MPa Célula túrgida Parede celular Membrana plasmática Vacúolo Citosol Núcleo Ψ 0732 MPa Ψs 0732 MPa Ψp Ψ Ψs 0 MPa Célula após equilíbrio Ψp 0 MPa Ψs 0732 MPa Ψ 0732 MPa Solução de 03 M de sacarose Ψ 0244 MPa Ψs 0636 MPa Ψp Ψ Ψs 0392 MPa Célula no estado inicial Ψ 0244 MPa Ψs 1272 MPa Ψp Ψ Ψs 1028 MPa Célula no estado final À medida que a água sai da célula o volume celular decresce À medida que o volume celular diminui Ψp e Ψ celulares diminuem até que Ψcélula Ψsolução 0732 MPa Como antes assumese que o número de solutos dentro da célula permanece constante à medida que a água flui para fora dela Sabendose que o volume diminui em 15 a concentração de solutos aumentará em 15 Desse modo podese calcular o novo Ψs multiplicandose o Ψs inicial pela quantidade relativa em que o volume celular foi redu zido Ψs 0636 115 0732 MPa Isso permite que se calcule que o Ψp 0 MPa usando a Equação 35 Se em vez de ser colocada na solução de 03 M de sa carose a célula túrgida for deixada na solução de 01 M e lentamente comprimida entre duas placas Figura 310B o Ψp celular será efetivamente aumentado elevando as sim o Ψ celular e criando um ΔΨ de modo que a água agora flui para fora da célula Isso é análogo ao processo industrial de osmose reversa no qual uma pressão apli cada externamente é usada para separar a água de solu tos dissolvidos forçando sua passagem por uma barreira semipermeável Se a compressão continuar até que meta de da água da célula seja removida e depois se mantiver a célula nessa condição ela atingirá um novo equilíbrio Como no exemplo anterior em equilíbrio ΔΨ 0 MPa e a quantidade de água adicionada à solução externa é tão pequena que pode ser ignorada A célula retornará então ao valor de Ψ que tinha antes do procedimento de com pressão No entanto os componentes do Ψ celular serão bem diferentes Taiz03indd 92 Taiz03indd 92 27102016 143141 27102016 143141 Capítulo 3 Água e Células Vegetais 93 Uma vez que metade da água celular foi retirada da célula enquanto os solutos permaneceram dentro dela a membrana plasmática é seletivamente permeável a con centração da solução celular é duplicada e assim o Ψs é menor 0636 MPa 2 1272 MPa Conhecendose os valores finais de Ψ e Ψs podese calcular o potencial de pressão usando a Equação 35 uma vez que Ψp Ψ Ψs 0244 MPa 1272 MPa 1028 MPa No exemplo é usada uma força externa para se alterar o volume celular sem uma mudança no potencial hídrico Na natureza em geral é o potencial hídrico do ambiente celular que se altera e a célula ganha ou perde água até que seu Ψ se iguale ao do meio circundante Um ponto comum em todos esses exemplos merece ênfase o fluxo de água através de membranas é um processo passivo ou seja a água movese em resposta a forças físicas em direção a regiões de baixo potencial hídrico ou de baixa ener gia livre Não há bombas metabólicas conhecidas ie reações governadas por hidrólise de ATP que possam ser usadas para direcionar a água através de uma membrana semipermeável contra seu gradiente de energia livre A única situação em que se pode dizer que a água se move através de uma membrana semipermeável con tra seu gradiente de potencial hídrico é quando ela está acoplada ao movimento de solutos O transporte de açú cares de aminoácidos ou de outras moléculas pequenas por intermédio de diversas proteínas de membrana pode arrastar até 260 moléculas de água pela membrana por molécula de soluto transportado Esse transporte de água pode ocorrer mesmo quando o movimento é contra o gradiente habitual de potencial hídrico ie em direção a um potencial hídrico maior pois a perda de energia livre pelo soluto mais do que compensa o ganho de energia livre pela água A mudança líquida na energia livre permanece negativa A quantidade de água transportada desse modo em geral é muito pequena se comparada com o movimento passivo de água a favor do gradiente de potencial hídrico O potencial hídrico e seus componentes variam com as condições de crescimento e sua localização dentro da planta Em folhas de plantas bem hidratadas Ψ varia de 02 a cerca de 10 MPa em plantas herbáceas e a 25 MPa em árvores e arbustos Folhas de plantas em climas áridos po dem ter Ψ muito menores caindo abaixo de 10 MPa sob as condições mais extremas Assim como os valores de Ψ dependem das condições de crescimento e do tipo de planta também os valores de Ψs podem variar consideravelmente Dentro das células de hortaliças bem hidratadas exemplos incluem alface plântulas de pepino e folhas de feijoeiro o Ψs pode ser de até 05 MPa baixa concentração de solutos na célula embora valores de 08 a 12 MPa sejam mais típicos Em plantas lenhosas o Ψs tende a ser mais baixo concentra ções mais altas de solutos na célula permitindo o Ψ mais negativo ao meiodia típico dessas plantas o qual ocorre sem uma perda na pressão de turgor Embora o Ψs dentro das células possa ser bastante ne gativo a solução no apoplasto envolvendo as células isto é nas paredes celulares e no xilema costuma ser bastan te diluída O Ψs do apoplasto em geral é de 01 a 0 MPa embora em certos tecidos p ex frutos em desenvolvi mento e hábitats p ex ambientes altamente salinos a concentração de solutos no apoplasto possa ser grande Valores de Ψp dentro de células de plantas bem hi dratadas podem variar desde 01 até 3 MPa dependendo do valor de Ψs no interior da célula Uma planta murcha quando a pressão de turgor dentro das células desses te cidos cai em direção a zero À medida que mais água é perdida pela célula suas paredes tornamse mecanica mente deformadas e como consequência ela pode ser danificada O Tópico 38 na internet compara a situação na qual uma célula é desidratada osmoticamente devido à presença de solutos no apoplasto que podem se difun dir livremente através da parede celular àquela na qual a água é removida da célula devido a potenciais hídricos mais baixos mais negativos no apoplasto Propriedades da parede celular e da membrana plasmática Os elementos estruturais fazem importantes contribui ções para as relações hídricas das células vegetais A elas ticidade da parede celular define a relação entre a pressão de turgor e o volume celular enquanto a permeabilidade à água da membrana plasmática e do tonoplasto influencia a taxa na qual as células trocam água com suas adjacências Nesta seção é examinado como a parede celular e as pro priedades da membrana influenciam o status hídrico das células vegetais Pequenas mudanças no volume da célula vegetal causam grandes mudanças na pressão de turgor As paredes celulares proporcionam às células vegetais um grau substancial de homeostase de volume em relação às grandes mudanças no potencial hídrico que elas sofrem todos os dias como consequência das perdas de água por transpiração associadas à fotossíntese ver Capítulo 4 Por terem paredes bem rígidas uma mudança no Ψ celular vege tal em geral é acompanhada por uma grande variação em Ψp com relativamente pouca modificação no volume da célula protoplasto visto que Ψp é maior do que 0 Tal fenômeno é ilustrado pela curva pressãovolume mostrada na Figura 311 À medida que Ψ decresce de 0 para cerca de 12 MPa o conteúdo de água percentual ou relativo é reduzido em somente um pouco mais do que 5 A maior parte desse decréscimo ocorre devido a uma redução em Ψp de cerca de 10 MPa Ψs diminui menos do que 02 MPa como resultado do aumento da concentração de solutos celulares As medições de potencial hídrico celular e de volume celular podem ser usadas para quantificar como as pro Taiz03indd 93 Taiz03indd 93 27102016 143141 27102016 143141 94 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos priedades da parede celular influenciam o status hídrico de células vegetais Na maioria das células a pressão de turgor aproximase de zero à medida que o volume ce lular decresce em 10 a 15 Entretanto para células com paredes muito rígidas a mudança de volume associada à perda de turgor pode ser muito menor Em células com pa redes extremamente elásticas como as de armazenagem de água nos caules de muitas cactáceas essa mudança de volume pode ser substancialmente maior O módulo volumétrico de elasticidade simbolizado por ε a letra grega épsilon pode ser determinado examinando se a relação entre o Ψp e o volume celular ε é a variação em Ψp para determinada variação no volume relativo ε ΔΨp Δvolume relativo Células com um grande ε têm paredes rígidas e portanto exibem variação maiores na pressão de turgor para uma mesma variação no volume celular que uma célula com um ε menor e paredes mais elásticas As proprie dades mecânicas das paredes celulares variam entre espécies e tipos de células resultando em diferenças significativas na extensão na qual os déficits hídricos afetam o volume celular Uma comparação das relações hídricas celulares no interior de caules de cactos ilustra o importante papel das propriedades da parede Os cactos são plantas com caules suculentos em geral encontradas em regiões áridas Seus caules consistem em uma camada externa fotossintética que circunda tecidos não fotossintéticos os quais servem como reservatórios de água Figura 312 Durante a seca a água é preferencialmente perdida dessas células mais internas apesar de o potencial hídrico dos dois tipos de células permanecer em equilíbrio ou muito próximo do equilíbrio Como isso acontece Estudos detalhados de Opuntia ficusindica demonstram que as células de armazenagem de água são maiores e têm paredes mais finas do que as células fotossintéticas e desse modo são mais flexíveis têm menor ε Para determinado decréscimo em potencial hídrico uma célula de armazena gem de água perderá uma fração maior de seu conteúdo de água do que uma célula fotossintética Além disso a con centração de solutos das células de armazenagem de água decresce durante a seca em parte devido à polimerização de açúcares solúveis em grânulos de amido insolúveis Uma resposta vegetal mais típica à seca é acumular solutos em parte para impedir a perda de água pelas células No en tanto no caso de cactos a combinação de paredes celulares mais flexíveis e um decréscimo na concentração de solutos durante a seca permite que a água seja retirada preferencial mente das células de armazenagem de água assim ajudan do a manter a hidratação dos tecidos fotossintéticos A taxa na qual as células ganham ou perdem água é influenciada pela condutividade hidráulica da membrana celular Até agora foi visto que a água se move para dentro e para fora das células em resposta a um gradiente de potencial hídrico A direção do fluxo é determinada pela direção do N de RT Na verdade essa camada fotossintética é formada por camadas celulares clorofilados cujo número é variável 60 70 80 90 100 20 24 16 12 08 04 00 Conteúdo relativo de água Ψ ou Ψs MPa Ψs Ψ Ψp 0 Ψp 0 Figura 311 Relação entre potencial hídrico Ψ potencial de soluto Ψs e conteúdo relativo de água ΔVV em folhas de algodoeiro Gossypium hirsu tum Observe que o potencial hídrico Ψ decresce pronunciadamente com a redução inicial no conteúdo relativo de água Em comparação o potencial osmótico Ψs muda pouco À medida que o volume celular decresce abaixo de 90 neste exemplo a situação se inverte a maior parte da alteração no potencial hídrico é devida a uma queda no Ψs celular acompanhada por relati vamente pouca alteração na pressão de turgor De Hsiao e Xu 2000 Figura 312 Corte transversal de um caule de cactos mostrando uma camada fotossintética externa e um tecido não fotossintético interno que tem um papel na armazenagem de água Durante a seca a água é perdida preferencialmente das células não fotossin téticas assim o status hídrico do tecido fotossintético é mantido Taiz03indd 94 Taiz03indd 94 27102016 143141 27102016 143141 Capítulo 3 Água e Células Vegetais 95 gradiente de Ψ e a taxa de movimento de água é propor cional à magnitude do gradiente propulsor Entretanto para uma célula que é exposta a uma alteração no poten cial hídrico do entorno p ex ver Figuras 39 e 310 o mo vimento de água através da membrana celular diminuirá com o tempo à medida que os potenciais hídricos inter no e externo convirjam Figura 313 A taxa aproximase de zero de maneira exponencial O tempo que a taxa leva para reduzir pela metade seu tempo de meiavida ou t½ é dado pela seguinte equação ε Ψ t A Lp V 0693 s 1 2 36 em que V e A são respectivamente o volume e a superfí cie da célula e Lp é a condutividade hidráulica da mem brana plasmática A condutividade hidráulica descreve o quão prontamente a água pode se mover através de uma membrana ela é expressa em termos do volume de água por unidade de área de membrana por unidade de tempo por unidade de força motora ie m3 m2 s1 MPa1 Para discussão adicional sobre condutividade hidráulica ver Tópico 39 na internet Um tempo de meiavida curto significa equilíbrio rá pido Assim células com uma grande razão de superfície volume alta condutividade hidráulica e paredes celulares rígidas grande ε atingirão rapidamente o equilíbrio com o entorno Os tempos de meiavida celulares costumam variar de 1 a 10 s embora alguns sejam muito mais curtos Devido a seus tempos de meiavida curtos células indivi duais atingem o equilíbrio de potencial hídrico com seu entorno em menos de 1 min Para tecidos multicelulares os tempos de meiavida podem ser muito mais longos Aquaporinas facilitam o movimento de água através das membranas plasmáticas Por muitos anos os fisiologistas vegetais estiveram em dú vida sobre como a água se move através de membranas ve getais Especificamente havia dúvida sobre se o movimento de água para dentro das células limitavase à difusão de mo léculas de água através da bicamada lipídica da membrana plasmática ou se ele também envolvia difusão por poros proteicos Figura 314 Alguns estudos indicaram que a di fusão diretamente através da bicamada lipídica não era su ficiente para explicar as taxas observadas de movimento de água pelas membranas mas a evidência em favor de poros microscópicos não era convincente Essa incerteza foi desfeita em 1991 com a descoberta das aquaporinas ver Figura 314 Aquaporinas são pro teínas integrais de membrana que formam canais seleti vos à água através da membrana Uma vez que a água se difunde muito mais rápido através desses canais do que através de uma bicamada lipídica as aquaporinas facilitam o movimento de água para dentro das células vegetais Ψ MPa Tempo 0 0 02 Taxa de transporte Jv diminui à medida que Ψ aumenta ΔΨ 02 MPa ΔΨ 01 MPa t12 0693V ALpε Ψs B Ψ 02 MPa Ψ 0 MPa ΔΨ 02 MPa Inicial Jv Lp ΔΨ 106 m s1 MPa1 02 MPa 02 106 m s1 A Fluxo de água Figura 313 A taxa de transporte de água para dentro de uma célula depende da magnitude da diferença de potencial hídrico ΔΨ e da condutividade hidráulica da membrana plasmática Lp A Nes te exemplo a magnitude da diferença de potencial hídrico inicial é 02 MPa e a Lp é 106 m s1 MPa1 Esses valores geram uma taxa de transporte inicial Jv de 02 106 m s1 B À medida que a água é absorvida pela célula a diferença de potencial hídrico decresce com o tempo levando a uma redução na taxa de absorção de água Esse efeito segue um curso temporal de decaimento exponencial com uma meiavida t12 que depende dos seguintes parâmetros celula res volume V área de superfície A condutividade Lp módulo volumétrico de elasticidade ε e potencial osmótico celular Ψs CITOPLASMA EXTERIOR DA CÉLULA Poro seletivo à água aquaporina Moléculas de água Bicamada da membrana Figura 314 A água pode atravessar membranas vegetais pela difusão de suas moléculas individuais através da bicamada lipídica da membrana conforme mostrado à esquerda e pela difusão linear de moléculas de água através de poros seletivos para a água for mados por proteínas integrais de membrana como as aquaporinas Taiz03indd 95 Taiz03indd 95 27102016 143142 27102016 143142 96 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos Embora as aquaporinas possam alterar a taxa de mo vimento da água através da membrana elas não mudam a direção de transporte ou a força motora para o movimento da água No entanto as aquaporinas podem ser reversi velmente reguladas ie oscilar entre um estado aber to e um fechado em resposta a parâmetros fisiológicos como níveis intracelulares de pH e Ca2 Como resultado as plantas têm a capacidade de regular a permeabilidade à água de suas membranas plasmáticas O status hídrico da planta O conceito de potencial hídrico tem dois usos principais primeiro o potencial hídrico governa o transporte atra vés de membranas plasmáticas conforme foi descrito Se gundo ele é comumente utilizado como uma medida do status hídrico de uma planta Nesta seção é discutido como o conceito de potencial hídrico auxilia a avaliar o status hí drico de uma planta Os processos fisiológicos são afetados pelo status hídrico da planta Devido à perda de água por transpiração para a atmosfera as plantas raramente estão completamente hidratados Du rante períodos de seca elas sofrem déficits hídricos que le vam à inibição do crescimento e da fotossíntese A Figura 315 lista algumas das mudanças fisiológicas que ocorrem quando as plantas ficam submetidas a condições cada vez mais secas A sensibilidade de determinado processo fisiológi co a déficits hídricos é em grande parte um reflexo da estratégia da planta em lidar com a faixa de variação na disponibilidade de água que ela experimenta em seu am biente De acordo com a Figura 315 o processo que é mais afetado pelo déficit hídrico é o da expansão celular Em muitas plantas reduções no suprimento hídrico inibem o crescimento do caule e a expansão foliar mas estimulam o alongamento das raízes Um aumento relativo nas raízes em relação às folhas é uma resposta adequada a reduções na disponibilidade de água assim a sensibilidade do cres cimento da parte aérea a decréscimos na disponibilidade de água pode ser vista como uma adaptação à seca em vez de uma restrição fisiológica No entanto o que as plantas não conseguem fazer é alterar a disponibilidade de água no solo A Figura 315 mostra valores representativos do Ψ em vários estágios de estresse hídrico Desse modo a seca impõe algumas li mitações absolutas aos processos fisiológicos embora os valores reais de potenciais hídricos nos quais essas limita ções ocorrem variem com as espécies A acumulação de solutos ajuda a manter a pressão de turgor e o volume das células A capacidade de manter atividade fisiológica à medida que a água se torna menos disponível acarreta alguns custos A planta pode despender energia para acumular solutos para manter a pressão de turgor investir no crescimento de órgãos não fotossintéticos como raízes para aumentar a capacidade de absorção de água ou formar vasos xilema capazes de suportar altas pressões negativas Portanto as respostas fisiológicas à disponibilidade de água refletem um conflito tradeoff entre os benefícios advindos da ca pacidade de executar processos fisiológicos p ex cresci mento por uma vasta gama de condições ambientais e os custos associados a essa capacidade Plantas que crescem em ambientes salinos denomina das halófitas em geral apresentam valores muito baixos de Ψs Um Ψs baixo reduz o Ψ celular o suficiente para permi N de T Contudo as plantas podem pela redistribuição hidráulica redistribuir a água ao longo do perfil de solo Figura 315 Sensibilidade de diversos processos fisiológicos a alterações no po tencial hídrico sob variadas condições de crescimento A espessura das setas corres ponde à magnitude do processo Por exem plo a expansão celular decresce à medida que o potencial hídrico cai tornase mais negativo O ácido abscísico é um hormônio que induz o fechamento estomático duran te o estresse hídrico ver Capítulo 24 De Hsiao e Acevedo 1974 Acumulação de ácido abscísico Mudanças fisiológicas devido à desidratação Acumulação de solutos Fotossíntese Condutância estomática Síntese proteica Síntese de parede Expansão celular Potencial hídrico MPa Plantas bem hidratadas Água pura Plantas sob estresse hídrico moderado Plantas em climas áridos desérticos 1 0 2 3 4 Taiz03indd 96 Taiz03indd 96 27102016 143142 27102016 143142 Capítulo 3 Água e Células Vegetais 97 tir às células da raiz extraírem água da água salina sem ao mesmo tempo permitirem que níveis excessivos de sais en trem ao mesmo tempo As plantas também podem exibir Ψs bastante negativos sob condições de seca O estresse hídri co em geral conduz a uma acumulação de solutos no cito plasma e no vacúolo das células vegetais permitindo desse modo que elas mantenham a pressão de turgor a despeito dos baixos potenciais hídricos Uma pressão de turgor positiva Ψp 0 é importante por várias razões Primeiro o crescimento de células vege tais requer pressão de turgor para estender as paredes ce lulares A perda de turgor sob déficits hídricos pode expli car em parte por que o crescimento celular é tão sensível ao estresse hídrico assim como por que essa sensibilidade pode ser modificada variandose o potencial osmótico celular ver Capítulo 24 A segunda razão pela qual um turgor positivo é importante está no fato de que a pressão de turgor aumenta a rigidez mecânica de células e tecidos Finalmente embora alguns processos fisiológicos possam ser influenciados diretamente pela pressão de turgor é provável que muitos mais sejam afetados por va riações no volume celular A existência de moléculas sina lizadoras na membrana plasmática que são ativadas por extensão sugere que as células vegetais podem perceber mudanças em seu status hídrico via mudanças no volume em vez de responderem diretamente à pressão de turgor RESUMO A fotossíntese expõe as plantas à perda de água e à ameaça de desidratação Para impedir a dessecação a água deve ser absorvi da pelas raízes e transportada através do corpo da planta A água na vida das plantas As paredes celulares permitem às células vegetais desenvolve rem grandes pressões hidrostáticas internas pressão de turgor A pressão de turgor é essencial para muitos processos vegetais A água limita a produtividade tanto de ecossistemas agrícolas como de ecossistemas naturais Figuras 31 32 Cerca de 97 da água absorvida pelas raízes são conduzidos pela planta e perdidos por transpiração a partir das superfícies foliares A absorção de CO2 é acoplada à perda de água por meio de uma rota difusional em comum A estrutura e as propriedades da água A polaridade e a forma tetraédrica das moléculas de água per mitem a elas formar pontes de hidrogênio que dão à água suas propriedades físicas incomuns ela é um excelente solven te e tem um alto calor específico um extraordinariamente alto calor latente de vaporização e uma alta resistência à tensão Figuras 33 36 A coesão a adesão e a tensão superficial dão origem à capilari dade Figuras 34 35 Difusão e osmose O movimento térmico aleatório de moléculas resulta em difu são Figuras 37 38 A difusão é importante por pequenas distâncias O tempo mé dio para uma substância difundirse a uma distância determina da aumenta com o quadrado da distância Osmose é o movimento líquido de água através de uma barreira seletivamente permeável Potencial hídrico O potencial químico da água mede a energia livre da água em um estado determinado Concentração pressão e gravidade contribuem para o poten cial hídrico Ψ nas plantas Ψs o potencial de soluto ou potencial osmótico representa a diluição da água pelos solutos e a redução da energia livre da água Ψp o potencial de pressão representa o efeito da pressão hidrostática sobre a energia livre da água Pressão positiva pressão de turgor eleva o potencial hídrico a pressão negativa tensão o reduz O potencial gravitacional Ψg costuma ser omitido quando se calcula o potencial hídrico Assim Ψ Ψs Ψp Potencial hídrico das células vegetais As células vegetais geralmente têm potenciais hídricos nega tivos A água entra na célula ou sai dela de acordo com o gradiente de potencial hídrico Quando uma célula flácida é colocada em uma solução que tem um potencial hídrico maior menos negativo do que o potencial hídrico da célula a água se moverá da solução para dentro da célula do potencial hídrico alto para o baixo Figura 39 À medida que a água entra a parede celular resiste sendo es tendida aumentando a pressão de turgor Ψp da célula No equilíbrio Ψcélula Ψsolução ΔΨw 0 o Ψp celular aumen tou suficientemente para elevar o Ψ celular ao mesmo valor do Ψ da solução e o movimento líquido de água cessa A água também pode sair da célula por osmose Quando uma célula vegetal túrgida é colocada em uma solução de sacarose que tem um potencial hídrico mais negativo do que o potencial hídrico da célula a água se moverá da célula túrgida para a solução Figura 310 Se a célula for comprimida seu Ψp é aumentado assim como o Ψ celular resultando em um ΔΨ de tal modo que a água flui para fora da célula Figura 310 Propriedades da parede celular e da membrana plasmática A elasticidade da parede celular define a relação entre pressão de turgor e volume celular enquanto a permeabilidade à água Taiz03indd 97 Taiz03indd 97 27102016 143142 27102016 143142 98 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos Leituras sugeridas Bartlett M K Scoffoni C and Sack L 2012 The determinants of leaf turgor loss point and prediction of drought tolerance of species and biomes A global metaanalysis Ecol Lett 15 393405 Chaumont F and Tyerman S D 2014 Aquaporins Highly regulated channels controlling plant water relations Plant Physiol 164 16001618 Goldstein G Ortega J K E Nerd A and Nobel P S 1991 Diel patterns of water potential components for the crassulacean acid metabolism plant Opuntia ficusindica when wellwatered or droughted Plant Physiol 95 274280 Kramer P J and Boyer J S 1995 Water Relations of Plants and Soils Academic Press San Diego Maurel C Verdoucq L Luu DT and Santoni V 2008 Plant aquaporins Membrane channels with multiple integrated functions Annu Rev Plant Biol 59 595624 Munns R 2002 Comparative physiology of salt and water stress Plant Cell Environ 25 239250 Nobel P S 1999 Physicochemical and Environmental Plant Physiology 2nd ed Academic Press San Diego Tardieu F Parent B Caldeira C F and Welcker C 2014 Genetic and physiological controls of growth under water deficit Plant Physiol 164 16281635 Wheeler T D and Stroock A D 2008 The transpiration of water at negative pressures in a synthetic tree Nature 455 208212 da membrana plasmática e do tonoplasto determina quão rápi do as células trocam água com seu entorno Uma vez que as células vegetais têm paredes relativamente rí gidas pequenas alterações no volume delas causam grandes variações na pressão de turgor Figura 311 Para qualquer ΔΨ inicial diferente de zero o movimento líquido de água através da membrana diminuirá com o tempo à me dida que os potenciais hídricos interno e externo convirjam Figura 313 Aquaporinas são canais de membrana seletivos à água Figura 314 O status hídrico da planta Durante a seca a fotossíntese e o crescimento são inibidos enquanto as concentrações de ácido abscísico e de solutos au mentam Figura 315 Durante a seca as plantas devem utilizar energia para manter a pressão de turgor por acumulação de solutos assim como para sustentar o crescimento de raízes e vascular Moléculas sinalizadoras ativadas por extensão na membrana plasmática podem permitir às células vegetais perceber mudan ças em seu status hídrico por meio de alterações no volume MATERIAL DA INTERNET Tópico 31 Calculando a ascensão capilar A quantificação da ascensão capilar permite a avaliação de seu papel funcional no movimento da água nas plantas Tópico 32 Calculando tempos de meiavida de difusão A avaliação do tempo necessário para uma molécula como a glicose difundirse por meio de células tecidos e órgãos mos tra que a difusão tem relevância fisiológica apenas em curtas distâncias Tópico 33 Convenções alternativas para componentes do potencial hídrico Os fisiologistas vegetais desenvolveram várias convenções para definir o potencial hídrico em plantas Uma comparação das principais definições em alguns desses sistemas de convenção proporciona um melhor entendimento da literatura de relações hídricas Tópico 34 Temperatura e potencial hídrico A variação na temperatura entre 0 e 30C tem um efeito relativamente pe queno no potencial osmótico Tópico 35 Pressões de turgor negativas podem existir em células vivas Admitese que o Ψp seja 0 ou maior em células vivas isso é verdade para células vivas com paredes lig nificadas Tópico 36 Medindo o potencial hídrico Vários métodos estão disponíveis para medir o potencial hídrico nas células e nos tecidos vegetais Tópico 37 Potencial mátrico O potencial mátrico é usado para quantificar o potencial químico da água em solos semen tes e paredes celulares Tópico 38 Murcha e plasmólise A plasmólise é uma impor tante mudança estrutural resultante de uma grande perda de água por osmose Tópico 39 Compreendendo a condutividade hidráuli ca Condutividade hidráulica uma medida da permeabilidade da membrana à água é um dos fatores que determinam a velo cidade do movimento da água nas plantas N de T Essa mudança estrutural referese à célula vegetal Taiz03indd 98 Taiz03indd 98 27102016 143142 27102016 143142 4 Balanço Hídrico das Plantas A vida na atmosfera da Terra apresenta um desafio impressionante para as plantas terrestres Por um lado a atmosfera é a fonte de dióxido de carbono necessário para a fotossíntese Por outro ela em geral é bastante seca levando a uma perda líquida de água devido à evaporação Como as plantas carecem de superfícies que permitam a difusão de CO2 para seu interior enquanto impeçam a perda de água a absorção de CO2 as expõe ao risco de desidratação Esse problema é agravado porque o gradiente de concentração para a absorção de CO2 é muito menor do que o gradiente de concentração que regula a perda de água Para atender as demandas contra ditórias de maximizar a absorção de dióxido de carbono enquanto limitam a perda de água as plantas desenvolveram adaptações para controlar a perda de água pelas folhas e repor a água perdida para a atmosfera com água extraída do solo Neste capítulo serão examinados os mecanismos e as forças propulsoras que operam no transporte de água dentro da planta e entre a planta e seu ambiente Inicialmente será examinado o transporte de água enfocando a água no solo A água no solo O conteúdo de água e sua taxa de movimento no solo dependem em gran de parte do tipo e da estrutura do solo Em um extremo está a areia cujas partículas podem medir 1 mm de diâmetro ou mais Solos arenosos têm uma área de superfície por unidade de grama de solo relativamente pequena e grandes espaços ou canais entre as partículas No outro extremo está a argila cujas partículas são menores que 2 μm de diâmetro Solos argilosos têm áreas de superfície muito maiores e canais menores entre as partículas Com o auxílio de substâncias orgânicas como o húmus matéria orgânica em decomposição as partículas de argila podem agregarse em torrões possibilitando a formação de grandes canais que ajudam a melhorar a aeração do solo e a infiltração de água Quando um solo é pesadamente aguado por chuva ou irrigação ver Tópico 41 na internet a água percola por gravidade através dos espa ços entre as partículas de solo parcialmente deslocando e em alguns ca sos aprisionando ar nesses canais Como a água é puxada para dentro dos espaços entre as partículas do solo por capilaridade os menores ca nais são preenchidos primeiro Dependendo da sua quantidade disponível a água no solo pode existir como uma película aderente à superfície de suas Taiz04indd 99 Taiz04indd 99 27102016 143155 27102016 143155 100 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos partículas ela pode preencher os canais menores mas não os maiores ou pode preencher todos os espaços entre as partículas Em solos arenosos os espaços entre as partículas são tão grandes que a água tende a drenar a partir deles e per manecer somente sobre as superfícies das partículas e nos espaços onde as partículas entram em contato Em solos ar gilosos os espaços entre as partículas são tão pequenos que muita água é retida contra a força da gravidade Poucos dias após ser saturado pela chuva um solo argiloso pode reter 40 da água por unidade de volume Por outro lado os so los arenosos em geral retêm somente cerca de 15 de água por volume depois de completamente molhados Nas seções seguintes será examinado como a estru tura física influencia o potencial hídrico como a água se movimenta no solo e como as raízes absorvem a água ne cessária às plantas Uma pressão hidrostática negativa na água do solo diminui seu potencial hídrico Da mesma forma que o potencial hídrico das células ve getais o potencial hídrico dos solos pode ser decomposto em três componentes o potencial osmótico o potencial de pressão e o potencial gravitacional O potencial osmótico Ψs ver Capítulo 3 da água do solo em geral é desprezível pois excetuando os solos salinos as concentrações de soluto são baixas um valor típico pode ser 002 MPa Em solos que contêm uma concentração substancial de sais entretan to o Ψs pode ser significativo talvez 02 MPa ou menor O segundo componente do potencial hídrico do solo é o potencial de pressão Ψp Figura 41 Para solos úmi dos o Ψp é muito próximo de zero À medida que o solo seca o Ψp decresce e pode tornarse bem negativo De onde vem o potencial de pressão negativo da água do solo Lembre a discussão sobre capilaridade no Capítulo 3 em que a água tem uma alta tensão superficial que tende a minimizar as interfaces arágua No entanto devido às forças de adesão a água também tende a se prender às superfícies das partículas do solo Figura 42 À medida que o conteúdo de água do solo decresce a água retrocede para os interstícios entre partículas do solo formando superfícies arágua cujas curvaturas re presentam o balanço entre a tendência de minimizar a área de superfície da interface arágua e a atração da água pelas partículas do solo A água sob uma superfície curva desenvolve uma pressão negativa que pode ser estimada pela seguinte fórmula Ψp 2T r 41 em que T é a tensão superficial da água 728 108 MPa m e r é o raio de curvatura da interface arágua Observe que essa é a mesma equação de capilaridade discutida no Tópico 31 na internet ver também Figura 35 sendo que aqui as partículas de solo são consideradas como comple tamente molháveis ângulo de contato θ 0 cos θ 1 À medida que o solo seca a água é removida pri meiro dos espaços maiores entre suas partículas e então sucessivamente dos espaços menores entre e dentro das partículas do solo Nesse processo o valor de Ψp na água do solo pode se tornar bem negativo devido às curvaturas crescentes das superfícies arágua em poros de diâmetros sucessivamente menores Por exemplo uma curvatura de r 1 μm aproximadamente do tamanho das maiores par tículas de argila corresponde a um valor de Ψp de 015 MPa O valor de Ψp pode facilmente alcançar 1 a 2 MPa Figura 41 Principais forças propulsoras do fluxo de água do solo através da planta para a atmosfera diferenças na concentração de vapor de água Δcwv entre a folha e o ar são responsáveis pela difusão de vapor de água da folha para o ar diferenças no potencial de pressão ΔΨp governam o fluxo de massa de água pelos condu tos xilemáticos diferenças no potencial hídrico ΔΨ são responsá veis pelo movimento de água através de células vivas na raiz Linha do solo Espaços intercelulares na folha Δcwv Xilema ΔΨp Solo ΔΨp Através da raiz ΔΨ Taiz04indd 100 Taiz04indd 100 27102016 143156 27102016 143156 Capítulo 4 Balanço Hídrico das Plantas 101 à medida que a interface arágua retrocede para dentro dos espaços menores entre as partículas de argila O terceiro componente é o potencial gravitacional Ψg A gravidade exerce um papel importante na drena gem O movimento descendente da água devese ao fato que o Ψg é proporcional à elevação maior em elevações maiores e viceversa A água movese pelo solo por fluxo de massa Fluxo de massa é o movimento conjunto de moléculas em massa na maioria das vezes em resposta a um gradien te de pressão Exemplos comuns de fluxo de massa são a água movendose ao longo de uma mangueira de jardim ou rio abaixo O movimento da água pelos solos é na maior parte das vezes por fluxo de massa Como a pressão da água no solo se deve à existência de interfaces arágua curvadas a água flui de regiões de maior conteúdo de água no solo onde os espaços preenchidos com água são maiores e portanto o Ψp é menos negativo para regiões de menor conteúdo de água no solo onde os espaços menores preenchidos com água estão associados a interfaces arágua mais curvadas e um Ψp mais negativo Algum movimento de água também ocorre por difusão de vapor de água o que pode ser importante em solos secos À medida que absorvem as plantas esgotam o solo de água junto à superfície das raízes Esse esgotamento reduz o Ψp próximo à superfície da raiz e estabelece um gradien te de pressão em relação às regiões vizinhas do solo que possuem valores mais altos de Ψp Uma vez que os espaços porosos preenchidos com água se interconectam no solo a água movese obedecendo a um gradiente de pressão em direção à superfície das raízes por fluxo de massa através desses canais A taxa de fluxo de água nos solos depende de dois fa tores tamanho do gradiente de pressão pelo solo e con dutividade hidráulica do solo A condutividade hidráuli ca do solo é uma medida da facilidade com que a água se move pelo solo ela varia com o tipo de solo e com seu conteúdo de água Solos arenosos que possuem grandes espaços entre as partículas têm alta condutividade hi N de T No original do francês en masse dráulica quando saturados enquanto solos argilosos com somente diminutos espaços entre suas partículas têm condutividade hidráulica visivelmente menor À medida que o conteúdo de água e por consequên cia o potencial hídrico de um solo decresce sua conduti vidade hidráulica diminui drasticamente Esse decréscimo na condutividade hidráulica do solo devese principal mente à substituição da água por ar nos seus espaços Quando o ar se desloca para dentro de um canal do solo previamente preenchido por água o movimento de água através daquele canal restringese à periferia dele À me dida que mais espaços do solo são preenchidos por ar o fluxo de água é limitado aos canais menos numerosos e mais estreitos e com isso a condutividade hidráulica cai O Tópico 42 na internet mostra como a textura do solo influencia tanto a sua capacidade em reter água como sua condutividade hidráulica Absorção de água pelas raízes O contato entre a superfície da raiz e o solo é essencial para a absorção efetiva de água Esse contato proporciona a área de superfície necessária para a absorção de água e é maximizado pelo crescimento das raízes e dos pelos destas no solo Pelos das raízes são projeções filamentosas das células da epiderme que aumentam significativamen te a área de superfície das raízes proporcionando assim maior capacidade para a absorção de íons e água do solo O exame de indivíduos de trigo de três meses de idade mostrou que os pelos constituíam mais de 60 da área de superfície das raízes ver Figura 57 A água penetra mais prontamente na raiz próximo ao seu ápice Regiões maduras da raiz são menos permeáveis à água porque elas desenvolvem uma camada epidérmi ca modificada que contém materiais hidrofóbicos em suas paredes Embora inicialmente possa parecer contraintui tivo que qualquer porção do sistema de raízes seja imper meável à água as regiões mais velhas das raízes precisam N de T Esse contato reduz a chamada resistência da interface solo raiz à passagem de água e permite melhor absorção de água pela área de superfície das raízes Figura 42 Os pelos da raiz fazem um contato íntimo com as par tículas do solo e amplificam bastante a área de superfície utilizada para a absorção de água pela planta O solo é uma mistura de partí culas areia argila silte e material orgânico água solutos dissolvidos e ar A água é adsorvida à superfície das partículas do solo À medida que a água é absorvida pela planta a solução do solo recua para pe quenos compartimentos canais e fissuras entre as partículas do solo Nas interfaces arágua esse recuo faz a superfície da solução do solo desenvolver um menisco côncavo interfaces curvas entre ar e água marcadas na figura por setas desenvolvendo uma tensão pressão negativa na solução por meio da tensão superficial À medida que mais água é removida do solo a curvatura dos meniscos arágua au menta gerando tensões maiores pressões mais negativas Ar solo úmido Pelo da raiz Raiz Água Partícula de areia Partícula de argila Ar solo secando Taiz04indd 101 Taiz04indd 101 27102016 143156 27102016 143156 102 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos ser lacradas se houver necessidade de absorção de água e assim fluxo de massa de nutrientes a partir de regiões do sistema de raízes que estão explorando ativamente novas áreas no solo Figura 43 O contato entre o solo e a superfície da raiz é facilmen te rompido quando o solo é perturbado Essa é a razão pela qual as plantas e as plântulas recentemente transplantadas precisam ser protegidas da perda de água durante os pri meiros dias após o transplante A partir daí o novo cresci mento das raízes no solo restabelece o contato soloraiz e a planta pode suportar melhor o estresse hídrico A partir de agora será considerado como a água se move dentro da raiz e os fatores que determinam sua taxa de absorção por esse órgão A água movese na raiz pelas rotas apoplástica simplástica e transmembrana No solo a água flui entre suas partículas Entretanto da epiderme até a endoderme existem três rotas pelas quais a água pode fluir Figura 44 a rota apoplástica a simplás tica e a transmembrana 1 O apoplasto é o sistema contínuo de paredes celula res espaços intercelulares de aeração e lumes de célu las não vivas ie condutos do xilema e fibras Nessa rota a água movese pelas paredes celulares e por es paços extracelulares sem atravessar qualquer mem brana à medida que se desloca ao longo do parênqui ma cortical da raiz 2 O simplasto consiste na rede de citoplasmas celula res interconectados por plasmodesmos Nessa rota a água deslocase através do parênquima cortical via plasmodesmos ver Capítulo 1 3 A rota transmembrana é a via pela qual a água entra em uma célula por um lado sai pelo outro lado entra na próxima célula da série e assim por diante Nessa rota a água atravessa a membrana plasmática de cada célula em seu caminho duas vezes uma na entrada e outra na saída O transporte através do tonoplasto também pode estar envolvido Apesar da importância relativa das rotas apoplástica simplástica e transmembrana ainda não ter sido completa mente estabelecida experimentos com a técnica da sonda de pressão ver Tópico 36 na internet indicam um im portante papel das membranas plasmáticas e portanto da rota transmembrana no movimento de água através do parênquima cortical da raiz E embora se possam definir três rotas é importante lembrar que a água não se move de acordo com um único caminho escolhido mas para onde os gradientes e as resistências a dirijam Determinada mo lécula de água movendose no simplasto pode atravessar a membrana moverse no apoplasto por um momento e após retornar para o simplasto novamente Na endoderme o movimento da água pelo apoplasto é obstruído pela estria de Caspary ver Figura 44 A es tria de Caspary é uma banda dentro das paredes celula res radiais da endoderme que é impregnada com lignina um polímero hidrofóbico Ela se forma na parte da raiz que não está em crescimento vários milímetros a vários centímetros do seu ápice aproximadamente ao mesmo tempo em que os primeiros elementos do xilema amadu recem A estria de Caspary quebra a continuidade da rota apoplástica forçando a água e os solutos a passarem pela membrana a fim de atravessarem a endoderme A necessidade da água em se mover simplastica mente através da endoderme ajuda a explicar por que a N de RT Em uma abordagem tridimensional da endoderme a es tria de Caspary encontrase nas suas paredes radiais anticlinais e transversais 04 0 08 12 16 A B C 40 80 120 160 200 240 500 Distância do ápice da raiz mm Taxa de absorção de água por segmento 106 L h1 Mais suberizada Menos suberizada Ápice em crescimento Regiões de não crescimento da raiz Toda a superfície é igualmente permeável Apenas as zonas próximas ao ápice da raiz são permeáveis H2O Sistema de raízes Figura 43 Taxa de absorção de água para segmentos curtos 35 mm em várias posições ao longo de uma raiz intacta de abó bora Cucurbita pepo A Diagrama da absorção de água no qual a superfície total da raiz é igualmente permeável B ou é impermeá vel nas regiões mais velhas devido à deposição de suberina um polí mero hidrofóbico C Quando as superfícies da raiz são igualmente permeáveis a maior parte da água entra próximo ao topo do sis tema de raízes com as regiões mais distais sendo hidraulicamente isoladas à medida que a sucção no xilema é atenuada devido ao influxo de água A diminuição da permeabilidade das regiões mais velhas da raiz permite que as tensões no xilema se estendam além no sistema de raízes possibilitando a absorção de água por suas regiões distais A de Kramer e Boyer 1995 Taiz04indd 102 Taiz04indd 102 27102016 143156 27102016 143156 Capítulo 4 Balanço Hídrico das Plantas 103 permeabilidade das raízes à água depende tão fortemente da presença de aquaporinas A repressão downregulation da expressão de genes para aquaporinas reduz marcante mente a condutividade hidráulica das raízes e pode resul tar em plantas que murcham facilmente ou que compen sam pela produção de sistemas de raízes maiores A absorção de água decresce quando as raízes são sub metidas a baixas temperaturas ou a condições anaeróbias ou quando são tratadas com inibidores respiratórios Até recentemente não havia explicação para a conexão entre a respiração da raiz e a absorção de água ou para a enig mática murcha de plantas em locais inundados Agora se sabe que a permeabilidade de aquaporinas pode ser regu Rota apoplástica Rotas simplástica e transmembrana Epiderme Parênquima cortical Endoderme Estria de Caspary Periciclo Xilema Floema Figura 44 Rotas de absorção de água pela raiz Através do parênquima cortical a água pode se movimentar pelas rotas apo plástica transmembrana e simplástica Na rota simplástica a água flui entre células pelos plasmodesmos sem atravessar a membrana plasmática Na rota transmembrana a água movese através das membranas plasmáticas com uma curta permanência no espaço da parede celular Na endoderme a rota apoplástica é bloqueada pela estria de Caspary Observe que embora elas sejam representadas como três rotas distintas na realidade as moléculas de água se mo vem entre o simplasto e o apoplasto direcionadas por gradientes no potencial hídrico e resistências hidráulicas lada em resposta ao pH intracelular Taxas reduzidas de respiração em resposta à baixa temperatura ou a condições anaeróbias podem levar a aumentos no pH intracelular Esse aumento no pH citosólico altera a condutância das aquaporinas nas células da raiz resultando em raízes que são marcantemente menos permeáveis à água Portanto a manutenção da permeabilidade à água da membrana re quer um gasto de energia pelas células da raiz essa energia é fornecida pela respiração A acumulação de solutos no xilema pode gerar pressão de raiz Às vezes as plantas exibem um fenômeno referido como pressão de raiz Por exemplo se o caule de uma plântula é seccionado logo acima do solo o coto normalmente exsudará seiva do xilema cortado por muitas horas Se um manômetro é selado sobre o coto pressões positivas que atingem até 02 MPa e às vezes até valores mais altos podem ser medidas Quando a transpiração é baixa ou está ausente uma pressão hidrostática positiva se estabelece no xilema por que as raízes continuam a absorver íons do solo e a trans portálos para o xilema A formação de solutos na seiva do xilema leva a um decréscimo no potencial osmótico Ψs do xilema e portanto a um decréscimo no seu potencial hídri co Ψ Essa diminuição do Ψ proporciona a força propul sora para a absorção de água que por sua vez gera uma pressão hidrostática positiva no xilema De fato os tecidos multicelulares da raiz comportamse como uma membra na osmótica desenvolvendo uma pressão hidrostática po sitiva no xilema em resposta à acumulação de solutos Taiz04indd 103 Taiz04indd 103 27102016 143156 27102016 143156 104 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos A probabilidade de ocorrência de pressão de raiz é maior quando os potenciais hídricos do solo são altos e as taxas de transpiração são baixas Quando as taxas de transpiração aumentam a água é transportada através da planta e perdida para a atmosfera tão rapidamente que uma pressão positiva resultante da absorção de íons nunca se desenvolve no xilema As plantas que desenvolvem pressão de raiz frequen temente produzem gotículas líquidas nas margens de suas folhas fenômeno conhecido como gutação Figura 45 A pressão positiva no xilema provoca exsudação da seiva do xilema por poros especializados chamados de hidató dios que estão associados às terminações de nervuras na margem da folha As gotas de orvalho que podem ser vistas nos ápices de folhas pela manhã são na verdade gotículas de gutação exsudadas dos hidatódios A guta ção é mais evidente quando a transpiração é suprimida e a umidade relativa é alta como à noite É possível que a pressão de raiz reflita uma consequência inevitável das al tas taxas de acumulação de íons No entanto a existência de pressões positivas no xilema à noite pode ajudar a dis solver bolhas de gás anteriormente formadas e assim de sempenhar uma função importante na reversão de efeitos deletérios da cavitação descrita na próxima seção Transporte de água pelo xilema Na maioria das plantas o xilema constitui a parte mais longa da rota de transporte de água Em uma planta de 1 m de altura mais de 995 da rota de transporte de água encontramse dentro do xilema em árvores altas o xile ma representa uma fração ainda maior da rota Compa rado com o movimento de água por camadas de células vivas o xilema é uma rota simples de baixa resistência Nas seções seguintes será examinado como a estrutura do xilema contribui para o movimento de água das raízes às folhas e como a pressão hidrostática negativa gerada pela transpiração foliar puxa a água pelo xilema O xilema consiste em dois tipos de células de transporte As células condutoras no xilema têm uma estrutura es pecializada que lhes permite transportar grandes quan tidades de água com grande eficiência Existem dois tipos principais de células de transporte de água no xilema tra queídes e elementos de vaso Figura 46 Os elementos de vaso são encontrados somente em angiospermas em um pequeno grupo de gimnospermas chamado de Gnetales e em alguns fetos As traqueídes estão presentes tanto em angiospermas quanto em gimnospermas assim como em fetos e outros grupos de plantas vasculares A maturação tanto de traqueídes quanto de elementos de vaso envolve a produção de paredes celulares secun dárias e a subsequente morte da célula a perda do cito plasma e de todos os seus conteúdos O que permanece são paredes celulares lignificadas e espessas que formam tubos ocos pelos quais a água pode fluir com resistência relativamente baixa Traqueídes são células fusiformes alongadas ver Figu ra 46A organizadas em filas verticais sobrepostas Figura 47 A água flui entre traqueídes por meio de numerosas pontoações em suas paredes laterais ver Figura 46B Pontoações são regiões microscópicas nas quais a parede secundária inexiste e somente a parede primária está pre sente ver Figura 46C As pontoações de uma traqueíde em geral estão localizadas em oposição às pontoações de uma traqueíde adjacente formando pares de pontoações Os pares de pontoações constituem uma rota de baixa re sistência para o movimento de água entre traqueídes A ca mada permeável à água entre os pares de pontoações que consiste em duas paredes primárias e uma lamela média é denominada membrana de pontoação As membranas de pontoação em traqueídes de algu mas espécies de coníferas têm um espessamento central chamado de toro circundado por uma região porosa e re lativamente flexível denominada margo ver Figura 46C O toro atua como uma válvula quando ele está no centro da cavidade da pontoação ela permanece aberta quando ele está alojado nos espessamentos circulares ou ovais de parede que margeiam a pontoação ela está fechada Essa disposição do toro impede efetivamente que bolhas de ar se expandam nas traqueídes vizinhas adiante será dis cutida brevemente essa formação de bolhas processo chamado de cavitação Com pouquíssimas exceções as membranas de pontoação em todas as outras plantas tan to em traqueídes como em elementos de vaso carecem de toro Porém como os poros cheios de água nas membra nas de pontoação de não coníferas são muito pequenos elas também servem como uma barreira efetiva contra o Figura 45 Gutação em uma folha de mantodesenhora Al chemilla vulgaris De manhã cedo a planta secreta gotículas de água pelos hidatódios localizados nas margens de suas folhas Taiz04indd 104 Taiz04indd 104 27102016 143156 27102016 143156 Capítulo 4 Balanço Hídrico das Plantas 105 deslocamento de bolhas de gás Portanto as membranas de pontoação de ambos os tipos desempenham uma im portante função ao impedir a expansão de bolhas de gás denominada embolia dentro do xilema Os elementos de vaso tendem a ser mais curtos e mais largos que as traqueídes e têm paredes terminais perfura das estabelecendose uma placa de perfuração em cada extremidade da célula Como as traqueídes os elementos de vaso têm pontoações em suas paredes laterais ver Figu ra 46B Diferentemente das traqueídes as paredes termi nais perfuradas permitem que os elementos de vaso sejam empilhados extremidade com extremidade para formar um conduto muito maior denominado vaso ver Figura 47 Os vasos são condutos multicelulares que variam em com primento tanto dentro das espécies quanto entre elas Os vasos variam desde poucos centímetros até muitos metros Os elementos de vaso encontrados nas extremidades de um vaso carecem de perfurações em suas paredes terminais e são conectados aos vasos vizinhos pelas pontoações A água movese através do xilema por fluxo de massa acionado por pressão O fluxo de massa acionado por pressão da água é respon sável pelo transporte de água a longa distância no xilema A Placa de perfuração composta Placa de perfuração simples Pontoações Elementos de vaso Traqueídes Toro Câmara da pontoação Margo Par de pontoações Paredes celulares secundárias Paredes celulares secundárias Paredes celulares primárias Paredes celulares primárias C Coníferas D Outras plantas vasculares Membrana de pontoação Câmara da pontoação Par de pontoações B Figura 46 Condutos do xilema e suas interconexões A Compa ração estrutural de traqueídes e elementos de vaso Traqueídes são cé lulas mortas ocas e alongadas com paredes altamente lignificadas As paredes contêm numerosas pontoações regiões onde não há parede secundária mas a parede primária permanece As formas das ponto ações e os padrões delas nas paredes variam com a espécie e o tipo de órgão As traqueídes estão presentes em todas as plantas vascula res Os vasos consistem em empilhamento de dois ou mais elementos Assim como as traqueídes os elementos de vaso são células mortas conectadas entre si por placas de perfuração regiões da parede onde poros ou orifícios se desenvolveram Os vasos são conectados a outros vasos e às traqueídes por pontoações Eles são encontrados na maioria das angiospermas e não estão presentes na maioria das gimnosper mas B Micrografia ao microscópio eletrônico de varredura mostran do dois vasos dispostos em diagonal do canto inferior esquerdo para o canto superior direito Pontoações são visíveis nas paredes laterais assim como as paredes terminais escalariformes entre os elementos de vaso 200x C Diagrama de uma pontoação areolada de coníferas com o toro centrado na câmara da pontoação esquerda ou desloca do para um lado da câmara direita Quando a diferença de pressão entre duas traqueídes é pequena a membrana de pontoação vai se alojar perto do centro da pontoação areolada permitindo que a água flua pela região da margem da membrana de pontoação quando a diferença de pressão entre duas traqueídes é grande como acontece quando uma está cavitada e a outra permanece preenchida com água sob tensão a membrana de pontoação é deslocada de modo que o toro fica disposto contra as paredes arqueadas sobre ele impedindo assim que a embolia se propague entre traqueídes D As membra nas de pontoação de angiospermas e de outras plantas vasculares não coníferas ao contrário são relativamente homogêneas em suas estru turas Essas membranas de pontoação têm poros muito pequenos em comparação com os das coníferas os quais previnem a propagação de embolia mas também impõem uma resistência hidráulica significativa C de Zimmermann 1983 Taiz04indd 105 Taiz04indd 105 27102016 143156 27102016 143156 106 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos Ele também é responsável por grande parte do fluxo de água no solo e nas paredes celulares dos tecidos vegetais Ao contrário da difusão de água através de membranas semipermeáveis o fluxo de massa acionado por pressão é independente do gradiente de concentração de solutos visto que variações na viscosidade são desprezíveis Se for considerado o fluxo de massa por um tubo a taxa de fluxo depende do raio r do tubo da viscosidade do líquido e do gradiente de pressão ΔΨpΔx que impulsiona o fluxo Jean Léonard Marie Poiseuille 17971869 foi um médico e fisiologista francês e a relação que foi descrita é dada por um tipo de equação de Poiseuille Taxa de fluxo de volume x p π η r4 8 Δ Δ Ψ 42 expressa em metros cúbicos por segundo m3 s1 Essa equação mostra que o fluxo de massa acionado por pressão é extremamente sensível ao raio do tubo Se o raio é duplicado a taxa de fluxo aumenta por um fator de 16 24 Elementos de vaso de até 500 μm de diâmetro apro ximadamente uma ordem de magnitude maior do que as maiores traqueídes ocorrem em caules de espécies trepa deiras Esses vasos de grande diâmetro permitem às lia nas transportar grandes quantidades de água a despeito do pequeno diâmetro de seus caules A Equação 42 descreve o fluxo de água através de um tubo cilíndrico e desse modo não leva em conta o fato de que os condutos do xilema têm comprimento finito de maneira que a água tem que atravessar muitas membra nas de pontoação à medida que flui do solo até as folhas Tudo o mais mantido constante as membranas de ponto ação deveriam impedir o fluxo de água pelas traqueídes unicelulares e portanto mais curtas em uma maior ex tensão do que pelos vasos multicelulares e portanto mais longos Entretanto as membranas de pontoação de coní feras são muito mais permeáveis à água do que aquelas encontradas em outras plantas permitindo a essas plantas desenvolveremse em árvores enormes a despeito de pro duzirem apenas traqueídes O movimento de água através do xilema requer um gradiente de pressão menor que o do movimento através de células vivas O xilema proporciona uma rota que opõe pouca resistên cia ao movimento de água Alguns valores numéricos aju darão a apreciar a extraordinária eficiência do xilema Cal culemos a força propulsora requerida para mover a água através do xilema em uma velocidade típica e comparemos esta com a força propulsora que seria necessária para mo ver a água através de uma rota constituída de células vivas na mesma taxa Para fins de comparação será usado um valor de 4 mm s1 para a velocidade de transporte no xilema e 40 μm como o raio do vaso Essa é uma velocidade alta para um vaso tão estreito de modo que ela tenderá a exagerar o gradien te de pressão requerido para sustentar o fluxo de água no xilema Utilizando uma versão da equação de Poiseuille ver Equação 42 podese calcular o gradiente de pressão necessário para mover a água a uma velocidade de 4 mm s1 através de um tubo ideal com um raio interno uniforme de 40 μm O cálculo resulta em um valor de 002 MPa m1 A elaboração das suposições as equações e os cálculos po dem ser encontrados no Tópico 43 na internet Evidentemente os condutos reais de xilema têm super fícies internas das paredes irregulares e o fluxo de água através das placas de perfuração e pontoações adiciona re sistência ao transporte de água Esses desvios do ideal au Parede terminal do vaso Vasos Traqueídes Pontoação Placa de perfuração escalariforme Vaso cavitado preenchido com ar Traqueíde cavitada preenchida com ar Água líquida Figura 47 Vasos à esquerda e traqueídes à direita formam uma série de rotas paralelas e interconectadas para o movimento de água A cavitação bloqueia o movimento de água por causa da formação de condutos cheios de ar embolizados Uma vez que os condutos do xilema são interconectados por aberturas pon toações areoladas em suas paredes secundárias espessas a água pode desviar do vaso bloqueado movendose para condutos ad jacentes Os poros muito pequenos nas membranas de pontoação ajudam a impedir que embolismos se espalhem entre os condutos do xilema Assim no diagrama da direita o gás está contido dentro de uma única traqueíde cavitada No diagrama da esquerda o gás preencheu todo o vaso cavitado aqui mostrado como composto por três elementos de vaso separados por placas de perfuração es calariformes parecendo os degraus de uma escada Na natureza os vasos podem ser muito longos até vários metros de comprimen to e portanto compostos por vários elementos de vaso Taiz04indd 106 Taiz04indd 106 27102016 143156 27102016 143156 Capítulo 4 Balanço Hídrico das Plantas 107 mentam o arrasto friccional medições evidenciam que a re sistência real é maior por um fator de aproximadamente 2 Agora comparese esse valor com a força propulsora que seria necessária para mover a água na mesma veloci dade de uma célula para outra atravessando cada vez a membrana plasmática Conforme o cálculo no Tópico 43 na internet a força propulsora necessária para mover a água através de uma camada de células a 4 mm s1 é de 2 108 MPa m1 Isso é dez ordens de grandeza maior que a força necessária para mover a água pelo vaso de 40 μm de raio O cálculo mostra claramente que o fluxo de água pelo xilema é muito mais eficiente do que o fluxo de água através de células vivas Contudo o xilema constitui uma contribuição significativa para a resistência total ao fluxo de água pela planta Que diferença de pressão é necessária para elevar a água 100 m até o topo de uma árvore Tendo em mente o exemplo anterior vêse que gradiente de pressão é necessário para mover a água até o topo de uma árvore muito alta As árvores mais altas do mundo são a sequoiavermelha Sequoia sempervirens da Améri ca do Norte e o cinzadamontanha Eucalyptus regnans da Austrália Indivíduos de ambas as espécies podem ter mais de 100 m de altura Ao se pensar no caule de uma árvore como um cano longo podese estimar a diferença de pressão necessária para superar o arrasto de atrito do movimento de água do solo ao topo da árvore multiplicando o gradiente de pressão necessário para mover a água pela altura da árvo re Os gradientes de pressão necessários para mover a água pelo xilema de árvores muito altas são da ordem de 001 MPa m1 menores do que no exemplo anterior Ao multi plicar esse gradiente de pressão pela altura da árvore 001 MPa m1 100 m constatase que a diferença de pressão total necessária para superar a resistência friccional ao mo vimento da água pelo caule é igual a 1 MPa Além da resistência friccional é necessário considerar a gravidade Como descrito pela Equação 34 para uma diferença de altura de 100 m a diferença no Ψg é de cerca de 1 MPa ou seja Ψg é 1 MPa maior no alto da árvore do que ao nível do solo Assim os outros componentes do po tencial hídrico devem ser 1 MPa mais negativos no topo da árvore para compensar os efeitos da gravidade Para permitir que a transpiração ocorra o gradiente de pressão decorrente da gravidade precisa ser adicionado àquele exigido para causar o movimento de água pelo xile ma Assim calculase que uma diferença de pressão apro ximada de 2 MPa da base aos ramos apicais seja necessária para transportar a água para cima nas árvores mais altas A teoria da coesãotensão explica o transporte de água no xilema Em teoria os gradientes necessários para mover a água no xilema poderiam resultar da geração de pressões positivas na base da planta ou de pressões negativas no topo dela Foi mencionado que algumas raízes podem desenvolver pressões hidrostáticas positivas no xilema Entretanto a pressão de raiz em geral é menor do que 01 MPa e desa parece com a transpiração ou quando os solos estão secos desse modo ela é claramente insuficiente para mover a água até o topo de uma árvore alta Além disso como a pressão de raiz é gerada pela acumulação de íons no xi lema contar com ela para transportar água exigiria um mecanismo para lidar com esses solutos quando a água evaporasse das folhas Em vez disso a água no topo de uma árvore desenvol ve uma grande tensão uma pressão hidrostática negativa que puxa a água pelo xilema Esse mecanismo proposto no final do século XIX é chamado de teoria da coesãoten são de ascensão da seiva pois ele requer as propriedades de coesão da água para suportar grandes tensões nas colu nas de água do xilema Podese demonstrar prontamen te a existência de tensão puncionando um xilema intacto com uma gota de tinta sobre a superfície caulinar de uma planta transpirante Quando a tensão no xilema é aliviada a tinta é instantaneamente puxada para dentro dele resul tando em listras visíveis ao longo do caule As tensões no xilema necessárias para puxar a água do solo desenvolvemse nas folhas como uma consequên cia da transpiração Como a perda de vapor de água atra vés dos estômatos abertos resulta em um fluxo de água a partir do solo Quando as folhas abrem seus estômatos para obter CO2 para a fotossíntese o vapor de água difun dese para fora delas Isso causa a evaporação da água da superfície das paredes celulares dentro das folhas Por sua vez a perda de água das paredes celulares causa o decrés cimo do potencial hídrico nelas Figura 48 Isso cria um gradiente no potencial hídrico que gera um fluxo de água em direção aos sítios de evaporação Uma hipótese de como uma perda de água das pare des celulares resulta em um decréscimo no potencial hí drico é que quando a água evapora a superfície de água remanescente é puxada para dentro de interstícios da pa rede celular ver Figura 48 onde ela forma interfaces ar água curvadas Uma vez que a água adere às microfibrilas de celulose e a outros componentes hidrofílicos da parede celular a curvatura dessas interfaces induz uma pressão negativa na água À medida que mais água é removida da parede a curvatura dessas interfaces arágua aumenta e a pressão da água tornase mais negativa ver Equação 41 uma situação análoga ao que ocorre no solo Uma hipótese alternativa de como a transpiração causa o decréscimo do potencial hídrico nas paredes celulares se concentra nas propriedades do componente péctico da parede celular e é discutida no Ensaio 41 na internet Uma parte da água que flui em direção aos sítios de evaporação provém do protoplasto de células adjacentes Contudo como as folhas são conectadas ao solo via uma rota de baixa resistência o xilema a maior parte do que repõe a água perdida pelas folhas por transpiração vem do solo A água fluirá do solo quando o potencial hídrico das Taiz04indd 107 Taiz04indd 107 27102016 143156 27102016 143156 108 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos folhas for baixo o suficiente para sobrepujar o Ψp do solo bem como a resistência associada ao movimento da água pela planta Observe que para a água ser puxada do solo é preciso uma rota contínua preenchida de líquido se esten dendo dos sítios de evaporação para baixo através da planta e para dentro do solo A teoria da coesãotensão explica como o movimento substancial de água pelas plantas pode ocorrer sem o con sumo direto de energia metabólica a energia que impulsio na o movimento de água através das plantas vem do sol o qual por aumentar a temperatura tanto da folha como do ar circundante impele a evaporação da água Entretanto o transporte de água através do xilema não é grátis A plan ta deve elaborar condutos xilemáticos capazes de suportar as enormes tensões necessárias para puxar a água do solo Além do mais as plantas devem acumular solutos suficien tes em suas células vivas para que elas sejam capazes de permanecer túrgidas mesmo quando os potenciais hídricos diminuem devido à transpiração A teoria da coesãotensão tem sido uma matéria con troversa há mais de um século e continua a gerar debates acalorados A principal controvérsia gira em torno da se guinte questão as colunas de água no xilema podem sus tentar as grandes tensões pressões negativas necessárias para puxar a água para cima em árvores altas Recente mente o transporte de água através de um dispositivo microfluídico projetado para funcionar como uma árvo re artificial demonstrou o fluxo estável de água líquida a pressões mais baixas mais negativas do que 70 MPa Para detalhes da história da pesquisa sobre o transporte de água no xilema incluindo as controvérsias em torno da teoria da coesãotensão ver Ensaios 42 e 43 na internet O transporte de água no xilema em árvores enfrenta desafios físicos As grandes tensões que se desenvolvem no xilema de ár vores ver Ensaio 44 na internet e de outras plantas po dem representar desafios físicos significativos Primeiro a água sob tensão transmite uma força interna às paredes do xilema Se as paredes celulares fossem fracas ou maleá veis elas colapsariam sob essa tensão Os espessamentos secundários de parede e a lignificação das traqueídes e dos vasos são adaptações que se contrapõem a essa tendência ao colapso Plantas que experimentam grandes tensões no xilema tendem a ter lenho denso refletindo o estresse me cânico imposto a ele pela água sob tensão Figura 48 A força propulsora do movimento de água nas plan tas originase nas folhas Uma hipótese de como isso ocorre é que à medida que a água evapora das superfícies das células do mesofilo a água retraise mais profundamente nos interstícios da parede ce lular Como a celulose é hidrofílica ângulo de contato 0o a força resultante da tensão superficial causa uma pressão negativa na fase líquida À medida que o raio da curvatura dessas interfaces arágua decresce a pressão hidrostática tornase mais negativa conforme calculado na Equação 41 Micrografia de Gunning e Steer 1996 Membrana plasmática Vacúolo Parede celular Cloroplasto Citoplasma r001 r005 r05 Ar Microfibrilas de celulose Película de água Ar Superfície úmida da parede celular Raio da curvatura μm Pressão hidrostática MPa 05 03 005 3 001 15 Taiz04indd 108 Taiz04indd 108 27102016 143156 27102016 143156 Capítulo 4 Balanço Hídrico das Plantas 109 Um segundo desafio é que a água sob essas tensões está em um estado fisicamente metaestável A água é um lí quido estável quando sua pressão hidrostática excede sua pressão de saturação de vapor Quando a pressão hidros tática na água líquida tornase igual à sua pressão de sa turação de vapor a água passa por uma mudança de fase A ideia de evaporar a água aumentando sua temperatura elevando sua pressão de saturação de vapor nos é familiar Menos familiar mas ainda facilmente observado é o fato de que a água pode ferver à temperatura ambiente se colocada em uma câmara de vácuo diminuindo a pressão hidrostá tica na fase líquida pela redução da pressão da atmosfera Em exemplo anterior foi estimado que um gradiente de pressão de 2 MPa seria necessário para fornecer água às folhas no topo de uma árvore de 100 m de altura Admi tindose que o solo que circunda essa árvore está plena mente hidratado e não possui concentrações significativas de solutos ie Ψ 0 a teoria da coesãotensão prevê que a pressão hidrostática da água no xilema junto ao topo da árvore será de 2 MPa Esse valor está substancialmente abaixo da pressão de saturação de vapor pressão absoluta de cerca de 0002 MPa a 20C suscitando a pergunta so bre o que mantém a coluna de água em seu estado líquido A água no xilema é descrita como estando em um es tado metaestável porque apesar da existência de um esta do de energia termodinamicamente mais baixo o vapor de água ela permanece como um líquido Essa situação ocorre porque 1 a coesão e a adesão da água tornam a barreira de energia livre para a mudança de estado líqui doparavapor muito alta e 2 a estrutura do xilema mi nimiza a presença de sítios de nucleação que diminuem a barreira de energia que separa o líquido da fase de vapor Os sítios de nucleação mais importantes são bolhas de gás Quando uma bolha de gás atinge um tamanho sufi ciente para que a força direcionada para dentro resultante da tensão superficial seja menor que a força direcionada para fora devido à pressão negativa na fase líquida a bolha se expande Além disso assim que a bolha começa a se expandir a força em direção ao centro devido à tensão su perficial decresce porque a interface arágua fica com me nor curvatura Assim uma bolha que excede o tamanho crítico de expansão se dilata até preencher todo o conduto A ausência de bolhas de ar de tamanho suficiente para desestabilizar a coluna de água quando sob tensão se deve em parte ao fato de que nas raízes a água precisa atravessar a endoderme para entrar no xilema A endoder me serve como um filtro impedindo a entrada de bolhas de gás no xilema As membranas de pontoação também funcionam como filtros à medida que a água flui de um conduto do xilema para outro Entretanto quando são expostas ao ar em um lado devido a injúria abscisão fo liar ou à existência de um conduto vizinho cheio de ar as membranas de pontoação podem servir como sítios para entrada de ar O ar entra quando a diferença de pressão através da membrana de pontoação é suficiente tanto para permitir que ele penetre a matriz microfibrilar de celulose de membranas de pontoação estruturalmente homogê neas ver Figura 46D como para desalojar o toro de mem brana de pontoação de uma conífera ver Figura 46C Esse fenômeno denominase semeadura de ar air seeding Uma segunda maneira pela qual bolhas podem se for mar nos condutos do xilema é o congelamento dos tecidos xilemáticos Como a água no xilema contém gases dissol vidos e a solubilidade de gases no gelo é muito baixa o congelamento dos condutos do xilema pode levar à forma ção de bolhas O fenômeno de formação de bolhas é denominado ca vitação e à lacuna resultante preenchida de gás é referida como uma embolia Seu efeito é similar ao de uma obstru ção do vapor na linha de combustível de um automóvel ou à embolia de um vaso sanguíneo A cavitação rompe a continuidade da coluna de água e impede o transporte de água sob tensão Essas rupturas nas colunas de água em plantas são bastante comuns Quando as plantas são privadas de água pulsos de som ou cliques podem ser detectados A formação e a rápida expansão de bolhas de ar no xile ma de tal forma que a pressão na água é repentinamente aumentada por talvez 1 MPa ou mais resultam em ondas de choque acústico de alta frequência pelo resto da planta Essas interrupções na continuidade da água do xilema se não reparadas seriam desastrosas à planta Ao bloquea rem a rota principal de transporte de água essas embolias aumentariam a resistência ao fluxo e por fim causariam a desidratação e a morte das folhas e de outros órgãos Curvas de vulnerabilidade Figura 49 fornecem uma maneira de quantificar a suscetibilidade de uma espécie à cavitação e o impacto desta no fluxo pelo xilema Uma cur 12 10 8 6 4 2 0 20 0 40 60 80 100 Pressão de água no xilema MPa Porcentagem de perda na condutância do xilema Ceanothus crassifolius hoaryleaf ceanothus Artemisia tridentata ssp wyomingensis artemísia Populus fremontii choupo hc ws ct Figura 49 Curvas de vulnerabilidade do xilema representam a perda percentual na condutância hidráulica do xilema caulinar ver sus a pressão de água no xilema em três espécies de tolerâncias contrastantes à seca Os dados foram obtidos de ramos excisados submetidos experimentalmente a níveis crescentes de tensão no xi lema utilizando uma técnica de força centrífuga As setas sobre o eixo superior indicam a pressão mínima no xilema medida no cam po para cada espécie De Sperry 2000 Taiz04indd 109 Taiz04indd 109 27102016 143156 27102016 143156 110 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos va de vulnerabilidade relaciona a condutividade hidráulica medida normalmente como uma porcentagem da máxima de um ramo caule ou segmento de raiz aos níveis de ten são de xilema experimentalmente impostos Devido à cavi tação a condutividade hidráulica do xilema decresce com as tensões crescentes até o fluxo cessar por completo Con tudo o decréscimo na condutividade hidráulica do xilema ocorre em tensões muito menores em espécies de hábitats úmidos como a bétula do que em espécies de regiões mais áridas como a artemísia As plantas minimizam as consequências da cavitação do xilema O impacto da cavitação do xilema na planta é minimizado de várias maneiras Uma vez que os condutos de trans porte de água no xilema são interconectados uma bolha de gás pode em princípio expandirse e preencher toda a rede de condutos Na prática as bolhas de gás não se expandem para muito longe porque em expansão elas não podem passar facilmente pelos pequenos poros das membranas de pontoação Devido à interconexão dos ca pilares do xilema uma bolha de gás não consegue parar completamente o fluxo de água Em vez disso a água pode desviar do ponto bloqueado trafegando pelos condutos vizinhos preenchidos com água ver Figura 47 Assim o comprimento finito dos condutos formados por traqueídes e vasos apesar de resultar em aumento de resistência ao fluxo de água também proporciona uma maneira de res tringir o impacto da cavitação As bolhas de gás também podem ser eliminadas do xilema Conforme foi visto algumas plantas desenvol vem pressões positivas pressões de raiz no xilema Essas pressões contraem as bolhas e fazem os gases se dissolve rem Estudos recentes sugerem que a cavitação pode ser CO2 alto Células do mesofilo Parênquima paliçádico Xilema Camada limítrofe de ar Cutícula Epiderme superior Camada limítrofe de ar Vapor de água baixo Resistência da camada limítrofe rb Resistência estomática foliar rs Vapor de água CO2 Célulaguarda Câmara subestomática Epiderme inferior Cutícula Fenda estomática CO2 baixo Vapor de água alto Figura 410 Trajetória da água pela folha A água é puxada do xilema para as paredes celulares do mesofilo de onde evapora para os espaços intercelulares dentro da folha O vapor de água difundese então pelos espaços intercelulares da folha através da fenda estomá tica e da camada limítrofe de ar estacionário situada junto à superfície foliar O CO2 difundese na direção oposta ao longo de seu gradiente de concentração baixa no interior mais alta no exterior reparada mesmo quando a água no xilema se encontra sob tensão Um mecanismo para esse reparo ainda não é co nhecido e permanece como tema de pesquisas em anda mento ver Ensaio 45 na internet Finalmente muitas plantas têm crescimento secundá rio em que um novo xilema se forma a cada ano A pro dução de novos condutos de xilema permite às plantas restituírem as perdas na capacidade de transporte de água devida à cavitação Movimento da água da folha para a atmosfera Em sua trajetória da folha para a atmosfera a água é pu xada do xilema para as paredes celulares do mesofilo de onde evapora para os espaços intercelulares Figura 410 O vapor de água sai então da folha através da fenda esto mática O movimento da água líquida pelos tecidos vivos da folha é controlado por gradientes no potencial hídrico Entretanto o transporte na fase de vapor é por difusão de modo que a parte final da corrente transpiratória é contro lada pelo gradiente de concentração de vapor de água Taiz04indd 110 Taiz04indd 110 27102016 143156 27102016 143156 Capítulo 4 Balanço Hídrico das Plantas 111 A cutícula cerosa que cobre a superfície foliar é uma barreira eficaz ao movimento da água Estimase que apenas 5 da água perdida pelas folhas saiam através da cutícula Quase toda a perda de água pelas folhas se dá por difusão de vapor de água pelas diminutas fendas esto máticas Na maioria das espécies herbáceas os estômatos estão presentes tanto na face superior como na inferior da epiderme foliar geralmente sendo mais abundantes na inferior Em muitas espécies arbóreas os estômatos estão localizados somente na face inferior Agora será examinado o movimento da água líquida através da folha a força propulsora da transpiração foliar as principais resistências na rota de difusão da folha para a atmosfera e as características anatômicas da folha que regulam a transpiração As folhas têm uma grande resistência hidráulica Embora as distâncias que a água deve atravessar den tro das folhas sejam pequenas em relação a toda a rota soloatmosfera a contribuição da folha para a resistência hidráulica total é grande Em média as folhas constituem 30 da resistência total da fase líquida e em algumas plantas sua contribuição é muito maior Essa combinação de comprimento curto de percurso e resistência hidráulica grande também ocorre em raízes refletindo o fato de que em ambos os órgãos o transporte de água ocorre através de tecidos vivos altamente resistivos bem como pelo xilema A água entra nas folhas e é distribuída através da lâ mina foliar nos condutos do xilema Ela deve sair pelas pa redes do xilema e passar por múltiplas camadas de células vivas antes de evaporar Portanto a resistência hidráulica foliar reflete o número a distribuição e o tamanho dos con dutos xilemáticos bem como as propriedades hidráulicas das células do mesofilo A resistência hidráulica de folhas de arquiteturas de venação diversas varia em cerca de 40 vezes Uma grande parte dessa variação parece ser devida à densidade das nervuras dentro da folha e à sua distância da superfície evaporativa foliar Folhas com nervuras muito próximas tendem a ter resistência hidráulica menor e taxas fotossintéticas maiores sugerindo que a proximidade das nervuras foliares aos sítios de evaporação exerce um impac to significante nas taxas de trocas gasosas foliares A resistência hidráulica de folhas varia em resposta às condições de crescimento e exposição a baixos potenciais hídricos foliares Por exemplo folhas de plantas crescendo em condições de sombreamento exibem maior resistência ao fluxo de água do que folhas de plantas crescendo sob maior luminosidade A resistência hidráulica foliar tam bém aumenta em geral com a idade foliar Em escalas de tempo mais curtas decréscimos no potencial hídrico foliar levam a marcantes incrementos na resistência hidráulica O aumento na resistência hidráulica foliar pode resultar em decréscimos na permeabilidade da membrana de cé lulas do mesofilo cavitação de condutos xilemáticos de nervuras foliares ou em alguns casos colapso físico de condutos do xilema sob tensão A força propulsora da transpiração é a diferença na concentração de vapor de água A transpiração foliar depende de dois fatores principais 1 a diferença na concentração de vapor de água entre os espaços intercelulares das folhas e a massa atmosférica externa Δcwv e 2 a resistência à difusão r dessa rota A diferença de concentração de vapor de água é expressa como cwvfolha cwvar A concentração de vapor de água do ar cwvar pode ser facilmente medida mas a da folha cwvfolha é mais difícil de ser determinada Enquanto o volume dos espaços intercelulares dentro da folha é pequeno a superfície úmida da qual a água evapora é grande O volume dos espaços intercelulares é somente 5 do volume total da folha em acículas de pinheiros 10 em folhas de milho Zea mays 30 em cevada e 40 em folhas de tabaco Em comparação com o volume dos espaços inter celulares a área de superfície interna da qual a água evapora pode ser de 7 a 30 vezes a área foliar externa Essa alta ra zão superfícievolume leva a um rápido equilíbrio de vapor no interior da folha Assim podese assumir que os espaços intercelulares dentro da folha se aproximam do equilíbrio de potencial hídrico com as superfícies das paredes celulares das quais a água líquida está evaporando Dentro da faixa de potenciais hídricos experimenta dos por folhas transpirantes geralmente maiores do que 20 MPa a concentração de equilíbrio de vapor de água está em torno de 2 pontos percentuais da concentração de saturação de vapor de água Isso permite que se estime a concentração de vapor de água dentro da folha a partir de sua temperatura a qual é fácil de medir Visto que o conteúdo de saturação de vapor de água do ar aumenta exponencialmente com a temperatura a temperatura fo liar tem um impacto marcante nas taxas transpiratórias O Tópico 44 na internet mostra como se pode calcular a concentração de vapor de água nos espaços de ar da folha e discute outros aspectos das relações hídricas dentro da folha A concentração de vapor de água cwv muda em vá rios pontos ao longo da rota de transpiração Vêse na Tabela 41 que cwv decresce em cada etapa da rota que vai da superfície da parede celular até a massa atmosférica fora da folha Os pontos importantes a serem lembrados são que 1 a força propulsora da perda de água da folha é a diferença na concentração absoluta diferença em cwv em mol m3 e 2 essa diferença é marcadamente influencia da pela temperatura foliar A perda de água também é regulada por resistências na rota O segundo fator importante a governar a perda de água pelas folhas é a resistência à difusão na rota da transpi ração que consiste em dois componentes variáveis ver Figura 410 1 A resistência associada à difusão pela fenda estomáti ca a resistência estomática foliar rs Taiz04indd 111 Taiz04indd 111 27102016 143156 27102016 143156 112 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos 2 A resistência causada pela camada de ar estacionário junto à superfície foliar por meio da qual o vapor tem de se difundir para al cançar o ar turbulento da atmosfera Essa segunda resistência rb é chamada de resistência da camada limítrofe Será discutido esse tipo de resistência an tes de se considerar a resis tência estomática A espessura da camada limítrofe é determinada prin cipalmente pela velocidade do vento e pelo tamanho da folha Quando o ar que circunda a folha encontrase muito pa rado a camada de ar estacionário junto à superfície foliar pode ser tão espessa que se torna o principal impedimento à perda de vapor de água pela folha Aumentos nas aber turas estomáticas sob essas condições têm pouco efeito na taxa de transpiração Figura 411 embora o fechamento completo dos estômatos ainda reduza a transpiração Quando a velocidade do vento é alta o ar em movi mento reduz a espessura da camada limítrofe na superfí cie da folha diminuindo a resistência dessa camada Sob essas condições a resistência estomática controlará em grande parte a perda de água da folha Vários aspectos anatômicos e morfológicos da folha podem influenciar a espessura da camada limítrofe Os tri comas nas superfícies foliares podem servir como quebra ventos microscópicos Algumas plantas têm estômatos em cavidade o que proporciona um abrigo externo à fenda es tomática O tamanho e a forma das folhas e sua orientação em relação à direção do vento também influenciam a ma neira como ele sopra ao longo da superfície foliar A maio ria desses fatores entretanto não pode ser alterada de uma hora para outra ou mesmo de um dia para outro Para uma regulação de curto prazo da transpiração o controle das aberturas estomáticas pelas célulasguarda desempenha um papel crucial no controle da transpiração foliar Algumas espécies são capazes de mudar a orientação de suas folhas e desse modo influenciar suas taxas trans piratórias Por exemplo quando as plantas orientam suas folhas paralelamente aos raios solares a temperatura foliar é reduzida e com isso a força impulsora da transpiração Δcwv Muitas folhas de gramíneas enrolamse quando ex perimentam déficits hídricos aumentando dessa manei ra sua resistência da camada limítrofe Mesmo a murcha pode ajudar a melhorar as altas taxas transpiratórias pela redução da quantidade de radiação interceptada resultan do em temperaturas foliares mais baixas e um decréscimo em Δcwv O controle estomático liga a transpiração foliar à fotossíntese foliar Como a cutícula que recobre a folha é quase impermeável à água a maior parte da transpiração foliar resulta da di fusão de vapor de água através da fenda estomática ver Figura 410 As fendas estomáticas microscópicas pro porcionam uma rota de baixa resistência para o movimento de difusão de gases através da epiderme e da cutícula As TABELA 41 Valores representativos de umidade relativa concentração absoluta de vapor de água e potencial hídrico para quatro pontos ao longo da rota de perda de água de uma folha Localização Umidade relativa Vapor de água Concentração mol m3 Potencial MPaa Espaços intercelulares 25C 099 127 138 Imediatamente dentro da fenda estomática 25C 097 121 704 Imediatamente fora da fenda estomática 25C 047 060 1037 Massa atmosférica 20C 050 050 936 Fonte Adaptada de Nobel 1999 Nota Ver Figura 410 aCalculado usando a Equação 452 em Tópico 44 na internet com valores para RTV w de 135 MPa a 20C e 1373 MPa a 25C 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 Abertura estomática μm Fluxo transpiratório mg vapor de água m2 superfície foliar s1 Ar em movimento Ar parado Fluxo limitado pela resistência da camada limítrofe Figura 411 Dependência do fluxo de transpiração em relação à abertura estomática da zebrina Zebrina pendula sob ar para do e sob ar em movimento A camada limítrofe é mais espessa e mais limitante em ar parado do que em ar em movimento Como consequência a abertura estomática tem menos controle sobre a transpiração no ar parado De Bange 1953 Taiz04indd 112 Taiz04indd 112 27102016 143156 27102016 143156 Capítulo 4 Balanço Hídrico das Plantas 113 mudanças na resistência estomática são importantes para a regulação da perda de água pela planta e para o controle da taxa de absorção de dióxido de carbono necessária à fixação continuada de CO2 durante a fotossíntese Quando a água é abundante a solução funcional para a necessidade de limitar a perda de água pela folha duran te a absorção de CO2 é a regulação temporal das aberturas estomáticas abertas durante o dia fechadas durante a noite À noite quando não há fotossíntese e assim não há qualquer demanda por CO2 dentro da folha as aberturas estomáticas mantêmse pequenas ou fechadas impedindo perda desnecessária de água Em uma manhã ensolarada quando o suprimento de água é abundante e a radiação solar incidente nas folhas favorece a alta atividade fotos sintética a demanda por CO2 dentro da folha é grande e as fendas estomáticas abremse amplamente diminuindo a resistência estomática à difusão do CO2 A perda de água por transpiração é substancial nessas condições mas uma vez que o suprimento hídrico é abundante é vantajoso para a planta trocar a água por produtos da fotossíntese essenciais para o crescimento e a reprodução Por outro lado quando a água do solo é menos abun dante os estômatos abrirão menos ou até mesmo perma necerão fechados em uma manhã ensolarada Mantendo seus estômatos fechados sob condições de seca a planta evita a desidratação A folha não pode controlar cwvar ou rb Todavia ela pode regular sua resistência estomática rs pela abertura e pelo fechamento da fenda estomática Esse controle biológico é exercido por um par de células epidér micas especializadas as célulasguarda que circundam a fenda estomática Figura 412 As paredes celulares das célulasguarda têm características especializadas Célulasguarda são encontradas em folhas de todas as plantas vasculares e estão presentes também em algumas plantas avasculares como antóceros e musgos As células guarda mostram considerável diversidade morfológica mas se podem distinguir dois tipos principais um é típico de gramíneas enquanto o outro é encontrado na maioria das outras plantas floríferas bem como em musgos fetos e gimnospermas Em gramíneas ver Figura 412B as célulasguarda têm uma forma característica de halteres com extremida des bulbosas A fenda propriamente dita é uma longa aber tura localizada entre as duas alças dos halteres Essas célulasguarda são sempre ladeadas por um par de células epidérmicas distintas denominadas células subsidiárias que auxiliam as célulasguarda a controlar a fenda esto mática As célulasguarda as células subsidiárias e a fenda constituem o chamado complexo estomático Na maioria das outras plantas as célulasguarda têm um contorno elíptico frequentemente chamado de re niforme com a fenda em seu centro ver Figura 412C A Fenda estomática Célulasguarda Célula guarda Célula subsidiária Célula epidérmica Célula guarda Célula subsidiária Célula epidérmica C B Figura 412 Estômato A Micrografias ao microscópio eletrôni co de varredura da epiderme de cebola O painel à esquerda mostra a superfície externa da folha com uma fenda estomática inserida na cutícula O painel à direita apresenta um par de célulasguarda vol tadas para a cavidade estomática em direção ao interior da folha 1640 B Estômato de milho Zea mays mostrando as células guarda em forma de halteres típicas de gramíneas C A maioria das outras plantas tem célulasguarda reniformes como visto nes te estômato aberto de Tradescantia zebrina A de Zeiger e Hepler 1976 esquerda e E Zeiger e N Burnstein direita Taiz04indd 113 Taiz04indd 113 27102016 143156 27102016 143156 114 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos Embora sejam comuns em espécies com estômatos re niformes as células subsidiárias podem estar ausentes nesse caso as célulasguarda são circundadas por células epidérmicas comuns Uma característica peculiar de célulasguarda é a estru tura especializada de suas paredes Porções dessas paredes são substancialmente espessadas Figura 413 e podem ter espessura superior a 5 μm em comparação com a espessura Fenda Vacúolo Parede celular interna CÂMARA SUBESTOMÁTICA Plastídio ATMOSFERA 2 μm Atmosfera Interior da folha A Citosol e vacúolo Fenda Parede celular da célulaguarda fortemente espessada Células subsidiárias B Célulasguarda Microfibrilas de celulose dispostas radialmente Microfibrilas de celulose dispostas radialmente Células epidérmicas Célulasguarda Fenda Célulasguarda C Célula subsidiária Complexo estomático Células epidérmicas Fenda Figura 413 Estrutura da parede da célulaguarda A Micro grafia ao microscópio eletrônico de um estômato de uma gramí nea Phleum pratense As extremidades bulbosas de cada célu laguarda mostram seus conteúdos citosólicos e são unidas por paredes fortemente espessadas A fenda estomática separa as duas porções medianas das célulasguarda 2560 B Microgra fia ao microscópio eletrônico exibindo um par de célulasguarda de tabaco Nicotiana tabacum O corte é perpendicular à super fície principal da folha A câmara sobre a fenda estomática está voltada para a atmosfera e a câmara subestomática situase no interior da folha Observe o padrão de espessamento desigual das paredes o que determina a deformação assimétrica das células guarda quando seu volume aumenta durante a abertura esto mática C Alinhamento radial das microfibrilas de celulose em célulasguarda e células epidérmicas de um estômato do tipo gra mínea esquerda e um estômato reniforme direita A de Palevitz 1981 cortesia de B Palevitz B de Sack 1987 cortesia de F Sack C de Meidner e Mansfield 1968 N de RT No original há referência apenas ao poro pore para mencionar a abertura do estômato em contato com a atmosfera No entanto cabe destacar que anatomicamente existe uma distinção entre poro e fenda estomática ostíolo O poro é a abertura externa abaixo do qual encontrase um espaço câmara denominado átrio Mais para o interior localizase a fenda estomática onde se processa o controle do inter câmbio gasoso e da transpiração Taiz04indd 114 Taiz04indd 114 27102016 143156 27102016 143156 Capítulo 4 Balanço Hídrico das Plantas 115 de 1 a 2 μm típica de células epidérmicas Em célulasguarda reniformes um padrão de espessamento diferencial resulta em paredes internas e externas laterais muito espessas uma parede dorsal fina a parede em contato com células epidérmicas e uma ventral fenda um tanto quanto espes sada As porções da parede que estão voltadas para a atmos fera muitas vezes se estendem em proeminências bem de senvolvidas que formam uma câmara frontal sobre a fenda O alinhamento das microfibrilas de celulose que re forçam todas as paredes celulares vegetais e que são um importante determinante da forma da célula ver Capítulo 14 desempenha um papel essencial na abertura e no fe chamento da fenda estomática Em células comuns de for mato cilíndrico as microfibrilas de celulose estão orientadas transversalmente em relação ao eixo longitudional da célula Como consequência a célula expandese na direção de seu eixo longitudional pois o reforço de celulose oferece menor resistência a ângulos retos em relação à sua orientação Nas célulasguarda a organização de microfibrilas é diferente Célulasguarda reniformes têm microfibrilas de celulose projetadas radialmente a partir da fenda ver Figura 413C Como resultado a parede interna volta da para a fenda é muito mais espessa do que a parede externa Assim quando uma célulaguarda aumenta em volume a parede externa expandese mais do que a pare de interna Isso leva as célulasguarda a curvaremse e a fenda a abrirse Em gramíneas as célulasguarda em for N de T Anticlinais ma de halteres funcionam como barras com extremidades infláveis A orientação das microfibrilas de celulose é tal que quando as extremidades bulbosas das células aumen tam em volume as barras são separadas uma da outra e a fenda entre elas se alarga ver Figura 413C Um aumento na pressão de turgor das célulasguarda abre o estômato As célulasguarda funcionam como válvulas hidráulicas multissensoriais Fatores ambientais como intensida de e qualidade de luz temperatura status hídrico foliar e concentração intracelular de CO2 são percebidos pelas célulasguarda e esses sinais são integrados em respostas estomáticas bem definidas Se folhas mantidas no escuro são iluminadas o estímulo luminoso é percebido pelas cé lulasguarda como um sinal de abertura desencadeando uma série de respostas que resultam na abertura da fenda estomática Os aspectos iniciais desse processo são a absorção iô nica e outras mudanças metabólicas nas célulasguarda que serão discutidas em detalhe no Capítulo 24 Aqui se rão observados os efeitos do decréscimo no potencial os mótico Ψs resultante da absorção iônica e da biossíntese de moléculas orgânicas nas célulasguarda As relações hídricas nas célulasguarda seguem as mesmas regras válidas para outras células À medida que o Ψs decresce o potencial hídrico diminui e consequentemente a água se move para dentro das célulasguarda À medida que a água entra na célula a pressão de turgor aumenta e o estô mato se abre Figura 414 20 μm 20 μm 20 μm A Nephrolepsis exaltata C Tradescantia virginiana B Triticum aestivum E E E E G G G G G G G G G G G G S S S S S S S S E E E E G G G G G G G G G G G G S S S S S S S S Figura 414 Corte transversal de estômatos amostrados por con gelamento rápido de folhas intactas de A Nephrolepsis exaltata um feto B Triticum aestivum uma gramínea e C Tradescantia virginia na uma angiosperma não gramínea Estômatos fechados figuras su periores são de folhas amostradas à noite estômatos abertos figu ras inferiores são de folhas expostas à luz solar intensa com umidade muito alta por várias horas G célulaguarda S célula subsidiária E célula epidérmica De Franks e Farquhar 2007 Taiz04indd 115 Taiz04indd 115 27102016 143156 27102016 143156 116 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos Em algumas plantas por exemplo fetos a abertu ra e o fechamento estomático envolvem mudanças no vo lume e pressão de turgor apenas das célulasguarda ver Figura 414A Quando as folhas estão bem hidratadas e portanto o Ψ foliar é alto a pressão de turgor das célu lasguarda é alta e o estômato se abre De modo oposto quando a disponibilidade de água decresce e o Ψ foliar cai a pressão de turgor das célulasguarda também dimi nui e o estômato se fecha conservando a água Em angiospermas a abertura e o fechamento es tomático envolvem mudanças no volume e pressão de turgor tanto das célulasguarda como das células subsi diárias ou epidérmicas adjacentes ver Figuras 414B e C Ao mesmo tempo em que a absorção de solutos pelas célulasguarda provoca nelas o aumento no volume e na pressão de turgor as células subsidiárias ou epidérmi cas adjacentes liberam solutos no apoplasto A trans ferência de solutos para fora das células subsidiárias e para dentro das célulasguarda leva as primeiras a di minuir a pressão de turgor e o tamanho facilitando a expansão das célulasguarda na direção oposta à fenda estomática De modo inverso a transferência de solutos das célulasguarda para as células subsidiárias aumenta o tamanho e a pressão de turgor dessas últimas empur rando assim as célulasguarda e causando o fechamen to do estômato As células subsidiárias parecem desempenhar um importante papel ao permitir aos estômatos de angios permas abrirem rapidamente e alcançarem grandes aberturas Uma consequência dessas interações é que decréscimos no potencial hídrico foliar não estão ligados passivamente ao fechamento estomático As células sub sidiárias devem aumentar em volume e pressão de tur gor para o estômato se fechar No Capítulo 24 será visto como sinais químicos desempenham um importante pa pel no controle da abertura estomática durante a seca A razão de transpiração mede a relação entre perda de água e ganho de carbono A eficiência das plantas em moderar a perda de água ao mesmo tempo em que permitem absorção suficiente de CO2 para a fotossíntese pode ser estimada por um pa râmetro denominado razão de transpiração Esse valor é definido como a quantidade de água transpirada pela planta dividida pela quantidade de dióxido de carbono as similado pela fotossíntese Para plantas em que o primeiro produto estável da fi xação de carbono é um composto de três carbonos plantas C3 ver Capítulo 8 cerca de 400 moléculas de água são perdidas para cada molécula de CO2 fixada pela fotossín tese dando uma razão de transpiração de 400 Algumas vezes a recíproca da razão de transpiração chamada de eficiência no uso da água é citada Plantas com uma razão de transpiração de 400 têm uma eficiência no uso da água de 1400 ou 00025 A grande razão entre efluxo de H2O e influxo de CO2 resulta de três fatores 1 O gradiente de concentração que aciona a perda de água é cerca de 50 vezes maior que aquele que acio na o influxo de CO2 Em grande parte essa diferença decorre da baixa concentração de CO2 no ar cerca de 004 e da concentração relativamente alta de vapor de água dentro da folha 2 O CO2 difundese na proporção de 16 vez mais lenta mente pelo ar que a água a molécula de CO2 é maior que a de H2O e tem um menor coeficiente de difusão 3 O CO2 precisa atravessar a membrana plasmática o citoplasma e o envoltório do cloroplasto antes de ser assimilado no cloroplasto Essas membranas aumen tam a resistência da rota de difusão do CO2 Algumas plantas utilizam variações da rota fotossin tética habitual para a fixação do dióxido de carbono que reduzem substancialmente suas razões de transpiração As plantas nas quais um composto de quatro carbonos é o primeiro produto estável da fotossíntese plantas C4 ver Capítulo 8 em geral transpiram menos água por molécula de CO2 fixado do que as plantas C3 uma razão de trans piração típica para plantas C4 é de cerca de 150 Isso acon tece em grande parte porque a fotossíntese C4 resulta em uma menor concentração de CO2 no espaço intercelular de aeração ver Capítulo 8 Assim criase uma força propul sora maior para a absorção de CO2 permitindo que essas plantas funcionem com aberturas estomáticas menores e desse modo menores taxas transpiratórias As plantas adaptadas ao deserto e com fotossíntese do tipo metabolismo ácido das crassuláceas CAM de cras sulacean acid metabolism nas quais o CO2 é inicialmente fixado em ácidos orgânicos de quatro carbonos à noite têm razões de transpiração ainda menores valores de cer ca de 50 não são incomuns Isso é possível porque seus estômatos têm um ritmo diurno invertido abrindo à noite e fechando durante o dia A transpiração é muito menor à noite uma vez que a temperatura foliar amena dá origem apenas a um Δcwv muito pequeno Visão geral o continuum soloplantaatmosfera Foi visto que o movimento de água do solo para a atmos fera através da planta envolve diferentes mecanismos de transporte No solo e no xilema água líquida movese por flu xo de massa em resposta a um gradiente de pressão ΔΨp Quando a água transportada no estado líquido atra vessa membranas a força propulsora é a diferença de potencial hídrico através da membrana Esse fluxo osmótico ocorre quando as células absorvem a água e quando as raízes a transportam do solo ao xilema Taiz04indd 116 Taiz04indd 116 27102016 143156 27102016 143156 Capítulo 4 Balanço Hídrico das Plantas 117 Na fase de vapor a água movese principalmente por difusão pelo menos até atingir o ar externo onde a convecção uma forma de fluxo de massa tornase dominante No entanto o elementochave no transporte de água do solo às folhas é a geração de pressões negativas dentro do xilema devido às forças capilares nas paredes celulares das folhas transpirantes Na outra extremidade da plan ta a água do solo também é retida por forças capilares Isso resulta em um cabo de guerra em uma coluna de água por forças capilares atuando nas duas extremidades À medida que a folha perde água por transpiração a água sobe pela planta saindo do solo impulsionada por forças físicas sem o envolvimento de qualquer bomba metabó lica A energia para o movimento da água é em última instância fornecida pelo sol Esse mecanismo simples contribui para tremenda eficiência energética o que é crucial quando cerca de 400 moléculas de água estão sendo transportadas para cada molécula de CO2 sendo absorvida em troca Os elementos cruciais que permitem o funcionamento desse mecanismo de transporte são a baixa resistividade da rota de fluxo no xilema a qual é protegida contra a cavitação e uma gran de área de superfície do sistema de raízes para extrair água do solo RESUMO Há um conflito inerente entre a necessidade de uma planta de absorver CO2 e sua necessidade de conservar água resultante da perda de água e entrada de CO2 pelas mesmas fendas Para lidar com esse conflito as plantas desenvolveram adaptações para controlar a perda de água pelas folhas e para repor a água perdida A água no solo O conteúdo e a taxa de movimento da água dependem do tipo e da estrutura do solo essas características influenciam o gra diente de pressão no solo e sua condutividade hidráulica No solo a água pode ocorrer como uma película superficial so bre as suas partículas ou pode preencher parcial ou completa mente os espaços entre as partículas Potencial osmótico potencial de pressão e potencial gravitacio nal influenciam o movimento da água do solo através da planta para a atmosfera Figura 41 O contato íntimo entre os pelos das raízes e as partículas do solo aumenta consideravelmente a área de superfície para a ab sorção de água Figura 42 Absorção de água pelas raízes A absorção de água é confinada principalmente às regiões pró ximas aos ápices das raízes Figura 43 Na raiz a água pode se mover via rotas apoplástica simplástica ou transmembrana Figura 44 O movimento de água através do apoplasto é obstruído pelas estrias de Caspary na endoderme que forçam a água a se mo ver via rota simplástica antes de entrar no xilema Figura 44 Quando a transpiração é baixa ou inexiste o transporte contí nuo de solutos para dentro do fluido xilemático leva a um de créscimo no Ψs e no Ψ Isso proporciona a força para a absorção de água e um Ψp positivo o qual produz uma pressão hidrostá tica positiva no xilema Figura 45 Transporte de água pelo xilema Os condutos do xilema que podem ser tanto traqueídes uni celulares quanto vasos multicelulares proporcionam uma rota de baixa resistência para o transporte de água Figura 46 Traqueídes fusiformes alongadas e elementos de vaso enfileira dos têm pontoações nas paredes laterais Figura 47 O fluxo de massa impelido pela pressão move a água a longas distâncias pelo xilema A ascensão de água pelas plantas resulta da redução no potencial hídrico nos sítios de evaporação dentro das folhas Figura 48 A cavitação rompe a continuidade da coluna de água e impede o transporte de água sob tensão Figura 49 Movimento da água da folha para a atmosfera A água é puxada a partir do xilema para as paredes celulares do mesofilo antes de evaporar para dentro dos espaços intercelula res foliares Figura 410 A resistência hidráulica das folhas é grande e varia em resposta às condições de crescimento e exposição a baixos potenciais hídricos foliares A transpiração depende da diferença na concentração de vapor de água entre os espaços foliares e o ar externo e da resistência à difusão dessa rota a qual consiste da resistência dos estôma tos e da resistência da camada limítrofe Figura 411 A abertura e o fechamento da fenda estomática são realizados e controlados pelas célulasguarda Figuras 412414 A eficácia das plantas em limitar a perda de água enquanto permitem a absorção de CO2 é dada pela razão de transpiração Visão geral o continuum soloplantaatmosfera Forças físicas sem o envolvimento de qualquer bomba meta bólica regulam o movimento da água a partir do solo para a planta e para a atmosfera sendo o sol a fonte fundamental de energia Taiz04indd 117 Taiz04indd 117 27102016 143156 27102016 143156 118 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos Leituras sugeridas Bramley H Turner N C Turner D W and Tyerman S D 2009 Roles of morphology anatomy and aquaporins in determining contrasting hydraulic behavior of roots Plant Physiol 150 348364 Brodribb T J and McAdam S A M 2011 Passive origins of stomatal control in vascular plants Science 331 582585 Dainty J 1976 Water relations of plant cells In Transport in Plants Vol 2 Part A Cells Encyclopedia of Plant Physiology New Series Vol 2 U Luttge and M Pitman eds Springer Berlin pp 1235 Franks P J and Farquhar G D 2007 The mechanical diversity of stomata and its significance in gasexchange control Plant Physiol 143 7887 Hacke U G Sperry J S Pockman W T Davis S D and McCulloh K 2001 Trends in wood density and structure are linked to prevention of xylem implosion by negative pressure Oecologia 126 457461 Milburn J A 1979 Water Flow in Plants Longman London Nobel P S 1991 Physicochemical and Environmental Plant Physiology Academic Press San Diego Pittermann J Sperry J S Hacke U G Wheeler J K and Sikkema E H 2005 Torusmargo pits help conifers compete with angiosperms Science 310 1924 Smith J A C and Griffiths H 1993 Water Deficits Plant Responses from Cell to Community BIOS Scientific Oxford Steudle E and Frensch J 1996 Water transport in plants Role of the apoplast Plant Soil 187 6779 Tyree M T and Jarvis P G 1982 Water in tissues and cells In Physiological Plant Ecology II Water Relations and Carbon Assimilation Encyclopedia of Plant Physiology New Series Vol 12B O L Lange P S Nobel C B Osmond and H Ziegler eds Springer Berlin pp 3577 Weatherly P E 1982 Water uptake and flow in roots In Physiological Plant Ecology II Water Relations and Carbon Assimilation Encyclopedia of Plant Physiology New Series Vol 12B O L Lange P S Nobel C B Osmond and H Ziegler eds Springer Berlin pp 79109 Zeiger E 1983 The biology of stomatal guard cells Annu Rev Plant Physiol 34 441475 Zeiger E Farquhar G and Cowan I eds 1987 Stomatal Function Stanford University Press Stanford CA Ziegler H 1987 The evolution of stomata In Stomatal Function E Zeiger G Farquhar and I Cowan eds Stanford University Press Stanford CA pp 2957 Zwieniecki M A Thompson M V and Holbrook N M 2002 Understanding the hydraulics of porous pipes Tradeoffs between water uptake and root length utilization J Plant Growth Regul 21 315323 MATERIAL DA INTERNET Tópico 41 Irrigação A irrigação tem um impacto drástico so bre a produtividade de culturas e a salinidade do solo Tópico 42 Propriedades físicas dos solos A distribuição de tamanho das partículas do solo influencia sua capacidade de manter e conduzir água Tópico 43 Calculando velocidades de movimento da água no xilema e em células vivas A água flui mais facil mente ao longo do xilema do que através das células vivas Tópico 44 Transpiração foliar e gradientes de vapor de água Transpiração foliar e condutância estomática afetam as concentrações de vapor de água na folha e no ar Ensaio 41 Transpiração e paredes celulares Uma hipótese alternativa de como a desidratação parcial resulta em um de créscimo no potencial hídrico das paredes celulares Ensaio 42 Um breve histórico do estudo do movimento de água no xilema A história da compreensão que temos so bre a ascensão da seiva em plantas em especial em árvores é um belo exemplo de como o conhecimento sobre as plantas é adquirido Ensaio 43 A teoria da coesãotensão em funcionamen to A teoria da coesãotensão tem resistido a numerosas con testações Ensaio 44 Como a água sobe até o topo de uma árvore de 112 m de altura Medições de fotossíntese e transpiração em árvores de 112 m de altura mostram que algumas das condi ções às quais a folhagem do topo é submetida são comparáveis àquelas de desertos extremos Ensaio 45 Cavitação e reenchimento Um possível meca nismo de reparo da cavitação está sob ativa investigação Taiz04indd 118 Taiz04indd 118 27102016 143156 27102016 143156 5 Nutrição Mineral N utrientes minerais são elementos como nitrogênio fósforo e potás sio que as plantas obtêm do solo principalmente na forma de íons inorgânicos Embora os nutrientes percorram um ciclo contínuo por todos os organismos eles entram na biosfera predominantemente pelos sistemas de raízes das plantas assim as plantas de certo modo agem como minerado ras da crosta terrestre A grande área de superfície das raízes e sua capacida de em absorver íons inorgânicos da solução do solo em baixas concentrações aumentam a eficácia da obtenção mineral pelas plantas Após serem absor vidos pelas raízes os elementos minerais são translocados para as diferentes partes da planta onde servem em numerosas funções biológicas Outros or ganismos como fungos micorrízicos e bactérias fixadoras de nitrogênio fre quentemente participam com as raízes na obtenção de nutrientes minerais O estudo sobre como as plantas obtêm e utilizam os nutrientes mine rais se denomina nutrição mineral Essa área de pesquisa é fundamental para aprimorar as modernas práticas agrícolas e a proteção ambiental bem como para compreender as interações ecológicas das plantas em ecossiste mas naturais Produtividades agrícolas altas dependem da fertilização com nutrientes minerais De fato a produtividade da maioria das culturas vegetais aumenta linearmente com a quantidade de fertilizantes que elas absorvem Para atender à crescente demanda por alimento o consumo anual mundial dos principais elementos minerais usados em fertilizantes nitrogênio fós foro e potássio aumentou gradualmente de 30 milhões de toneladas mé tricas em 1960 para 143 milhões de toneladas métricas em 1990 Durante uma década o consumo permaneceu relativamente constante uma vez que os fertilizantes foram usados de maneira mais criteriosa em uma tentativa de equilibrar os custos crescentes Entretanto durante os últimos anos o consu mo anual aumentou para 180 milhões de toneladas Figura 51 Mais da metade da energia usada na agricultura é consumida na pro dução na distribuição e na aplicação de fertilizantes nitrogenados Além disso a produção de fertilizantes fosfatados depende de recursos não reno váveis que provavelmente atingirão o pico de produção durante este sécu lo As culturas vegetais entretanto em geral usam menos da metade dos N de T A tonelada unidade de medida de massa cujo símbolo é t e equivalente a 103 kg não pertence ao Sistema Internacional de Unidades SI porém é aceita para uso com as unidades do SI Em países de língua inglesa essa unidade costuma ser denominada tonelada métrica httpwwwbipmorgensisibrochurechapter4table6html Taiz05indd 119 Taiz05indd 119 27102016 143210 27102016 143210 120 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos fertilizantes aplicados aos solos em volta delas Os mine rais restantes podem lixiviar para as águas superficiais ou subterrâneas associarse a partículas do solo ou contri buir para a poluição atmosférica ou a mudan ça climática Em consequência da lixiviação de fertilizantes muitos poços de água nos Estados Unidos excedem atualmente os padrões fede rais de concentrações para nitrato NO3 em água potável o mesmo problema ocorre em muitas áreas agriculturáveis no resto do mun do O aumento na disponibilidade de nitrogênio por meio de nitrato NO3 e amônio NH4 li berados para o ambiente por atividades huma nas e depositados no solo pela chuva um pro cesso conhecido como deposição atmosférica de nitrogênio está alterando ecossistemas em todo o mundo Sob um enfoque mais inteligente as plan tas são os meios tradicionais de reciclagem de resíduos animais e estão provando serem úteis para a remoção de materiais nocivos incluindo metais pesados de aterros de resíduos tóxicos Devido à natureza complexa das relações planta soloatmosfera estudos de nutrição mineral envolvem químicos que estudam a atmosfera pedologistas hidrologistas microbiologistas e ecologistas além de fisiologistas vegetais Neste capítulo serão discutidas as necessi dades nutricionais das plantas os sintomas de deficiências nutricionais específicas e o uso de fertilizantes para garantir a elas uma nutrição adequada Em seguida será examinado como a estrutura do solo o arranjo dos componentes sólidos líquidos e gasosos e a morfologia das raízes influenciam a transferência de nutrientes inorgânicos do ambiente para dentro da planta Por fim será introduzido o tópico de associações micorrízicas simbióticas que desempenham pa péischave na obtenção de nutrientes na maioria das plantas Os Capítulos 6 e 13 abordam aspectos adicio nais do transporte de solutos e da assimilação de nutrien tes respectivamente Nutrientes essenciais deficiências e distúrbios vegetais Apenas certos elementos foram determinados como essen ciais para o crescimento vegetal Um elemento essencial é definido como aquele que é um componente intrínseco na estrutura ou no metabolismo de uma planta ou cuja ausên cia causa anormalidades severas no crescimento no desen volvimento ou na reprodução vegetais ou pode impedir uma planta de completar seu ciclo de vida Se as plantas recebem esses elementos assim como água e energia solar elas po dem sintetizar todos os compostos de que necessitam para Figura 51 Consumo mundial de fertilizantes e custos ao longo das cinco últimas décadas De httpfaostat3faoorgfaostatga tewaygotodownloadRE Uso mundial de fertilizantes milhões t ano1 Custos mundiais de fertilizantes bilhões de dólares 0 100 200 300 0 10 20 30 1960 1970 1980 Uso 1990 2000 2010 Ano Custo TABELA 51 Níveis nos tecidos de elementos essenciais requeridos pela maioria das plantas Elemento Símbolo químico Concentração na matéria seca ou ppma Número relativo de átomos em relação ao molibdênio Obtido da água ou do dióxido de carbono Hidrogênio H 6 60000000 Carbono C 45 40000000 Oxigênio O 45 30000000 Obtido do solo Macronutrientes Nitrogênio N 15 1000000 Potássio K 10 250000 Cálcio Ca 05 125000 Magnésio Mg 02 80000 Fósforo P 02 60000 Enxofre S 01 30000 Silício Si 01 30000 Micronutrientes Cloro Cl 100 3000 Ferro Fe 100 2000 Boro B 20 2000 Manganês Mn 50 1000 Sódio Na 10 400 Zinco Zn 20 300 Cobre Cu 6 100 Níquel Ni 01 2 Molibdênio Mo 01 1 Fonte Epstein 1972 1999 aOs valores para os elementos não minerais H C O e os macronutrientes são porcentagens Os valores para os micronutrientes são expressos em partes por milhão ppm Taiz05indd 120 Taiz05indd 120 27102016 143210 27102016 143210 Capítulo 5 Nutrição Mineral 121 o crescimento normal A Tabela 51 apresenta os elementos considerados essenciais para a maioria das plantas superio res se não para todas Os primeiros três elementos hidro gênio carbono e oxigênio não são considerados nutrientes minerais porque são obtidos principalmente da água ou do dióxido de carbono Os elementos minerais essenciais em geral são classi ficados como macro ou micronutrientes de acordo com suas concentrações relativas nos tecidos vegetais Em alguns casos as diferenças na concentração nos tecidos entre macro e micronutrientes não são tão grandes como aque las indicadas na Tabela 51 Por exemplo alguns tecidos vegetais como o mesofilo contêm quase tanto ferro ou manganês como enxofre ou magnésio Com frequência os elementos estão presentes em concentrações maiores do que as necessidades mínimas dos vegetais Alguns pesquisadores têm argumentado que a classi ficação em macro e micronutrientes é difícil de ser justifi cada do ponto de vista fisiológico Konrad Mengel e Ernest Kirkby propuseram que os elementos essenciais sejam classificados em vez disso de acordo com seu papel bio químico e sua função fisiológica A Tabela 52 mostra essa classificação na qual os nutrientes vegetais foram dividi dos em quatro grupos básicos 1 Nitrogênio e enxofre constituem o primeiro grupo de elementos essenciais As plantas assimilam esses nu trientes via reações bioquímicas envolvendo oxidação e redução formando ligações covalentes com carbono e criando compostos orgânicos p ex aminoácidos ácidos nucleicos e proteínas 2 O segundo grupo é importante em reações de ar mazenagem de energia ou na manutenção da inte gridade estrutural Os elementos desse grupo estão comumente presentes em tecidos vegetais na forma de fosfato borato e ésteres silicato em que o grupo elementar está covalentemente ligado a uma molécula orgânica p ex açúcar fosfato TABELA 52 Classificação dos nutrientes minerais das plantas de acordo com a função bioquímica Nutriente mineral Funções Grupo 1 Nutrientes que fazem parte de compostos de carbono N Constituinte de aminoácidos amidas proteínas ácidos nucleicos nucleotídeos coenzimas hexosaminas etc S Componente de cisteína cistina metionina Constituinte de ácido lipoico coenzima A tiamina pirofosfato glutationa biotina 5adenililsulfato e 3fosfoadenosina Grupo 2 Nutrientes importantes na armazenagem de energia ou na integridade estrutural P Componente de açúcaresfosfato ácidos nucleicos nucleotídeos coenzimas fosfolipídeos ácido fítico etc Tem papel central em reações que envolvem ATP Si Depositado como sílica amorfa em paredes celulares Contribui para as propriedades mecânicas das paredes celulares incluindo rigidez e elasticidade B Forma complexo com manitol manano ácido polimanurônico e outros constituintes das paredes celulares Envolvido no alongamento celular e no metabolismo de ácidos nucleicos Grupo 3 Nutrientes que permanecem na forma iônica K Requerido como cofator de mais de 40 enzimas Principal cátion no estabelecimento do turgor celular e na manutenção da eletroneutralidade celular Ca Constituinte da lamela média das paredes celulares Requerido como cofator por algumas enzimas envolvidas na hidrólise de ATP e de fosfolipídeos Atua como mensageiro secundário na regulação metabólica Mg Requerido por muitas enzimas envolvidas na transferência de fosfatos Constituinte da molécula de clorofila Cl Requerido para as reações fotossintéticas envolvidas na evolução de O2 Zn Constituinte de álcool desidrogenase desidrogenase glutâmica anidrase carbônica etc Na Envolvido na regeneração do fosfoenolpiruvato em plantas C4 e CAM metabolismo ácido das crassuláceas Substitui o potássio em algumas funções Grupo 4 Nutrientes envolvidos em reações redox Fe Constituinte de citocromos e ferroproteínas não heme envolvidas na fotossíntese na fixação de N2 e na respiração Mn Requerido para a atividade de algumas desidrogenases descarboxilases quinases oxidases e peroxidases Envolvido com outras enzimas ativadas por cátions e na evolução fotossintética de O2 Cu Componente de ácido ascórbico oxidase tirosinase monoaminoxidase uricase citocromo oxidase fenolase lacase e plastocianina Ni Constituinte da urease Em bactérias fixadoras de N2 é constituinte de hidrogenases Mo Constituinte de nitrogenase nitrato redutase e xantina desidrogenase Fonte De Evans e Sorger 1966 e Mengel e Kirkby 2001 Taiz05indd 121 Taiz05indd 121 27102016 143210 27102016 143210 122 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos 3 O terceiro grupo está presente nos tecidos como íons livres dissolvidos na água do vegetal ou como íons eletrostaticamente ligados a substâncias como os áci dos pécticos presentes na parede celular Elementos nesse grupo têm importantes papéis como cofatores enzimáticos na regulação de potenciais osmóticos e no controle da permeabilidade de membranas 4 O quarto grupo compreendendo metais como ferro desempenha importantes papéis em reações envol vendo transferência de elétrons Devese ter em mente que essa classificação é um tanto arbitrária pois muitos elementos exercem vários papéis funcionais Por exemplo o manganês listado no grupo 4 como um metal envolvido em várias reaçõeschave de transferência de elétrons ainda é um mineral que perma nece na forma iônica o que o colocaria no grupo 3 Alguns elementos de ocorrência natural como o alu mínio o selênio e o cobalto não são essenciais embo ra também possam se acumular em tecidos vegetais O alumínio por exemplo não é considerado um elemento essencial mas as plantas em geral contêm de 01 a 500 μg desse elemento por g de matéria seca e a adição de pequenas quantidades dele a uma solução nutritiva pode estimular o crescimento vegetal Muitas espécies dos gê neros Astragalus Xylorhiza e Stanleya acumulam selênio embora não tenham mostrado uma necessidade especí fica desse elemento O cobalto é parte da cobalamina vi tamina B12 e seus derivados um componente de várias enzimas em microrganismos fixadores de nitrogênio as sim a deficiência em cobalto bloqueia o desenvolvimento e a função dos nódulos de fixação de nitrogênio mas as plantas que não fixam nitrogênio não requerem cobalto As culturas vegetais normalmente contêm apenas quan tidades relativamente pequenas desses elementos não es senciais As seções a seguir descrevem os métodos usados para examinar as funções dos elementos nutrientes nas plantas Técnicas especiais são utilizadas em estudos nutricionais Demonstrar que um elemento é essencial exige que as plantas sejam cultivadas sob condições experimentais nas quais apenas o elemento sob investigação não está pre sente Essas condições são extremamente difíceis de serem alcançadas com plantas cultivadas em um meio comple xo como o solo No século XIX vários pesquisadores in cluindo NicolasThéodore de Saussure Julius von Sachs JeanBaptisteJosephDieudonné Boussingault e Wilhelm Knop abordaram esse problema cultivando plantas com as raízes imersas em uma solução nutritiva contendo ape nas sais inorgânicos A demonstração desses pesquisado res de que as plantas podiam crescer sem solo ou matéria orgânica provou inequivocamente que elas podem satis fazer todas as suas necessidades unicamente a partir de elementos nutrientes minerais água ar CO2 e luz solar A técnica de crescimento de plantas com suas raízes imersas em uma solução nutritiva sem solo é chamada de cultivo em solução ou hidroponia O cultivo hidropônico bemsucedido Figura 52A exige um grande volume de solução nutritiva ou ajuste frequente dela para impedir que a absorção de nutrientes pelas raízes produza mudan ças radicais nas concentrações dos nutrientes e no pH da solução Um suprimento suficiente de oxigênio para o sis tema de raízes também é crucial e pode ser alcançado pelo borbulhamento vigoroso de ar através da solução A hidroponia é usada na produção comercial de mui tas culturas em casa de vegetação ou interiores como o tomateiro Solanum lycopersicum o pepineiro Cucumis sa tivus e o cânhamo ou maconha Cannabis sativa Em uma forma de cultura hidropônica comercial as plantas são cultivadas em um material de suporte como areia brita vermiculita lã de rocha rockwool espuma de poliuretano ou argila expandida ie areia para gatos Soluções nutri tivas circulam então pelo material de suporte e as solu ções velhas são removidas por lixiviação Em outra forma de cultura hidropônica as raízes das plantas repousam sobre a superfície de uma canaleta e as soluções nutritivas fluem em uma fina camada ao longo da canaleta sobre as raízes Esse sistema de cultivo em lâmina de nutrientes assegura que as raízes recebam um amplo suprimento de oxigênio Figura 52B Outra possibilidade que às vezes tem sido proclama da como a técnica futura para investigações científicas é o cultivo de plantas em aeroponia Nessa técnica cultivam se as plantas com suas raízes suspensas no ar enquanto são aspergidas continuamente com uma solução nutritiva Figura 52C Essa abordagem proporciona fácil manipu lação do ambiente gasoso ao redor das raízes mas para sustentar um rápido crescimento vegetal requer maiores concentrações de nutrientes do que o cultivo hidropôni co Por essa razão e em decorrência de outras dificuldades técnicas o uso da aeroponia não é muito difundido Um sistema de subirrigação Figura 52D é ainda outra abordagem para o cultivo em solução Nesses sis temas a solução nutritiva é periodicamente elevada para imergir as raízes e então recuada expondoas a um am biente úmido Como a aeroponia o sistema de subirriga ção requer maiores concentrações de nutrientes do que os outros sistemas hidropônicos ou o cultivo em película de nutrientes Soluções nutritivas podem sustentar rápido crescimento vegetal Ao longo dos anos muitas formulações foram emprega das para as soluções nutritivas As primeiras formulações N de T No Brasil temse utilizado a sigla NFT Nutrient Film Tech nique para descrever esse sistema de irrigação N de T Esse é o termo que tem sido empregado no Brasil para de nominar o sistema de irrigação hidropônico em inglês denominado Ebbandflow system Taiz05indd 122 Taiz05indd 122 27102016 143210 27102016 143210 Capítulo 5 Nutrição Mineral 123 desenvolvidas por Knop na Alemanha incluíam somente KNO3 CaNO32 KH2PO4 MgSO4 e um sal de ferro Naquela época acreditavase que essa solução nutritiva continha todos os minerais exigidos pelas plantas mas aqueles experimentos foram conduzidos com produtos químicos conta minados com outros elementos hoje reconheci dos como essenciais como boro ou molibdênio A Tabela 53 apresenta uma composição mais moderna para uma solução nutritiva Essa formu lação é chamada de solução de Hoagland modi ficada denominação em homenagem a Dennis R Hoagland um estudioso que se destacou pelo desenvolvimento de modernas pesquisas em nu trição mineral nos EUA Uma solução de Hoagland modificada contém todos os elementos minerais conhecidos necessá rios ao rápido crescimento vegetal As concentra ções desses elementos são estabelecidas no nível mais alto possível sem produzir sintomas de to xicidade ou estresse salino assim elas podem ser várias ordens de grandeza mais elevadas do que as encontradas no solo ao redor das raízes Por exem plo enquanto o fósforo está presente na solução do solo em concentrações normalmente menores do que 006 μg g1 ou 2 μM aqui ele é oferecido a 62 μg g1 ou 2 mM Esses níveis iniciais altos per mitem às plantas crescerem no meio por períodos prolongados sem reposição dos nutrientes mas podem ser prejudiciais às plantas jovens Portanto muitos pesquisadores diluem suas soluções nu tritivas muitas vezes e as trocam com frequência para minimizar as flutuações na concentração de nutrientes no meio e nos tecidos vegetais Outra propriedade importante da formula ção de Hoagland modificada é que o nitrogênio é suprido tanto como amônio NH4 quanto como nitrato NO3 O suprimento de nitrogênio em uma mistura balanceada de cátions íons positi Câmara de recuperação de nutrientes Bomba de ar Bomba de ar Bolhas de ar Sistema de sustentação das plantas Solução nutritiva Solução nutritiva Câmara de aspersão de nutrientes A Sistema de cultivo hidropônico B Sistema de cultivo em película de nutrientes C Sistema de cultivo aeropônico Pedra porosa Bomba de solução Bomba de solução Retorno Entrada Câmara de recuperação de nutrientes Bomba de ar Solução nutritiva Entrada e retorno D Sistema de subirrigação Bomba de solução Dreno Solução nutritiva Aspersor Figura 52 Tipos diversos de sistemas de cultivo em so lução A Em um cultivo hidropônico padrão as plantas são suspensas pela base do caule sobre um tanque contendo uma solução nutritiva O bombeamento de ar através de uma pedra porosa um sólido poroso que gera uma corren te de pequenas bolhas de ar mantém a solução completa mente saturada com oxigênio B Na técnica da película de nutrientes uma bomba impulsiona a solução nutritiva de um reservatório principal colocado embaixo de um tanque inclinado e por um tubo de retorno de volta ao reserva tório C Em um tipo de aeroponia uma bomba de alta pressão asperge solução nutritiva nas raízes contidas em um tanque D Em um sistema de subirrigação uma bomba periodicamente enche com solução nutritiva uma câmara superior contendo as raízes das plantas Quando a bomba é desligada a solução é drenada de volta ao reservatório através da bomba De Epstein e Bloom 2005 Taiz05indd 123 Taiz05indd 123 27102016 143210 27102016 143210 124 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos vamente carregados e ânions íons negativamente carre gados tende a reduzir o rápido aumento no pH do meio que comumente é observado quando o nitrogênio é for necido somente como ânion nitrato Mesmo quando o pH do meio é mantido neutro a maioria das plantas cresce melhor se tiver acesso tanto ao NH4 quanto ao NO3 pois a absorção e a assimilação das duas formas de nitrogênio inorgânico promovem o balanço cátionânion na planta Um problema expressivo das soluções nutritivas é a manutenção da disponibilidade de ferro Quando forne cido como um sal inorgânico como FeSO4 ou FeNO32 o ferro pode precipitarse da solução como hidróxido de fer ro em particular sob condições alcalinas Se sais de fosfa to estiverem presentes fosfato de ferro insolúvel também será formado A precipitação do ferro na solução tornao fisicamente indisponível à planta a não ser que sais de ferro sejam adicionados com frequência Pesquisadores anteriores resolveram esse problema adicionando ferro em conjunto com ácido cítrico ou tartárico Compostos como esses se denominam quelantes pois formam complexos solúveis com cátions como ferro e cálcio nos quais o cá tion é retido por forças iônicas e não por ligações cova lentes Os cátions quelados portanto permanecem fisica mente disponíveis para as plantas Soluções nutritivas mais modernas usam o produto químico ácido etilenodiaminotetracético EDTA o ácido dietilenotriaminopentacético DTPA ou ácido pentético ou o ácido etilenodiaminoNNbisohidroxifenilacético ooEDDHA como agentes quelantes A Figura 53 mostra a estrutura do DTPA O destino do complexo da quela ção durante a absorção do ferro pelas células das raízes não é claro o ferro pode ser liberado do quelante quando é reduzido de ferro férrico Fe3 a ferro ferroso Fe2 na superfície da raiz O quelante pode então difundirse de volta na solução nutritiva ou do solo e associarse a outro Fe3 ou outro íon metálico Após a absorção pela raiz o ferro é mantido solúvel por quelação com compostos orgânicos presentes nas células vegetais O ácido cítrico pode desempenhar um papel importante como quelante orgânico de ferro e o transporte de longa distância no xilema parece envolver um complexo ferroácido cítrico TABELA 53 Composição de uma solução nutritiva de Hoagland modificada para cultivo de plantas Composto Peso molecular Concentração da solução estoque Concentração da solução estoque Volume da solução estoque por litro da solução final Elemento Concentração final do elemento g mol1 mM g L1 mL μM ppm Macronutrientes KNO3 10110 1000 10110 60 N 16000 224 CaNO324H2O 23616 1000 23616 40 K 6000 235 NH4H2PO4 11508 1000 11508 20 Ca 4000 160 MgSO47H2O 24648 1000 24649 10 P 2000 62 S 1000 32 Mg 1000 24 Micronutrientes KCl 7455 25 1864 20 Cl 50 177 H3BO3 6183 125 0773 B 25 027 MnSO4H2O 16901 10 0169 Mn 20 011 ZnSO47H2O 28754 10 0288 Zn 20 013 CuSO45H2O 24968 025 0062 Cu 05 003 H2MoO4 85 MoO3 16197 025 0040 Mo 05 005 NaFeDTPA 46820 64 300 0310 Fe 161 100 537 300 Opcionala NiSO46H2O 26286 025 0066 20 Ni 05 003 Na2SiO39H2O 28420 1000 28420 10 Si 1000 28 Fonte De Epstein e Bloom 2005 Nota Os macronutrientes são adicionados separadamente a partir das soluçõesestoque para impedir a precipitação durante a preparação da solução nutritiva Uma soluçãoestoque mista é preparada contendo todos os micronutrientes exceto o ferro O ferro é adicionado como dietilenotriaminopenta cetato férrico de sódio NaFeDTPA nome comercial CibaGeigy Sequestreno 330 Fe ver Figura 53 algumas plantas como o milho requerem a concen tração mais alta de ferro mostrada na tabela aO níquel geralmente está presente como um contaminante de outros produtos químicos de modo que ele não precisa ser aplicado de forma explícita O silício se incluído deveria ser adicionado primeiro e o pH deveria ser ajustado com HCl para prevenir a precipitação de outros nutrientes Taiz05indd 124 Taiz05indd 124 27102016 143210 27102016 143210 Capítulo 5 Nutrição Mineral 125 Deficiências minerais perturbam o metabolismo e o funcionamento vegetal O suprimento inadequado de um elemento essencial provoca um distúrbio nutricional que se manifesta por sintomas de deficiência característicos Em cultivo hidro pônico a supressão de um elemento essencial pode ser prontamente correlacionada a determinado conjunto de sintomas Por exemplo uma deficiência específica pode provocar um padrão específico de descoloração foliar O diagnóstico de plantas que crescem no solo pode ser mais complexo pelos seguintes motivos Deficiências de vários elementos podem ocorrer si multaneamente em diferentes tecidos vegetais Deficiências ou quantidades excessivas de um ele mento podem induzir deficiências ou acúmulos ex cessivos de outro elemento Algumas doenças virais das plantas podem produzir sintomas similares àqueles das deficiências nutricionais Os sintomas de deficiência nutricional em uma planta são a expressão de distúrbios metabólicos resultantes do suprimento insuficiente de um elemento essencial Esses problemas estão relacionados aos papéis desempenhados pelos elementos essenciais no metabolismo e no funciona mento normal da planta descritos na Tabela 52 Embora cada elemento essencial participe de mui tas reações metabólicas diferentes são possíveis algumas afirmações gerais a respeito das funções dos elementos essenciais no metabolismo vegetal Em geral os elementos essenciais atuam na estrutura do vegetal no seu metabo lismo e na osmorregulação celular Papéis mais específicos podem estar relacionados à capacidade de cátions bivalen tes como Ca2 ou Mg2 de modificar a permeabilidade das membranas vegetais Além disso a pesquisa continua a re velar papéis específicos para esses elementos no metabolis mo vegetal por exemplo íons cálcio atuam como um sinal para regular enzimaschave no citosol Assim a maioria dos elementos essenciais tem múltiplas funções no meta bolismo vegetal Um indício importante relacionando um sintoma de deficiência aguda a um elemento essencial em particular é a extensão em que um elemento pode ser reciclado de folhas mais velhas para folhas mais jovens Alguns ele mentos como nitrogênio fósforo e potássio podem pron tamente se mover de folha para folha outros como boro ferro e cálcio são relativamente imóveis na maioria das espécies vegetais Tabela 54 Se um elemento essencial é móvel os sintomas de deficiência tendem a aparecer primeiro nas folhas mais velhas De modo oposto a defi ciência de elementos essenciais imóveis tornase evidente primeiro em folhas mais jovens Embora os mecanismos precisos de mobilização de nutrientes não sejam bem compreendidos hormônios vegetais como citocininas parecem estar envolvidos ver Capítulo 15 Na discussão a seguir descrevemse os sintomas específicos de defi ciência e os papéis funcionais dos elementos essenciais da maneira como eles se encontram agrupados na Tabela 52 Tenha em mente que muitos sintomas são altamente dependentes da espécie vegetal GRUPO 1 DEFICIÊNCIAS DE NUTRIENTES MI NERAIS QUE INTEGRAM COMPOSTOS DE CAR BONO Este primeiro grupo consiste em nitrogênio e enxofre A disponibilidade de nitrogênio em solos limita a produtividade das plantas na maioria dos ecossistemas naturais e agrícolas Por outro lado os solos em geral contêm enxofre em excesso Apesar dessa diferença ni trogênio e enxofre são similares quimicamente quanto O C O CH2 CH2 NCH2CH2NCH2CH2N O C O CH2 O C CH2 O C O C O CH2 O O O O C O CH2 N N C CH2 O O C O CH2CH2 N CH2CH2 CH2 Fe3 CH2 CH2 C C O O O O A B Figura 53 Quelante e cátion quelado isolado Estrutura química do quelante ácido dietilenotriaminopentacético DTPA isolado A e quelado com um íon Fe3 B O ferro ligase ao DTPA por interações com três átomos de nitrogênio e três átomos ionizados de oxigênio de grupos carboxilatos A estrutura de anel resultante envolve o íon me tálico e neutraliza efetivamente sua reatividade na solução Durante a absorção de ferro na superfície das raízes o Fe3 parece ser reduzido a Fe2 que é liberado do complexo DTPAferro O quelante pode então associarse a outro Fe3 disponível De Sievers e Bailar 1962 TABELA 54 Elementos minerais classificados com base em suas mobilidades dentro da planta e em suas tendências de translocação durante deficiências Móveis Imóveis Nitrogênio Potássio Magnésio Fósforo Cloro Sódio Zinco Molibdênio Cálcio Enxofre Ferro Boro Cobre Nota Os elementos estão listados na ordem de sua abundância na planta Taiz05indd 125 Taiz05indd 125 27102016 143210 27102016 143210 126 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos à ampla variação dos seus estados de oxidaçãoredução ver Capítulo 13 Algumas das reações vitais mais in tensas energeticamente convertem formas inorgânicas altamente oxidadas como nitrato e sulfato que as raízes absorvem do solo em compostos orgânicos altamente re duzidos como aminoácidos dentro das plantas NITROGÊNIO O nitrogênio é o elemento mineral que as plantas requerem em maiores quantidades ver Tabela 51 Ele serve como um constituinte de muitos componen tes celulares vegetais incluindo clorofila aminoácidos e ácidos nucleicos Por isso a deficiência de nitrogênio rapi damente inibe o crescimento vegetal Se essa deficiência persiste a maioria das espécies mostra clorose amare lecimento das folhas sobretudo nas folhas mais velhas próximas à base da planta para fotografias de deficiência de nitrogênio e de outras deficiências minerais descri tas neste capítulo ver Tópico 51 na internet Sob forte deficiência de nitrogênio essas folhas tornamse com pletamente amarelas ou castanhas e desprendemse da planta Folhas mais jovens podem não mostrar inicial mente esses sintomas pois é possível que o nitrogênio seja mobilizado a partir das folhas mais velhas Portanto uma planta deficiente em nitrogênio pode ter folhas superiores verdeclaras e folhas inferiores amarelas ou castanhas Quando a deficiência de nitrogênio se processa lenta mente é possível que as plantas tenham caules pronun ciadamente delgados e frequentemente lenhosos Esse caráter lenhoso pode ser devido a um acúmulo dos carboi dratos em excesso que não podem ser usados na síntese de aminoácidos ou de outros compostos nitrogenados Os carboidratos não utilizados no metabolismo do nitrogênio podem também ser empregados na síntese de antocianina levando à acumulação desse pigmento Essa condição re velase pela coloração púrpura de folhas pecíolos e caules de plantas deficientes em nitrogênio de algumas espécies como tomateiro e algumas variedades de milho Zea mays ENXOFRE O enxofre é encontrado em certos aminoáci dos ie cistina cisteína e metionina e é um constituinte de várias coenzimas e vitaminas como coenzima A S adenosilmetionina biotina vitamina B1 e ácido pantotê nico que são essenciais para o metabolismo Muitos dos sintomas da deficiência de enxofre são si milares aos da deficiência de nitrogênio incluindo clorose redução do crescimento e acumulação de antocianinas Essa similaridade não surpreende uma vez que o enxo fre e o nitrogênio são constituintes de proteínas A clorose causada pela deficiência de enxofre entretanto em geral aparece de início em folhas jovens e maduras em vez de em folhas velhas como na deficiência de nitrogênio Isso acontece porque o enxofre ao contrário do nitrogênio não é remobilizado com facilidade para as folhas jovens na maioria das espécies No entanto em muitas espécies ve getais a clorose por falta de enxofre pode ocorrer simulta neamente em todas as folhas ou mesmo iniciar em folhas mais velhas GRUPO 2 DEFICIÊNCIAS DE NUTRIENTES MINE RAIS QUE SÃO IMPORTANTES NA ARMAZENA GEM DE ENERGIA OU NA INTEGRIDADE ESTRU TURAL Este grupo consiste em fósforo silício e boro Fósforo e silício são encontrados em concentrações no tecido vegetal que lhes garantem a classificação como ma cronutrientes enquanto o boro é muito menos abundante e considerado um micronutriente Esses elementos em ge ral estão presentes nas plantas como ligações ésteres entre um grupo ácido inorgânico como um fosfato PO4 3 e um carbono de um álcool ie XOCR em que o ele mento X é fixado a uma molécula contendo carbono CR via um átomo de oxigênio O FÓSFORO O fósforo como fosfato PO4 3 é um com ponente integral de compostos importantes nas células vegetais incluindo os açúcares fosfato intermediários da respiração e da fotossíntese bem como os fosfolipídeos que compõem as membranas vegetais Ele também é um componente de nucleotídeos utilizados no metabolismo energético das plantas como ATP e no DNA e no RNA Sintomas característicos da deficiência de fósforo incluem o crescimento atrofiado da planta inteira e uma coloração verdeescura das folhas que podem ser malformadas e con têm pequenas áreas de tecido morto denominadas manchas necróticas para uma ilustração ver Tópico 51 na internet Como na deficiência de nitrogênio algumas espécies podem produzir excesso de antocianinas sob deficiência de fósforo dando às folhas uma coloração levemente pur púrea Diferente da deficiência de nitrogênio a coloração púrpura não está associada a clorose Na verdade as fo lhas podem apresentar uma coloração escura púrpura esverdeada Sintomas adicionais da deficiência de fósforo incluem a produção de caules delgados mas não lenhosos e a morte das folhas mais velhas A maturação da planta também pode ser retardada SILÍCIO Apenas membros da família Equisetaceae chamados de juncos de polimento scouring rushes porque houve um tempo em que suas cinzas ricas em sílica gra nulosa eram usadas para polir panelas requerem silí cio para completar seus ciclos de vida No entanto muitas outras espécies acumulam quantidades substanciais de silício em seus tecidos e exibem crescimento fertilidade e resistência ao estresse intensificados quando supridas com quantidades adequadas de silício Plantas deficientes em silício são mais suscetíveis ao acamamento tombamento e à infecção fúngica O silício é depositado principalmente no retículo endoplasmático nas paredes celulares e nos espaços intercelulares como sílica amorfa hidratada SiO2nH2O Ele também forma complexos com polifenóis e assim serve como alternativa à lignina no reforço das paredes celulares Além disso o silício pode aliviar a toxicidade de muitos metais pesados incluindo alumínio e manganês BORO Embora muitas funções do boro no metabolis mo vegetal sejam ainda pouco claras a evidência mostra Taiz05indd 126 Taiz05indd 126 27102016 143210 27102016 143210 Capítulo 5 Nutrição Mineral 127 que ele promove ligações cruzadas RG II ramnogalactu ronano II um pequeno polissacarídeo péctico na parede celular e sugere que ele desempenhe um papel no alon gamento celular na síntese de ácidos nucleicos nas res postas hormonais na função da membrana e na regulação do ciclo celular Plantas deficientes em boro podem exibir uma ampla variedade de sintomas dependendo da espé cie e da idade da planta Um sintoma característico é a necrose preta de folhas jovens e gemas terminais A necrose das folhas jovens ocorre principalmente na base da lâmina foliar Os caules podem se apresentar anormalmente rígidos e quebradiços A dominância apical pode ser perdida tornando a plan ta altamente ramificada entretanto os ápices terminais dos ramos logo se tornam necróticos devido à inibição da divisão celular Estruturas como frutos raízes carnosas e tubérculos podem exibir necrose ou anormalidades rela cionadas à desintegração de tecidos internos ver Ensaio 51 na internet GRUPO 3 DEFICIÊNCIAS DE NUTRIENTES MI NERAIS QUE PERMANECEM NA FORMA IÔNI CA Este grupo inclui alguns dos elementos minerais mais familiares os macronutrientes potássio cálcio e magnésio e os micronutrientes cloro zinco e sódio Esses elementos podem ser encontrados como íons em solução no citosol ou nos vacúolos ou podem estar ligados eletros taticamente ou como ligantes a compostos maiores dota dos de carbono POTÁSSIO O potássio presente nas plantas como o cá tion K desempenha um papel importante na regulação do potencial osmótico das células vegetais ver Capítulos 3 e 6 Ele também ativa muitas enzimas envolvidas na res piração e na fotossíntese O primeiro sintoma visível da deficiência de potássio é clorose em manchas ou marginal que depois evolui para necrose com maior ocorrência nos ápices foliares nas margens e entre nervuras Em muitas monocotiledôneas essas lesões necróticas podem se formar em primeiro lu gar nos ápices foliares e nas margens e após se estender em direção à base Como o potássio pode ser remobilizado para as folhas mais jovens esses sintomas aparecem ini cialmente nas folhas mais maduras da base da planta As folhas podem também se enrolar e enrugar Os caules de plantas deficientes em potássio podem ser delgados e fra cos com entrenós anormalmente curtos Em milho defi ciente em potássio as raízes podem ter uma suscetibilida de aumentada a fungos da podridão da raiz presentes no solo essa suscetibilidade junto com os efeitos caulinares resulta em uma tendência de tombamento fácil da planta no solo acamamento CÁLCIO Os íons cálcio Ca2 têm dois papéis distintos nas plantas 1 um papel estruturalapoplástico no qual o Ca2 se liga a grupos ácidos de lipídeos da membrana fos fo e sulfolipídeos e a ligações cruzadas entre pectinas em particular na lamela média que separa células recentemente divididas e 2 um papel sinalizador no qual o Ca2 atua como mensageiro secundário que inicia as respostas ve getais aos estímulos ambientais Em sua função como um mensageiro secundário o Ca2 pode se ligar à calmoduli na uma proteína encontrada no citosol de células vegetais O complexo calmodulinaCa2 então ligase a diferentes tipos de proteínas incluindo quinases fosfatases proteínas mensageiras secundárias de sinalização e proteínas do cito esqueleto Desse modo ele regula muitos processos celula res desde o controle de transcrição e sobrevivência celular até a liberação de sinais químicos ver Capítulo 15 Os sintomas característicos da deficiência de cálcio incluem a necrose de regiões meristemáticas jovens como os ápices de raízes ou de folhas jovens nas quais a divisão celular e a formação de paredes celulares são mais rápidas A necrose em plantas em lento crescimento pode ser pre cedida por uma clorose generalizada e um encurvamento para baixo de folhas jovens As folhas jovens também po dem mostrarse deformadas O sistema de raízes de uma planta deficiente em cálcio pode ser acastanhado curto e muito ramificado Pode haver forte redução no cresci mento se as regiões meristemáticas da planta morrerem prematuramente MAGNÉSIO Em células vegetais os íons magnésio Mg2 têm um papel específico na ativação de enzimas envolvidas na respiração na fotossíntese e na síntese de DNA e RNA Mg2 é também parte da estrutura em anel da molécula de clorofila ver Figura 76A Um sintoma ca racterístico da deficiência de magnésio é a clorose entre as nervuras foliares ocorrendo primeiro em folhas mais ve lhas por causa da mobilidade desse cátion Esse padrão de clorose ocorre porque a clorofila nos feixes vasculares per manece inalterada em períodos mais longos do que aquela nas células entre os feixes Se a deficiência for extensa as folhas podem se tornar amarelas ou brancas Um sintoma adicional da deficiência de magnésio pode ser a senescên cia e a abscisão foliar prematura CLORO O elemento cloro é encontrado nas plantas como o íon cloreto Cl Ele é requerido para a reação de clivagem da água na fotossíntese pela qual o oxigênio é produzido ver Capítulo 7 Além disso o cloro pode ser requerido para a divisão celular em folhas e raízes Plantas deficientes em cloro manifestam murcha dos ápices foliares seguida por clorose e necrose generalizada As folhas podem também exibir crescimento reduzido Subsequentemente as fo lhas podem assumir uma coloração bronzeada bronzea mento As raízes de plantas deficientes em cloro podem parecer curtas e grossas junto aos ápices das raízes Os íons cloreto são altamente solúveis e em geral estão disponíveis nos solos porque a água do mar é carregada para o ar pelo vento e distribuída sobre o solo quando cho ve Por isso a deficiência de cloro raramente é observada em plantas cultivadas em hábitats nativos ou agrícolas A maioria das plantas absorve cloro em concentrações mui to mais altas que as necessárias ao funcionamento normal Taiz05indd 127 Taiz05indd 127 27102016 143210 27102016 143210 128 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos ZINCO Muitas enzimas requerem íons zinco Zn2 para suas atividades e o zinco pode ser exigido para a biossínte se da clorofila em algumas plantas A deficiência de zinco é caracterizada pela redução do crescimento dos entrenós e como resultado as plantas exibem um hábito de crescimento em roseta no qual as folhas formam um agrupamento cir cular que se irradia no solo ou junto a ele As folhas podem ser também pequenas e retorcidas com margens de apa rência enrugada Esses sintomas podem resultar da perda da capacidade de produzir quantidades suficientes do ácido 3indolacético AIA uma auxina Em algumas espécies p ex milho sorgo e feijoeiro as folhas mais velhas podem mostrar clorose intervenal e então desenvolver manchas brancas necróticas A clorose pode ser uma expressão da necessidade de zinco para a biossíntese de clorofila SÓDIO Espécies que utilizam as rotas C4 e CAM de fixa ção de carbono ver Capítulo 8 podem requerer íons só dio Na Nessas plantas o Na parece ser imprescindível para a regeneração do fosfoenolpiruvato o substrato para a primeira carboxilação nas rotas C4 e CAM Sob deficiên cia de sódio essas plantas exibem clorose e necrose ou até deixam de florescer Muitas espécies C3 também se benefi ciam da exposição a baixas concentrações de Na Os íons sódio estimulam o crescimento mediante a estimulação da expansão celular e podem substituir parcialmente os íons potássio como um soluto osmoticamente ativo GRUPO 4 DEFICIÊNCIAS DE NUTRIENTES MINE RAIS ENVOLVIDOS EM REAÇÕES REDOX Este grupo de cinco micronutrientes consiste nos metais ferro zinco cobre níquel e molibdênio Todos eles podem so frer oxidações e reduções reversíveis p ex Fe2 Fe3 e têm importantes papéis na transferência de elétrons e na transformação de energia Geralmente eles são encontra dos em associação com moléculas maiores como citocro mos clorofila e proteínas normalmente enzimas FERRO O ferro tem um importante papel como compo nente de enzimas envolvidas na transferência de elétrons reações redox como citocromos Nesse papel ele é rever sivelmente oxidado de Fe2 a Fe3 durante a transferência de elétrons Como na deficiência de magnésio um sintoma carac terístico da deficiência de ferro é a clorose entre as ner vuras Esse sintoma contudo aparece inicialmente nas folhas mais jovens porque o ferro diferente do magnésio não pode ser prontamente mobilizado das folhas mais ve lhas Sob condições de deficiência extrema ou prolongada as nervuras podem também se tornar cloróticas fazendo toda a folha se tornar branca As folhas se tornam cloró ticas porque o ferro é necessário para a síntese de alguns dos complexos constituídos por clorofila e proteína no clo roplasto A baixa mobilidade do ferro provavelmente é de vida à sua precipitação nas folhas mais velhas como óxidos insolúveis ou fosfatos A precipitação do ferro diminui a subsequente mobilização do metal para dentro do floema para o transporte de longa distância MANGANÊS Os íons manganês Mn2 ativam várias en zimas nas células vegetais Em particular as descarboxila ses e as desidrogenases envolvidas no ciclo do ácido cítrico ciclo de Krebs são especificamente ativadas pelo manga nês A função mais bem definida do Mn2 está na reação fo tossintética mediante a qual o oxigênio O2 é produzido a partir da água ver Capítulo 7 O sintoma principal da defi ciência de manganês é a clorose entre as nervuras associada ao desenvolvimento de pequenas manchas necróticas Essa clorose pode ocorrer em folhas jovens ou mais velhas de pendendo da espécie vegetal e da velocidade de crescimento COBRE Como o ferro o cobre está associado a enzimas envolvidas em reações redox pelas quais ele é reversivel mente oxidado de Cu a Cu2 Um exemplo de tal enzima é a plastocianina a qual está envolvida na transferência de elétrons durante as reações dependentes de luz da fo tossíntese O sintoma inicial da deficiência de cobre em muitas espécies de plantas é a produção de folhas verde escuras que podem conter manchas necróticas Essas manchas aparecem em primeiro lugar nos ápices de folhas jovens e depois se estendem em direção à base da folha ao longo das margens As folhas podem também ficar retor cidas ou malformadas Cereais exibem uma clorose foliar esbranquiçada e necrose com pontas enroladas Sob extre ma deficiência de cobre as folhas podem cair prematura mente e as flores podem ser estéreis NÍQUEL A urease é a única enzima conhecida em plan tas superiores que contém níquel Ni2 embora micror ganismos fixadores de nitrogênio exijam níquel Ni até Ni4 para a enzima que reprocessa parte do gás hidrogê nio gerado durante a fixação hidrogenase de captação de hidrogênio ver Capítulo 13 Plantas deficientes em ní quel acumulam ureia em suas folhas e em consequência apresentam necrose nos ápices foliares A deficiência de níquel no campo foi encontrada somente em uma cultu ra em árvores da nogueira pecan no sudeste dos Estados Unidos porque as plantas requerem apenas quantidades minúsculas de níquel ver Tabela 51 MOLIBDÊNIO Íons molibdênio Mo4 até Mo6 são com ponentes de várias enzimas incluindo a nitrato redutase a nitrogenase a xantina desidrogenase a aldeído oxidase e a sulfito oxidase A nitrato redutase catalisa a redução do nitrato a nitrito durante sua assimilação pela célula vege tal a nitrogenase converte o gás nitrogênio em amônia em microrganismos fixadores de nitrogênio ver Capítulo 13 O primeiro indicativo de uma deficiência de molibdênio é a clorose generalizada entre as nervuras e a necrose de folhas mais velhas Em algumas plantas como couveflor e bróco lis as folhas podem não se tornar necróticas mas em vez disso podem parecer retorcidas e por conseguinte morrer doença do rabodechicote A formação de flores pode ser impedida ou as flores podem cair prematuramente Como o molibdênio está envolvido tanto com a re dução do nitrato quanto com a fixação de nitrogênio a deficiência de molibdênio pode acarretar uma deficiência Taiz05indd 128 Taiz05indd 128 27102016 143210 27102016 143210 Capítulo 5 Nutrição Mineral 129 de nitrogênio se a fonte desse elemento for primariamente nitrato ou se a planta depender da fixação simbiótica de nitrogênio Embora as plantas necessitem apenas de pe quenas quantidades de molibdênio ver Tabela 51 alguns solos p ex solos ácidos na Austrália suprem concentra ções inadequadas Pequenas adições de molibdênio nesses solos podem melhorar substancialmente o crescimento de culturas ou forrageiras a um custo desprezível A análise de tecidos vegetais revela deficiências minerais As exigências de elementos minerais podem variar à me dida que uma planta cresce e se desenvolve Em plantas de lavoura os níveis de nutrientes em determinados estágios de crescimento influenciam a produtividade de órgãos vegetais economicamente importantes tubérculos grãos e outros Para otimizar os rendimentos os agricultores usam análises dos níveis de nutrientes no solo e nos tecidos vegetais a fim de determinar o calendário de fertilizações A análise de solo é a determinação química do con teúdo de nutrientes em uma amostra de solo da zona das raízes Conforme será discutido mais adiante neste capítulo tanto a química quanto a biologia dos solos são complexas e os resultados das análises de solo variam de acordo com os métodos de amostragem as condições de armazenagem das amostras e as técnicas de extração de nutrientes Talvez o mais importante seja que determinada análise de solo re flete os níveis de nutrientes potencialmente disponíveis nele para as raízes das plantas mas ela não informa a quantida de de determinado mineral de que a planta realmente preci sa ou é capaz de absorver Essa informação adicional é mais bem determinada pela análise de tecidos vegetais O uso adequado da análise de tecidos vegetais re quer um entendimento das relações entre o crescimento vegetal ou produtividade e a concentração de um nu triente em amostras de tecidos vegetais Tenha em mente que a concentração de um nutriente nos tecidos depende do balanço entre a absorção do nutriente e a diluição da quantidade do nutriente ao longo do crescimento A Figura 54 identifica três zonas de deficiência adequada e tóxica na resposta de crescimento a concentrações crescentes de um nutriente Quando a concentração do nutriente é baixa em uma amostra de tecidos o crescimento é reduzido Na zona de deficiência da curva um aumento na disponibi lidade e na absorção do nutriente está diretamente relacio nado a um aumento no crescimento ou na produtividade À medida que a disponibilidade e a absorção do nutrien te continuam a aumentar é alcançado um ponto no qual uma adição posterior de nutriente não é mais relacionada a aumentos no crescimento ou na produtividade mas é refletida somente nas concentrações aumentadas nos te cidos Essa região da curva é chamada de zona adequada O ponto de transição entre as zonas de deficiência e adequada da curva revela a concentração crítica do nu triente ver Figura 54 que pode ser definida como o con teúdo mínimo de nutriente nos tecidos que se correlaciona com crescimento ou produtividade máximos À medida que a concentração de nutriente do tecido aumenta além da zona adequada o crescimento ou a produtividade declinam devido à toxicidade Essa região da curva é a zona tóxica Para avaliar a relação entre o crescimento e a concen tração de nutrientes no tecido os pesquisadores cultivam plantas em solo ou em uma solução nutritiva nos quais todos os nutrientes estão presentes em concentrações ade quadas exceto o nutriente sob avaliação No começo do ex perimento o nutriente limitante é adicionado em concen trações crescentes para diferentes grupos de plantas e as concentrações do nutriente em tecidos específicos são cor relacionadas com uma medida específica de crescimento ou produtividade Diversas curvas são estabelecidas para cada elemento uma para cada tecido e idade de tecido Como os solos agrícolas normalmente são limitados nos elementos nitrogênio fósforo e potássio N P K muitos produtores rotineiramente levam em consideração pelo menos as respostas de crescimento ou produtividade para esses elementos Se há suspeita de uma deficiência de nutriente são tomadas medidas para a correção do proble ma antes da redução do crescimento ou da produtividade A análise do vegetal temse mostrado útil em estabelecer um calendário de fertilização que sustente a produtividade e assegure a qualidade alimentar de muitas culturas Tratando deficiências nutricionais Muitas práticas agrícolas tradicionais e de subsistência pro movem a reciclagem de elementos minerais As plantas cul tivadas absorvem nutrientes do solo os seres humanos e os animais consomem essas plantas localmente e os resíduos vegetais e os dejetos humanos e de animais devolvem os Concentração crítica Concentração de nutriente no tecido μmol g1 de massa seca Crescimento ou produtividade porcentagem do máximo Zona de deficiência Zona tóxica 100 50 0 Zona adequada Figura 54 A relação entre a produtividade ou o crescimento e o conteúdo de nutrientes dos tecidos vegetais define zonas de deficiência adequação e toxicidade Produtividade ou crescimento podem ser expressos em termos de massa seca de parte aérea ou altura Para obter dados desse tipo as plantas são cultivadas sob condições nas quais a concentração de um nutriente essencial é al terada enquanto os demais nutrientes são adequadamente supri dos O efeito da variação na concentração desse nutriente durante o crescimento da planta se reflete no crescimento ou na produtivida de A concentração crítica desse nutriente é aquela abaixo da qual a produtividade ou o crescimento é reduzido Taiz05indd 129 Taiz05indd 129 27102016 143210 27102016 143210 130 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos nutrientes ao solo As principais perdas de nutrientes des ses sistemas agrícolas resultam da lixiviação que carrega os nutrientes dissolvidos principalmente nitrato na água de drenagem Em solos ácidos a lixiviação de outros nu trientes além do nitrato pode ser diminuída pela adição de calcário uma mistura de CaO CaCO3 e CaOH2 para tornar o solo mais alcalino uma vez que muitos elementos minerais formam compostos menos solúveis quando o pH é superior a 6 Figura 55 Essa diminuição na lixiviação no entanto pode ser obtida à custa da redução na disponibili dade de alguns nutrientes em especial o ferro Nos sistemas agrícolas de alta produtividade dos paí ses industrializados uma grande proporção da biomassa da cultura deixa a área de cultivo e o retorno dos resíduos da cultura à terra onde ela foi produzida tornase difícil na melhor das hipóteses Essa remoção unidirecional dos nutrientes dos solos agrícolas torna importante devolver os nutrientes para esse substrato por meio da adição de fertilizantes A produtividade das culturas pode ser melhorada pela adição de fertilizantes A maioria dos fertilizantes químicos contém sais inorgâ nicos dos macronutrientes nitrogênio fósforo e potássio ver Tabela 51 Os fertilizantes que contêm apenas um desses três nutrientes são chamados de fertilizantes simples Alguns exemplos de fertilizantes simples são superfosfato nitrato de amônio e muriato de potássio cloreto de po tássio Fertilizantes que contêm dois ou mais nutrientes minerais são chamados de fertilizantes compostos ou ferti lizantes mistos e os números no rótulo da embalagem tal como 101410 referemse às porcentagens de N P e K respectivamente no fertilizante Com a produção agrícola de longo prazo o consumo de micronutrientes pelas culturas pode atingir um ponto no qual eles também precisam ser adicionados ao solo como fertilizantes Adicionar micronutrientes ao solo também pode ser necessário para corrigir uma deficiência preexis tente Por exemplo muitos solos arenosos ácidos em regiões úmidas são deficientes em boro cobre zinco manganês molibdênio ou ferro e podem se beneficiar da suplementa ção de nutrientes Produtos químicos também podem ser aplicados no solo para modificar seu pH Conforme mostra a Figura 55 o pH do solo afeta a disponibilidade de todos os nutrientes minerais A adição de calcário como mencionado ante riormente pode elevar o pH de solos ácidos a adição de enxofre elementar pode abaixar o pH de solos alcalinos Nesse último caso microrganismos absorvem o enxofre e subsequentemente liberam sulfato e íons hidrogênio que acidificam o solo Fertilizantes orgânicos são aqueles aprovados para práticas de agricultura orgânica Em contraste com os fertilizantes químicos eles se originam de depósitos na turais de rochas como nitrato de sódio e rocha fosfatada fosforita ou de resíduos de plantas ou animais Os de pósitos de rocha natural são quimicamente inorgânicos mas são aceitáveis para o uso na agricultura orgânica Os resíduos vegetais e animais contêm muitos nutrientes sob forma de compostos orgânicos Antes que as culturas vegetais possam absorver esses nutrientes dos resíduos os compostos orgânicos precisam ser decompostos nor malmente pela ação de microrganismos do solo segundo um processo denominado mineralização A mineralização depende de muitos fatores incluindo temperatura dispo nibilidade de água e oxigênio pH além dos tipos e do número de microrganismos presentes no solo Como uma consequência as taxas de mineralização são altamente variáveis e os nutrientes de resíduos orgânicos tornamse disponíveis às plantas por períodos que variam de dias a meses ou anos Essa taxa de mineralização lenta dificulta o uso eficiente de fertilizantes Desse modo que as plan tações dependentes somente de fertilizantes orgânicos po dem necessitar da adição de muito mais nitrogênio ou fós foro além de sofrerem perdas ainda maiores de nutrientes que plantações que usam fertilizantes químicos Os resí Figura 55 Influência do pH do solo na disponibilidade de nu trientes em solos orgânicos A espessura das barras horizontais indi ca o grau de disponibilidade do nutriente para as raízes das plantas Todos esses nutrientes estão disponíveis na faixa de pH de 55 a 65 De Lucas e Davis 1961 Nitrogênio Fósforo Potássio Enxofre Cálcio Magnésio Ferro Manganês Boro Cobre Zinco Molibdênio 40 45 50 55 60 65 pH Neutro Ácido Alcalino 70 75 80 85 90 Taiz05indd 130 Taiz05indd 130 27102016 143211 27102016 143211 Capítulo 5 Nutrição Mineral 131 duos de fertilizantes orgânicos melhoram a estrutura físi ca da maioria dos solos aumentando a retenção de água durante a seca e aumentando a drenagem em tempo chu voso Em alguns países em desenvolvimento fertilizantes orgânicos são tudo o que está disponível ou acessível Alguns nutrientes minerais podem ser absorvidos pelas folhas Além de absorver nutrientes adicionados ao solo como ferti lizantes a maioria das plantas consegue absorver nutrientes minerais aplicados às suas folhas por aspersão em um pro cesso conhecido como adubação foliar Em alguns casos esse método tem vantagens agronômicas em comparação à aplicação de nutrientes no solo A adubação foliar pode re duzir o tempo de retardo entre a aplicação e a absorção pela planta o que poderia ser importante durante uma fase de crescimento rápido Ela também pode contornar o problema de restrição de absorção de um nutriente do solo Por exem plo a aplicação foliar de nutrientes minerais como ferro manganês e cobre pode ser mais eficiente que a aplicação via solo onde esses íons são adsorvidos às partículas do solo e assim estão menos disponíveis ao sistema de raízes A absorção de nutrientes pelas folhas é mais eficaz quando a solução de nutrientes é aplicada à folha como uma película fina A produção de uma película fina com frequência requer que as soluções de nutrientes sejam suplementadas com substâncias surfactantes como o de tergente Tween 80 ou os surfactantes organossiliconados desenvolvidos recentemente que reduzem a tensão su perficial O movimento dos nutrientes para o interior da planta parece envolver a difusão pela cutícula e a absorção pelas células foliares embora a absorção através da fenda estomática também possa ocorrer Para que a aplicação foliar de nutrientes seja bemsu cedida os danos às folhas devem ser minimizados Se a aspersão for aplicada em um dia quente quando a evapo ração é alta os sais podem se acumular na superfície foliar e provocar queimadura ou ressecamento A aplicação em dias frescos ou à tardinha ajuda a aliviar esse problema A adição de calcário na aspersão diminui a solubilidade de muitos nutrientes e limita a toxicidade A aplicação foliar temse mostrado economicamente bemsucedida sobre tudo em culturas arbóreas e lianas como as videiras mas ela também é usada com cereais Os nutrientes aplicados às folhas podem salvar um pomar ou um vinhedo quan do os nutrientes aplicados ao solo forem de correção muito lenta No trigo Triticum aestivum o nitrogênio aplicado às folhas durante os estágios tardios de crescimento melhora o conteúdo proteico das sementes Solo raízes e microrganismos O solo é física química e biologicamente complexo Ele é uma mistura heterogênea de substâncias distribuídas em fases sólidas líquida e gasosa ver Capítulo 4 Todas essas fases interagem com os nutrientes minerais As partículas inorgânicas da fase sólida fornecem um reservatório de po tássio fósforo cálcio magnésio e ferro Também associados a essa fase sólida estão os compostos orgânicos constituídos de nitrogênio fósforo e enxofre entre outros elementos A fase líquida constitui a solução do solo que é retida em poros entre as suas partículas Ela contém íons minerais dis solvidos e serve como o meio para o movimento deles até a superfície da raiz Gases como oxigênio dióxido de carbono e nitrogênio estão dissolvidos na solução do solo mas as raí zes fazem as trocas gasosas com o solo predominantemente através dos espaços de ar entre as suas partículas De um ponto de vista biológico o solo constituise em um ecossistema diversificado no qual as raízes das plan tas e microrganismos interagem Muitos microrganismos desempenham papéischave na liberação mineralização de nutrientes de fontes orgânicas alguns dos quais se tor nam então diretamente disponíveis para as plantas Sob algumas condições do solo microrganismos de vida livre competem com as plantas por esses nutrientes minerais Por outro lado alguns microrganismos especializados in cluindo fungos micorrízicos e bactérias fixadoras de nitro gênio podem formar alianças com as plantas simbioses para benefício mútuo Nesta seção discutese a importân cia das propriedades do solo da estrutura da raiz e das re lações simbióticas micorrízicas para a nutrição mineral das plantas O Capítulo 13 abordará as relações simbióticas de plantas com bactérias fixadoras de nitrogênio Partículas de solo negativamente carregadas afetam a adsorção dos nutrientes minerais As partículas de solo tanto inorgânicas quanto orgânicas têm cargas predominantemente negativas em suas superfí cies Muitas partículas inorgânicas de solo constituem redes cristalinas Essas redes são arranjos tetraédricos das formas catiônicas de alumínio Al3 e silício Si4 ligadas a átomos de oxigênio formando assim aluminatos e silicatos Quan do cátions de menor carga substituem o Al3 e o Si4 as par tículas inorgânicas de solo ficam negativamente carregadas As partículas orgânicas do solo originamse de plan tas mortas animais e microrganismos que os microrga nismos do solo decompuseram em vários graus As cargas superficiais negativas das partículas orgânicas resultam da dissociação de íons hidrogênio de grupos ácidos car boxílicos e fenólicos presentes nesse componente do solo A maioria dos solos do mundo é composta de agregados formados de partículas orgânicas e inorgânicas Os solos são classificados pelo tamanho das partículas A brita consiste em partículas maiores que 2 mm A areia grossa consiste em partículas entre 02 e 2 mm A areia fina consiste em partículas entre 002 e 02 mm O silte consiste em partículas entre 0002 e 002 mm A argila consiste em partículas menores do que 0002 mm 2 μm Os materiais argilosos que contêm silicatos são ainda divididos em três grandes grupos caulinita ilita e mont morilonita com base em diferenças em suas proprieda Taiz05indd 131 Taiz05indd 131 27102016 143211 27102016 143211 132 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos des estruturais e físicas Tabela 55 O grupo caulinita em geral é encontrado em solos bem intemperizados os grupos montmorilonita e ilita são encontrados em solos menos intemperizados Cátions minerais como amônio NH4 e potássio K são adsorvidos às cargas superficiais negativas das par tículas inorgânicas e orgânicas ou adsorvidos dentro das redes formadas pelas partículas do solo Essa adsorção de cátions é um fator importante na fertilidade do solo Os cátions minerais adsorvidos sobre a superfície das partí culas do solo não são facilmente lixiviados quando o solo é infiltrado pela água e portanto proporcionam uma reser va de nutrientes disponível para as raízes Os nutrientes minerais adsorvidos dessa maneira podem ser substituí dos por outros cátions em um processo conhecido como troca catiônica Figura 56 O grau com que um solo pode adsorver ou trocar íons é denominado capacidade de troca catiônica CTC e é altamente dependente do tipo de solo Um solo com capacidade mais alta de troca de cátions em geral tem uma maior reserva de nutrientes minerais Os ânions minerais como nitrato NO3 e cloreto Cl tendem a ser repelidos pela carga negativa na super fície das partículas do solo e permanecem dissolvidos na solução do solo Assim a capacidade de troca aniônica da maioria dos solos agrícolas é pequena quando comparada com a capacidade de troca catiônica O nitrato em parti cular permanece móvel na solução do solo onde é susce tível à lixiviação pela água que se movimenta pelo solo Os íons fosfato H2PO2 podem se ligar às partículas de solo contendo alumínio ou ferro pois os íons ferro e alumínio carregados positivamente Fe2 Fe3 e Al3 es tão associados a grupos hidroxila OH que são trocados por fosfato Os íons fosfato também reagem fortemente com Ca2 Fe3 e Al3 formando compostos inorgânicos N de T Na verdade quando se refere à capacidade do solo de tro car íons como foi descrito no texto caracterizase a capacidade de troca iônica do solo cátions ânions Entretanto como ocorre uma adsorção muito maior de cátions do que de ânions à superfície das partículas do solo devido ao predomínio de cargas negativas nessas superfícies o componente principal dessa capacidade de troca iônica é a capacidade de troca catiônica insolúveis Como resultado o fosfato com frequência é li gado fortemente em baixo ou em alto pH ver Figura 55 e sua falta de mobilidade e disponibilidade no solo pode limitar o crescimento vegetal A formação de simbioses micorrízicas que discutiremos mais adiante nesta seção ajuda a superar essa falta de mobilidade Adicionalmente as raízes de algumas plantas como o tremoçobranco Lu pinus albus e membros da família Proteaceae p ex Ma cadamia Banskia Protea secretam grandes quantidades de ânions orgânicos ou prótons para o solo que liberam o fosfato de fosfatos de ferro alumínio e cálcio Sulfato SO4 2 na presença de Ca2 forma gesso CaSO4 O gesso é apenas levemente solúvel mas libe ra sulfato suficiente para sustentar o crescimento vegetal A maioria dos solos não ácidos contém quantidades subs tanciais de Ca2 em consequência a mobilidade do sulfato nesses solos é baixa de modo que o sulfato não é altamen te suscetível à lixiviação TABELA 55 Comparação das propriedades dos três principais tipos de argilossilicatos encontrados no solo Propriedade Tipo de argila Montmorilonita Ilita Caulinita Tamanho μm 00110 0120 0150 Forma Flocos irregulares Flocos irregulares Cristais hexagonais Coesão Alta Média Baixa Capacidade de embebição Alta Média Baixa Capacidade de troca catiônica miliequivalentes 100 g1 80100 1540 315 Fonte De Brady 1974 K K K K K K K Ca2 Ca2 Ca2 Ca2 Ca2 Ca2 Mg2 H H Partícula de solo Figura 56 Princípio da troca catiônica sobre a superfície de uma partícula de solo Cátions são adsorvidos sobre a superfície de uma partícula de solo porque essa superfície é carregada negativamente A adição de um cátion como o potássio K ao solo pode deslocar outro cátion como o cálcio Ca2 da superfície da partícula de solo e tornálo disponível para a absorção pelas raízes Taiz05indd 132 Taiz05indd 132 27102016 143211 27102016 143211 Capítulo 5 Nutrição Mineral 133 O pH do solo afeta a disponibilidade de nutrientes os microrganismos do solo e o crescimento das raízes A concentração de íons hidrogênio pH é uma proprie dade importante dos solos porque afeta o crescimento das raízes e os microrganismos neles presentes O crescimen to das raízes geralmente é favorecido em solos levemente ácidos com valores de pH entre 55 e 65 Os fungos em geral predominam em solos ácidos pH abaixo de 7 as bactérias tornamse mais abundantes em solos alcalinos pH superior a 7 O pH determina a disponibilidade dos nutrientes do solo ver Figura 55 A acidez promove a in temperização de rochas que libera K Mg2 Ca2 e Mn2 e aumenta a solubilidade de carbonatos sulfatos e fosfatos O aumento da solubilidade de nutrientes eleva suas dispo nibilidades para as raízes à medida que as concentrações aumentam na solução do solo Os principais fatores que baixam o pH do solo são a decomposição da matéria orgânica a assimilação de amô nio pelas plantas e pelos microrganismos e a quantidade de chuva O dióxido de carbono é produzido como resul tado da decomposição de matéria orgânica e se equilibra com a água do solo conforme a seguinte reação CO2 H2O H HCO3 Isso libera íons hidrogênio H diminuindo o pH do solo A decomposição microbiana da matéria orgânica também produz amôniaamônio NH3 NH4 e sulfeto de hidrogênio H2S que podem ser oxidados no solo for mando os ácidos fortes ácido nítrico HNO3 e ácido sul fúrico H2SO4 respectivamente À medida que absorvem íons amônio do solo e os assimilam em aminoácidos as raízes geram íons hidrogênio que elas excretam no solo circundante ver Capítulo 13 Os íons hidrogênio podem deslocar K Mg2 Ca2 e Mn2 das superfícies das partí culas do solo A lixiviação pode então remover esses íons das camadas superiores do solo deixando o solo mais áci do Por outro lado a intemperização de rochas em regiões mais áridas libera K Mg2 Ca2 e Mn2 para o solo mas devido à baixa pluviosidade esses íons não são lixiviados das camadas superiores do solo e este permanece alcalino O excesso de íons minerais no solo limita o crescimento das plantas Quando íons minerais estão presentes em excesso no solo este é denominado salino Os solos podem inibir o cresci mento vegetal se os íons minerais alcançarem concentra ções que limitem a disponibilidade de água ou excederem os níveis adequados para determinado nutriente ver Capí tulo 24 Cloreto de sódio e sulfato de sódio são os sais mais comuns em solos salinos O excesso de íons minerais no solo pode ser um fator de grande importância em regiões áridas e semiáridas pois a precipitação é insuficiente para lixiviálos das camadas de solo junto à superfície A agricultura irrigada promove a salinização dos solos caso a quantidade de água aplicada seja insuficiente para lixiviar o sal abaixo da zona de raízes A água de irriga ção pode conter 100 a 1000 g de íons minerais por metro cúbico Uma cultura requer em média cerca de 10000 m3 de água por hectare Consequentemente 1000 a 10000 kg de íons minerais por hectare podem ser adicionados ao solo por cultura vegetal e ao longo de um número de es tações de crescimento altas concentrações de íons mine rais podem acumularse no solo Em solos salinos as plantas enfrentam o estresse sa lino Enquanto muitas plantas são afetadas de maneira ad versa pela presença de níveis relativamente baixos de sal outras podem sobreviver plantas tolerantes ao sal ou mesmo prosperar halófitas em níveis elevados de sal Os mecanismos pelos quais as plantas toleram a alta salini dade são complexos ver Capítulo 24 envolvendo síntese molecular indução enzimática e transporte de membrana Em algumas espécies vegetais os íons minerais em exces so não são absorvidos sendo excluídos pelas raízes em outras eles são absorvidos mas são excretados pela planta por glândulas de sal presentes nas folhas Para impedir o acúmulo tóxico de íons minerais no citosol muitas plantas sequestram esses íons no vacúolo Esforços estão em cur so para conferir tolerância ao sal em espécies de culturas sensíveis a ele utilizando tanto o melhoramento clássico de plantas como a biotecnologia conforme detalhado no Capítulo 24 Outro problema importante relacionado ao excesso de íons minerais é a acumulação de metais pesados no solo que pode causar toxicidade severa em plantas assim como em seres humanos ver Ensaio 52 na internet Esses me tais pesados incluem zinco cobre cobalto níquel mercú rio chumbo cádmio prata e cromo Algumas plantas desenvolvem sistemas de raízes extensos A capacidade das plantas de obter água e nutrientes mine rais do solo está relacionada à capacidade delas de desen volver um sistema de raízes extenso e várias outras caracte rísticas como a capacidade de secretar ânions inorgânicos ou desenvolver simbioses micorrízicas No final da década de 1930 H J Dittmer examinou o sistema de raízes de um único indivíduo de centeio depois de 16 semanas de cres cimento Ele estimou que a planta tivesse 13 milhões de eixos de raízes primárias e laterais estendendose mais de 500 km em comprimento e proporcionando uma área superficial de 200 m2 Essa planta também tinha mais de 1010 pelos nas raízes proporcionando 300 m2 adicionais de área de superfície A área superficial total de raízes de uma única planta de centeio equivalia àquela de uma quadra de basquetebol profissional Outras espécies de plantas po dem não desenvolver tais sistemas de raízes extensos o que pode limitar sua capacidade de absorção e aumentar a sua dependência da simbiose micorrízica discutido a seguir No deserto as raízes de plantas do gênero Prosopis podem atingir uma profundidade superior a 50 m para alcançar a água subterrânea Plantas cultivadas anuais Taiz05indd 133 Taiz05indd 133 27102016 143211 27102016 143211 134 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos têm raízes que normalmente crescem entre 01 e 20 m em profundidade e se estendem lateralmente a distâncias de 03 a 10 m Em pomares os sistemas de raízes principais de árvores plantadas com espaçamento de 1 m entre si atingem um comprimento total de 12 a 18 km por árvore A produção anual de raízes em ecossistemas naturais pode facilmente ultrapassar a de partes aéreas de modo que em muitos casos as porções aéreas de uma planta repre sentam apenas a ponta do iceberg No entanto realizar observações de sistemas de raízes é difícil e normalmente requer técnicas especiais ver Tópico 52 na internet As raízes das plantas podem crescer continuamente ao longo do ano se as condições forem favoráveis Sua proliferação no entanto depende da disponibilidade de água e nutrientes no microambiente que as circunda a chamada rizosfera Se a rizosfera for pobre em nutrientes ou muito seca o crescimento das raízes é lento À medida que as condições na rizosfera melhoram o crescimento das raízes aumenta Se a fertilização e a irrigação fornece rem nutrientes e água em abundância o crescimento das raízes poderá não acompanhar o da parte aérea O cres cimento vegetal sob tais condições tornase limitado por carboidratos e um sistema de raiz relativamente pequeno satisfaz as necessidades de nutrientes da planta inteira Em culturas nas quais colhemos as partes aéreas a fertilização e a irrigação causam uma maior alocação de recursos para o caule folhas e estruturas reprodutivas do que para as raízes e esse desvio no padrão de alocação com frequência resulta em maiores produtividades Os sistemas de raízes diferem na forma mas se baseiam em estruturas comuns A forma do sistema de raízes difere muito entre as espécies vegetais Em monocotiledôneas o desenvolvimento das raízes começa com a emergência de três a seis eixos de raí zes primárias ou seminais a partir da semente em germi nação À medida que cresce a planta estende novas raízes adventícias chamadas de raízes nodais ou raízesescora Com o passar do tempo os eixos de raiz primários e nodais crescem e se ramificam extensamente formando um com plexo sistema de raízes fasciculado Figura 57 Nos sistemas fasciculados todas as raízes em geral têm o mesmo diâme tro exceto quando as condições ambientais ou interações com patógenos modificam sua estrutura de modo que é impossível distinguir um eixo de raiz principal Diferentemente das monocotiledôneas as dicotiledô neas desenvolvem sistemas de raízes com um eixo prin cipal único denominado raiz pivotante que pode en grossar como resultado da atividade cambial crescimento secundário Desse eixo principal desenvolvemse raízes laterais formando um sistema de raízes extensamente ra mificado Figura 58 O desenvolvimento do sistema de raízes tanto em monocotiledôneas quanto em dicotiledôneas depende da atividade do meristema apical e da produção de meriste mas de raízes laterais A Figura 59 é um diagrama ge ral da região apical da raiz de uma planta e identifica três zonas de atividade meristemática de alongamento e de maturação Na zona meristemática as células dividemse em direção à base da raiz para formar células que se diferen ciam em tecidos da raiz funcional e em direção ao ápice da raiz para formar a coifa A coifa protege as delicadas células meristemáticas à medida que a raiz se expande no solo Ela geralmente secreta um material gelatinoso cha mado mucigel que envolve o ápice da raiz A função pre cisa do mucigel não é bem conhecida mas ele pode pro porcionar lubrificação que facilita a penetração da raiz no solo proteger o ápice da raiz de dessecação promover a transferência de nutrientes à raiz e afetar interações en tre a raiz e os microrganismos do solo A coifa é essencial para a percepção da gravidade sinal que direciona o cres cimento das raízes para baixo Esse processo é conhecido como resposta gravitrópica ver Capítulo 18 A divisão celular no ápice da raiz é relativamente len ta assim essa região é denominada centro quiescente Após algumas gerações de divisões celulares lentas célu las da raiz deslocadas cerca de 01 mm do ápice começam a se dividir mais rapidamente A divisão celular novamen te vai diminuindo cerca de 04 mm do ápice e as células expandemse igualmente em todas as direções A zona de alongamento começa a 07 a 15 mm do ápice ver Figura 59 Nessa zona as células alongamse rapidamente e passam por uma série final de divisões produzindo um anel central de células denominado endo Figura 57 Sistemas de raízes fasciculados de trigo uma mono cotiledônea A Sistema de raízes de uma planta madura 3 meses de idade de trigo crescendo em solo seco B Sistema de raízes de uma planta madura de trigo crescendo em solo irrigado É visível que a morfologia do sistema de raízes é afetada pela quantidade de água presente no solo Em um sistema de raízes fasciculado madu ro os eixos primários são indistinguíveis De Weaver 1926 A Solo seco B Solo irrigado 30 cm Taiz05indd 134 Taiz05indd 134 27102016 143211 27102016 143211 Capítulo 5 Nutrição Mineral 135 derme As paredes dessa camada de células endodérmi cas tornamse espessadas Suberina é depositada sobre as paredes radiais e transversais das células endodérmicas formando a estria de Caspary uma estrutura hidrofóbica que impede o movimento apoplástico de água ou solutos através da raiz ver Figura 44 A endoderme divide a raiz em duas regiões o córtex para fora e o estelo para dentro O estelo contém os siste mas condutores da raiz o floema que transporta metabó litos da parte aérea para a raiz e para frutos e sementes e o xilema que transporta água e solutos para a parte aérea N de RT A endoderme de fato é a camada mais interna do córtex O floema desenvolvese mais rápido que o xilema evidenciando o fato de que a função do floema é crucial junto ao ápice da raiz Grandes quantidades de carboidra tos devem fluir pelo floema em direção às zonas apicais em crescimento para sustentar a divisão e o alongamen to celulares Os carboidratos proporcionam às células em rápido crescimento uma fonte de energia e esqueletos de carbono necessários para a síntese de compostos de car bono Açúcares de seis carbonos hexoses também atuam como solutos osmoticamente ativos nos tecidos das raízes No ápice da raiz onde o floema ainda não está desenvol vido o movimento de carboidratos depende do transpor te simplástico e é relativamente lento As baixas taxas de divisão celular no centro quiescente podem resultar do 30 cm A Beterraba B Alfafa Figura 58 Sistema de raízes pivotante de duas dicotiledôneas adequadamente irrigadas beterraba A e alfafa B O sistema de raízes da beterraba é típico de 5 meses de crescimento o sistema de raízes da alfafa é típico de 2 anos de crescimento Em ambas as dicotiledôneas o sistema de raízes mostra um eixo vertical principal No caso da beterraba a porção superior do sistema de raízes pivo tante é engrossada devido à sua função como órgão de armazena gem De Weaver 1926 Zona de maturação Zona de alongamento Zona meristemática Pelo da raiz Parênquima cortical Xilema Floema Estelo Epiderme Região de rápida divisão celular Centro quiescente poucas divisões celulares Coifa Bainha de mucigel Ápice Endoderme com estria de Caspary Endoderme com estria de Caspary Figura 59 Representação diagramática de um corte longitu dinal da região apical da raiz As células meristemáticas estão lo calizadas próximas ao ápice da raiz Essas células geram a coifa e os tecidos superiores da raiz Na zona de alongamento as células diferenciamse para produzir xilema floema e córtex Os pelos da raiz formados em células epidérmicas aparecem primeiro na zona de maturação Taiz05indd 135 Taiz05indd 135 27102016 143211 27102016 143211 136 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos fato de que os carboidratos chegam em quantidades insu ficientes a essa região centralmente localizada ou que essa área é mantida em um estado oxidado Os pelos das raízes com suas grandes áreas de su perfície para a absorção de água e solutos e para ancorar a raiz ao solo aparecem primeiro na zona de maturação ver Figura 59 na qual o xilema desenvolve a capacidade de transportar quantidades substanciais de água e solutos para a parte aérea Áreas diferentes da raiz absorvem íons minerais distintos O ponto preciso de entrada dos minerais no sistema de raí zes tem sido um tópico de considerável interesse Alguns pesquisadores afirmam que os nutrientes são absorvidos somente nas regiões apicais dos eixos ou ramificações das raízes outros afirmam que os nutrientes são absorvidos ao longo de toda a superfície da raiz Evidências experi mentais sustentam as duas possibilidades dependendo da espécie vegetal e do nutriente sob investigação A absorção de íons cálcio pela cevada Hordeum vulga re parece ser restrita à região apical Ferro pode ser absorvido tanto na região apical como em cevada e outras espécies quanto ao longo de toda a superfície da raiz como em milho Íons potássio nitrato amônio e fosfato podem ser ab sorvidos livremente em todos os locais da superfície da raiz mas no milho a zona de alongamento tem as taxas máximas de acumulação de íons potássio e de absorção de nitrato Em milho e arroz e em espécies de áreas úmidas we tlands o ápice da raiz absorve amônio mais rapida mente que a zona de alongamento A absorção de amô nio e nitrato por coníferas varia significativamente em diferentes regiões da raiz e pode ser influenciada pelas taxas de crescimento e maturação desse órgão Em várias espécies o ápice e os pelos da raiz são os mais ativos na absorção de fosfato Para espécies com pelos fracamente desenvolvidos hifas de fungos mi corrízicos arbusculares podem desempenhar um pa pel significativo na absorção de fosfato e outros nu trientes e o desenvolvimento dessa simbiose pode mudar as regiões da raiz envolvidas na absorção As altas taxas de absorção de nutrientes nas zonas api cais da raiz resultam da forte demanda nesses tecidos e da disponibilidade relativamente alta de nutrientes no solo que as circunda Por exemplo o alongamento celular depende do acúmulo de nutrientes como potássio cloro e nitrato para aumentar a pressão osmótica dentro das células ver Capí tulo 14 O amônio é a fonte preferencial de nitrogênio para sustentar a divisão celular no meristema pois os tecidos me ristemáticos são com frequência limitados na disponibili dade de carboidratos e porque a assimilação de amônio em compostos orgânicos nitrogenados consome menos energia que a assimilação de nitrato ver Capítulo 13 O ápice e os pelos da raiz crescem em solo inexplorado onde os nutrien tes ainda não foram esgotados Dentro do solo os nutrientes podem se mover em di reção à superfície da raiz tanto por fluxo de massa quanto por difusão ver Capítulo 3 No fluxo de massa os nu trientes são carregados pela água que se move do solo em direção às raízes A quantidade de nutrientes fornecida às raízes por fluxo de massa depende da taxa de fluxo de água pelo solo em direção à planta a qual depende das taxas de transpiração e das concentrações de nutrientes na solução do solo Quando tanto a taxa de fluxo de água quanto as concentrações de nutrientes na solução do solo são altas o fluxo de massa pode desempenhar um importante papel no suprimento de nutrientes Como consequência nu trientes altamente solúveis como o nitrato são largamen te transportados por fluxo de massa mas esse processo é menos importante para nutrientes com baixa solubilidade como íons fosfato e zinco Na difusão os nutrientes minerais movemse de uma região de maior concentração para um local de menor concentração A absorção de nutrientes reduz as concen trações de nutrientes na superfície da raiz gerando gra dientes de concentração na solução do solo que a circunda A difusão de nutrientes a favor de seu gradiente de con centração junto com o fluxo de massa resultante da trans piração pode aumentar a disponibilidade de nutrientes na superfície da raiz Quando a taxa de absorção de um nutriente pelas raí zes é alta e a concentração do nutriente na solução do solo é baixa o fluxo de massa pode suprir somente uma pequena fração da necessidade nutricional total Sob essas condições a absorção do nutriente tornase independente das taxas transpiratórias da planta e as taxas de difusão limitam o movimento do nutriente para a superfície da raiz Quando a difusão é demasiadamente baixa para manter concentra ções elevadas de nutrientes nas proximidades da raiz for mase uma zona de esgotamento de nutrientes adjacente à superfície da raiz Figura 510 Essa zona estendese cerca de 02 a 20 mm da superfície da raiz dependendo da mo bilidade do nutriente no solo A zona de esgotamento de nutrientes é particularmente importante para o fosfato A formação de uma zona de esgotamento informa algo importante sobre a nutrição mineral Uma vez que as raízes esgotam o suprimento mineral na rizosfera sua eficácia em extrair minerais do solo é determinada não só pela taxa pela qual elas podem remover nutrientes da solução do solo mas por seu contínuo crescimento den tro do solo ainda inesgotado Sem crescimento as raízes rapidamente esgotariam o solo adjacente às suas superfí cies Portanto uma obtenção ótima de nutrientes depende tanto da capacidade do sistema de raízes de absorção de nutrientes como de sua capacidade de crescer em direção ao solo inexplorado A capacidade da planta para formar uma simbiose micorrízica também é crucial para a supe ração dos efeitos da zona de esgotamento uma vez que as hifas do simbionte fúngico crescem além dessa zona Taiz05indd 136 Taiz05indd 136 27102016 143211 27102016 143211 Capítulo 5 Nutrição Mineral 137 Essas estruturas fúngicas absorvem nutrientes distantes da raiz até 25 cm no caso de micorrizas arbusculares e os translocam rapidamente para as raízes superando a lenta difusão no solo A disponibilidade de nutrientes influencia o crescimento da raiz As plantas que têm mobilidade limitada na maior parte de suas vidas devem lidar com alterações em seu ambiente local uma vez que elas não podem afastarse das condi ções desfavoráveis Acima do solo o nível de luz a tempe ratura e a umidade podem flutuar substancialmente du rante o dia e através do dossel porém as concentrações de CO2 e O2 permanecem relativamente uniformes Por outro lado o solo tampona as raízes de temperaturas extremas mas as concentrações de CO2 e O2 água e nutrientes são no subsolo extremamente heterogêneas tanto espacial como temporalmente Por exemplo as concentrações de nitrogênio inorgânico no solo podem variar 1000 vezes ao longo de uma distância de centímetros ou no decorrer de horas Dada essa heterogeneidade as plantas buscam as condições mais favoráveis ao seu alcance As raízes percebem o ambiente do subsolo por meio de gravitropismo tigmotropismo quimiotropismo e hi drotropismo para orientar seu crescimento em direção aos recursos nele existentes Algumas dessas respostas en volvem a auxina ver Capítulo 18 A amplitude na qual as raízes proliferam dentro de uma mancha de solo varia com as concentrações de nutrientes Figura 511 O crescimen to de raízes é mínimo em solos pobres pois elas se tornam limitadas pelos nutrientes À medida que a disponibilidade de nutrientes no solo aumenta as raízes proliferam Onde os nutrientes do solo excedem uma concentra ção ideal o crescimento de raiz pode tornarse limitado por carboidratos e finalmente cessa Com altas concentra ções de nutrientes no solo umas poucas raízes 35 do sistema de raiz no trigo de primavera e 12 na alface são suficientes para suprir todos os nutrientes necessários de modo que a planta pode diminuir a alocação de seus re cursos para as raízes enquanto aumenta sua alocação para a parte aérea e estruturas reprodutivas Essa alteração de recursos é um mecanismo pelo qual a fertilização estimula a produtividade das culturas As simbioses micorrízicas facilitam a absorção de nutrientes pelas raízes Nossa discussão até agora tem se centrado na aquisição direta de elementos minerais pelas raízes mas esse pro cesso em geral é modificado pela associação de fungos micorrízicos ao sistema de raiz para formar uma micorriza da palavra grega para fungo e raiz A planta hospe deira supre os fungos micorrízicos associados a carboidra tos e em retorno recebe nutrientes deles Há evidências de que a tolerância à seca e a doenças também possa ser me lhorada na planta hospedeira Simbioses micorrízicas de dois tipos principais mi corrizas arbusculares e ectomicorrizas são amplamente distribuídas na natureza ocorrendo em cerca de 90 das espécies vegetais incluindo a maioria das principais cul turas A maior parte talvez 80 é de micorrizas arbus culares que são simbioses entre um filo de fungos recen temente descrito Glomeromycota e uma ampla gama de Distância da superfície da raiz Concentração de nutrientes na solução do solo Nível alto de nutrientes Nível baixo de nutrientes Zonas de esgotamento Figura 510 Formação de uma zona de esgotamento de nutrien tes na região do solo adjacente à raiz da planta Uma zona de esgo tamento se forma quando a taxa de absorção de nutrientes pelas células da raiz excede a taxa de reposição de nutrientes por fluxo de massa e por difusão na solução do solo Esse esgotamento causa um decréscimo localizado na concentração de nutrientes na área adjacente à superfície da raiz De Mengel e Kirkby 2001 Figura 511 Biomassa de raiz como uma função de NH4 e NO3 extraíveis no solo A biomassa de raiz é mostrada μg massa seca de raiz g1 solo em relação a NH4 e NO3 extraíveis do solo μg extraível N g1 solo para tomateiro Solanum lycopersicum cv T5 crescendo em uma parcela irrigada não cultivada nos 2 anos anteriores As cores enfatizam as diferenças entre biomassas variando de baixas roxo a altas vermelho De Bloom et al 1993 400 100 0 12 8 4 0 0 1 2 3 NH4 no solo μg N g1 solo NO3 no solo μg N g1 solo Biomassa de raiz μg g1 solo 300 200 Taiz05indd 137 Taiz05indd 137 27102016 143211 27102016 143211 138 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos angiospermas gimnospermas fetos e hepáticas Sua im portância em espécies herbáceas e em árvores frutíferas de muitos tipos torna as micorrizas arbusculares vitais para a produção agrícola em particular em solos pobres em nu trientes Esse é o tipo mais antigo de micorriza ocorrendo em fósseis das primeiras plantas terrestres Essa simbiose provavelmente foi importante para facilitar o estabele cimento vegetal sobre o solo há cerca de 450 milhões de anos pois as primeiras plantas terrestres tinham órgãos subterrâneos pouco desenvolvidos As simbioses ectomicorrízicas ao contrário evo luíram mais recentemente Elas são formadas por muito menos espécies notavelmente em árvores das famílias Pinaceae pinheiros lariços abeto de Douglas Fagaceae faia carvalho castanheiro Salicaceae choupo álamo Betulaceae bétula e Mirtaceae Eucalyptus O parceiro fúngico pertence ou a Basidiomycota ou menos frequen temente a Ascomycota Essas simbioses desempenham importantes papéis na nutrição de árvores e portanto na produtividade de vastas áreas de floresta boreal Algumas espécies de plantas em particular aquelas nas famílias Salicaceae Salix salgueiro e Populus chou po e álamo e Mirtaceae Eucalyptus podem formar tan to simbioses arbusculares como ectomicorrízicas Outras espécies se mostraram incapazes de formar qualquer tipo de micorriza Elas incluem membros das famílias Brassi caceae como a couve Brassica oleracea e a plantamodelo Arabidopsis thaliana Quenopodiaceae como o espinafre Spinacea oleracea e Proteaceae como a nogueiramaca dâmia Macadamia integrifolia Certas práticas agriculturais podem reduzir ou elimi nar a formação de micorrizas em plantas que normalmen te as formam Essas práticas incluem a inundação o arroz irrigado não forma micorrizas enquanto o arroz de terras altas arroz de sequeiro forma a perturbação extensi va do solo causada pela aração a aplicação de altas con centrações de fertilizantes e evidentemente a fumigação e a aplicação de alguns fungicidas Tais práticas podem diminuir a produtividade em culturas como o milho que são muito dependentes de micorrizas para a absorção de nutrientes Micorrizas também não se formam em culti vo em solução ou em cultivo hidropônico Todavia para a maioria das plantas a formação de micorrizas é a situação normal e a condição sem micorrizas é essencialmente um artefato provocado por determinadas práticas agrícolas As micorrizas modificam o sistema de raízes da plan ta e influenciam a obtenção de nutrientes minerais por ela mas o modo como elas fazem isso varia entre os ti pos Fungos micorrízicos arbusculares desenvolvem fora da raiz de seu hospedeiro um sistema altamente ramifi cado micélio de hifas estruturas filamentosas finas de 2 a 10 μm de diâmetro que explora o solo Figura 512 Diferentes fungos micorrízicos arbusculares variam con sideravelmente em sua distância e intensidade de explo ração do solo mas a transferência de fosfato a 25 cm de distância da raiz foi medida O micélio também auxilia a estabilizar agregados de partículas do solo melhorando a sua estrutura As hifas estendemse no solo bem além da zona de esgotamento que se desenvolve em volta da raiz e portanto podem absorver um nutriente imóvel como o fosfato além dessa zona As hifas também penetram nos poros do solo que são muito mais estreitos do que aqueles disponíveis para as raízes A raiz da planta hospedeira de micorrizas arbuscu lares mostrase quase igual a uma raiz não micorrízica e a presença dos fungos somente pode ser detectada por coloração e microscopia As hifas dos fungos micorrízi cos arbusculares crescidas a partir de esporos no solo ou raízes de outras plantas penetram a epiderme da raiz e co lonizam o parênquima cortical estendendose através dos espaços intercelulares e invadindo as células corticais para formar tanto estruturas altamente ramificadas denomi nadas arbúsculos colonização tipo Arum Figura 513A quanto complexas hifas enoveladas colonização tipo Pa ris Figura 513B Os fungos são restritos ao parênquima cortical e nunca penetram a endoderme ou colonizam o estelo da raiz Essas estruturas aumentam a área de con tato entre os simbiontes e permanecem rodeadas por uma membrana da planta que participa na transferência de nu trientes do fungo para as células vegetais O processo de penetração é geneticamente controlado por uma rota que milhões e milhões de anos mais tarde foi parcialmente co optada para a colonização de raízes de leguminosas por bactérias fixadoras de nitrogênio ver Capítulo 13 O fosfato é liberado pelos fungos diretamente no cór tex da raiz Depois de exportado dos arbúsculos ou nove los fúngicos esse fosfato é absorvido pelas células vege tais Alguns dos conjuntos de transportadores de fosfato vegetais ver Capítulo 6 são específica ou preferencial Figura 512 Visualização do micélio extrarradical de Glomus mosseae expandindose a partir de raízes colonizadas de Prunus ce rasifera A frente de avanço do micélio extrarradical é indicada pelas pontas de setas e as raízes da planta por uma seta Observe as diferenças nos comprimentos e nos diâmetros das raízes e das hifas De Smith e Read 2008 Taiz05indd 138 Taiz05indd 138 27102016 143211 27102016 143211 Capítulo 5 Nutrição Mineral 139 mente expressos somente nas membranas vegetais que envolvem os arbúsculos ou novelos no córtex da raiz e não são expressos em raízes não micorrízicas Os transporta dores desempenham um papelchave na transferência de fosfato do fungo para a planta As hifas de fungos micorrízicos arbusculares têm ca pacidade de crescimento constante absorção altamente eficiente translocação e transferência rápida de nutrientes como o fosfato para as células da raiz Isso significa que elas conseguem explorar o solo muito mais efetivamente e com menores recursos do que as raízes não micorrízicas Em um grande número de espécies de plantas a resposta à colo nização por fungos micorrízicos arbusculares é o aumento da absorção de fosfato e portanto do crescimento em es pecial quando o fósforo no solo é pouco disponível Uma grande diversidade de respostas foi observada variando desde respostas muito positivas até zero ou mesmo respos tas negativas A explicação convencional para as respostas negativas é que o fungo consome carboidratos em excesso e é incapaz de fornecer quantidades adequadas de nutrientes para a planta Entretanto os fungos permanecem ativos na liberação de fosfato enquanto ao mesmo tempo decresce a quantidade de fosfato que é absorvida diretamente através da epiderme da raiz A ausência de resposta positiva pode portanto derivar de uma linha cruzada entre os simbion tes vegetais e fúngicos que interfere no modo de absorção de nutrientes pelas raízes Alta disponibilidade de fosfato no solo tende a diminuir o efeito estimulador que a forma ção de micorriza arbuscular tem sobre a absorção de fósforo pela planta o crescimento e a produtividade mas ainda não há evidência pertinente do controle específico pela planta da colonização fúngica e da atividade pelo fosfato Aproveitar a simbiose micorrízica arbuscular para oti mizar a nutrição de culturas vegetais à medida que os fer tilizantes se tornam cada mais dispendiosos dependerá da compreensão de como os parceiros simbióticos interagem para influenciar a obtenção de nutrientes No momento os fungos micorrízicos arbusculares são conhecidos pela importância na absorção de nutrientes imóveis como o fosfato e o zinco Seu papel em aumentar a absorção de nitrogênio ainda precisa ser comprovado Raízes colonizadas por simbiose ectomicorrízica po dem ser claramente distinguidas de raízes não micor rízicas elas crescem mais lentamente e com frequência parecem mais grossas e altamente ramificadas Os fun gos tipicamente formam uma espessa bainha ou manto de micélio em volta das raízes e algumas hifas penetram entre as células epidérmicas e às vezes no caso de coní feras as células corticais Figura 514 As células da raiz propriamente ditas não são penetradas pelas hifas fúngi cas mas em vez disso são circundadas por uma rede de hifas chamada de rede de Hartig essa rede proporciona uma grande área de contato entre os simbiontes que está envolvida na transferência de nutrientes O micélio tam bém se estende no solo além da bainha compacta onde ele está presente como hifas individuais massas achatadas de micélio mycelial fans Figura 515 ou cordões miceliais mycelial strands As massas achatadas de micélio em par ticular desempenham importantes papéis na obtenção de nutrientes do solo em especial matéria orgânica Figura 513 Representação diagramática das duas principais formas de colonização micorrízica arbuscular do parênquima cor tical A Colonização tipo Arum caracterizada pela formação de arbúsculos intracelulares altamente ramificados nas células corti cais da raiz B Colonização tipo Paris caracterizada pela formação de novelos intracelulares de hifas nas células corticais da raiz alguns dos quais chamados de novelos arbusculares portam pequenos ar búsculos semelhantes a ramos Arbúsculo Endoderme Xilema Floema A B Vesícula Pelo da raiz Parênquima cortical Vesícula Novelo de hifa Novelo arbuscular Hifa intracelular Epiderme Hifa externa Hifa externa Taiz05indd 139 Taiz05indd 139 27102016 143211 27102016 143211 140 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos Fungos ectomicorrízicos produzem muitos dos cogu melos venenosos bufasdelobo e trufas encontradas nas florestas Com frequência a quantidade de micélio é tão excessiva que sua massa total é muito maior do que aque la das raízes propriamente ditas O arranjo e as atividades bioquímicas das estruturas do fungo em relação aos tecidos da raiz determinam importantes aspectos na obtenção de nutrientes por raízes ectomicorrízicas e na forma na qual os nutrientes passam do fungo para a planta Além disso todos os nutrientes do solo devem passar pelo manto re cobrindo a epiderme da raiz antes de alcançar as células da raiz propriamente ditas dando ao fungo um importante papel na absorção de todos os nutrientes da solução do solo incluindo fosfato e formas inorgânicas de nitrogênio nitra to e amônio Em que extensão os fungos estão realmente envolvidos na absorção de nitrogênio inorgânico e em que extensão eles podem competir com as raízes quando o suprimento de nitrogênio é escasso são assuntos de pes quisa atual O micélio que se desenvolve no solo prolifera amplamente em manchas de matéria orgânica ver Figura 515 As hifas têm uma notável capacidade de converter ni trogênio orgânico insolúvel e fósforo em formas solúveis e de passar esses nutrientes para as plantas Desse modo os fungos ectomicorrízicos possibilitam que suas plantas hos pedeiras acessem fontes orgânicas de nutrientes evitando a competição com organismos mineralizadores de vida livre e cresçam em solos florestais com altos teores de matéria orgânica que contêm quantidades muito pequenas de nu trientes inorgânicos Os nutrientes movemse entre os fungos micorrízicos e as células das raízes O movimento de nutrientes do solo via um fungo micor rízico para as células da raiz envolve complexa integração de estrutura e função tanto no simbionte fúngico como no vegetal As interfaces onde fungo e planta estão jus tapostos são zonas cruciais para o transporte e são com postas de membranas plasmáticas dos dois organismos mais quantidades variáveis de material de parede celular Portanto os movimentos de nutrientes do fungo para a planta estão potencialmente sob controle desses dois tipos de membranas e sujeitos ao processo regulatório de trans porte descrito no Capítulo 6 O movimento de nutrientes do solo para a planta via um fungo micorrízico requer no mínimo a absorção de um nutriente do solo pelo fungo a translocação a longa distância do nutriente através da hifa e cordões miceliais quando presentes a liberação ou o efluxo do fungo para a zona apoplástica entre as duas membranas de interface e a absorção pela membrana plasmática da planta Questões importantes a serem re solvidas incluem a forma do nutriente que é transferida e o mecanismo e a quantidade de transferências Os meca nismos promotores do efluxo do fungo para a zona apo plástica interfacial são pouco conhecidos mas a absorção na planta tem recebido mais atenção No caso do fosfato a etapa de absorção pela planta é um processo ativo exi gindo energia e a presença de transportadores de fosfato Figura 515 Plântula de pinheiro Pinus mostrando pequenas raízes micorrízicas seta superior colonizadas por um fungo ectomi corrízico e cultivada em uma câmara de observação em solo flores tal Observe as diferenças entre a fronte do denso micélio de hifas avançando em direção ao solo pontas de seta e cordões miceliais agregados seta inferior Cortesia de D J Read Xilema Floema Rede de Hartig Manto 100 μm Epiderme Parênquima cortical Figura 514 Representação diagramática de uma secção longi tudinal de uma raiz ectomicorrízica As hifas fúngicas mostradas em marrom formam um denso manto sobre a superfície da raiz e penetram entre as células epidérmicas ou entre as células epidér micas e corticais para formar a rede de Hartig As hifas também crescem extensamente no solo formando um denso micélio eou cordões miceliais De Rovira et al 1983 Taiz05indd 140 Taiz05indd 140 27102016 143211 27102016 143211 Capítulo 5 Nutrição Mineral 141 na membrana da planta envolvendo as estruturas fúngicas intracelulares as quais são específica ou preferencialmen te expressas quando as raízes são micorrízicas A transferência de nitrogênio é mais complexa e mais controversa Em ectomicorrizas para as quais um papel importante na nutrição de nitrogênio na planta tem sido aceito há muito tempo o nitrogênio orgânico pode mover se do fungo para a planta com a forma glutamina gluta mina e alanina ou glutamato variando conforme a distri buição de enzimas envolvidas na assimilação de nitrogênio inorgânico e a identidade dos simbiontes fúngicos e vege tais Alguma transferência de nitrogênio como amônio ou amônia também pode ocorrer Como mencionado ante riormente o envolvimento de micorrizas arbusculares no incremento da absorção de nitrogênio e transferência para as plantas hospedeiras não está bem estabelecido RESUMO As plantas são organismos autotróficos capazes de utilizar a ener gia do sol para sintetizar todos os seus componentes a partir de dióxido de carbono água e elementos minerais Embora os nu trientes minerais apresentem ciclagem contínua por todos os or ganismos eles entram na biosfera predominantemente pelos sis temas de raízes das plantas Depois de terem sido absorvidos pelas raízes esses elementos são translocados para as diversas partes da planta nas quais são utilizados em numerosas funções biológicas Nutrientes essenciais deficiências e distúrbios vegetais Estudos de nutrição vegetal mostram que elementos minerais específicos são essenciais para a vida das plantas Tabelas 51 52 Esses elementos são classificados como macronutrientes ou mi cronutrientes dependendo das quantidades relativas encontra das nos tecidos vegetais Tabela 51 Certos sintomas detectados visualmente são diagnósticos para deficiências em nutrientes específicos em plantas superiores Os distúrbios nutricionais ocorrem porque os nutrientes têm papéischave nas plantas Eles servem como componentes de compostos orgânicos no armazenamento de energia nas es truturas vegetais como cofatores enzimáticos e nas reações de transferência de elétrons A nutrição mineral pode ser estudada pelo uso de cultivo em solução a qual permite a caracterização das exigências de nu trientes específicos Figura 52 Tabela 53 A análise do solo e dos tecidos vegetais pode fornecer infor mação sobre o status nutricional do sistema soloplanta e su gerir ações corretivas para evitar deficiências ou toxicidades Figura 54 Tratando deficiências nutricionais Quando as culturas vegetais são cultivadas sob modernas con dições de elevada produtividade quantidades substanciais de nutrientes são removidas do solo Para evitar o desenvolvimento de deficiências os nutrientes po dem ser adicionados de volta ao solo na forma de fertilizantes em particular nitrogênio fósforo e potássio Fertilizantes que fornecem nutrientes em formas inorgânicas são chamados de fertilizantes químicos aqueles que derivam de resíduos vegetais ou animais ou de depósitos naturais de rochas são considerados fertilizantes orgânicos Nos dois casos as plantas absorvem os nutrientes principalmente como íons inorgânicos A maior parte dos fertilizantes é aplicada no solo mas alguns são pulverizados sobre as folhas Solo raízes e microrganismos O solo é um substrato complexo física química e biologica mente O tamanho das partículas do solo e a sua capacidade de troca catiônica determinam a extensão na qual ele pro porciona um reservatório para água e nutrientes Tabela 55 Figura 56 O pH do solo também tem uma grande influência sobre a disponibilidade de elementos minerais para as plantas Fi gura 55 Se elementos minerais em especial sódio ou metais pesados estiverem presentes em excesso no solo o crescimento vegetal poderá ser afetado adversamente Certas plantas são capazes de tolerar elementos minerais em excesso e umas poucas espé cies por exemplo halófitas no caso do sódio podem pros perar sob essas condições extremas Para obter nutrientes do solo as plantas desenvolvem exten sos sistemas de raiz Figuras 57 58 formam simbioses com fungos micorrízicos e produzem ou secretam prótons ou ânions orgânicos no solo As raízes esgotam continuamente os nutrientes do solo nas imediações em volta delas Figura 510 A maioria das plantas tem a capacidade de formar simbioses com fungos micorrízicos As finas hifas de fungos micorrízicos estendem o alcance das raízes no solo circundante e facilitam a obtenção de nutrientes Figuras 512 514 515 As micorrizas arbusculares aumen tam a absorção de nutrientes minerais em particular fósforo enquanto as ectomicorrizas desempenham um papel significa tivo na obtenção de nitrogênio de fontes orgânicas Em contrapartida as plantas fornecem carboidratos para os fungos micorrízicos Taiz05indd 141 Taiz05indd 141 27102016 143211 27102016 143211 142 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos MATERIAL DA INTERNET Tópico 51 Sintomas de deficiência em minerais essen ciais Os sintomas de deficiência são característicos de cada elemento essencial e podem ser diagnósticos para a deficiência As fotografias coloridas neste tópico ilustram sintomas de defi ciência para cada elemento essencial no tomateiro Tópico 52 Observando as raízes embaixo do nível do solo O estudo de raízes crescendo sob condições naturais re quer um meio de observar as raízes no subsolo O estado da arte das técnicas é descrito neste tópico Ensaio 51 Funções do boro nas plantas olhando além da parede celular Apresenta uma longa lista de possíveis papéis da essencialidade do B para microrganismos e para o cresci mento e o desenvolvimento de plantas superiores Ensaio 52 Do alimento para os metais e de volta A acu mulação de metais pesados é tóxica para as plantas A com preensão do processo molecular envolvido na toxicidade está auxiliando os pesquisadores a desenvolver culturas vegetais melhores para a fitorremediação Leituras sugeridas Armstrong F A 2008 Why did nature choose manganese to make oxygen Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 363 12631270 Baker A J M and Brooks R R 1989 Terrestrial higher plants which hyperaccumulate metallic elementsA review of their distribution ecology and phytochemistry Biorecovery 1 81126 Berry W L and Wallace A 1981 Toxicity The concept and relationship to the dose response curve J Plant Nutr 3 13 19 Bucher M 2007 Functional biology of plant phosphate uptake at root and mycorrhiza interfaces New Phytol 173 1126 Burns I G 1991 Short and longterm effects of a change in the spatial distribution of nitrate in the root zone on N uptake growth and root development of young lettuce plants Plant Cell Environ 14 2133 Connor D J Loomis R S and Cassman K G 2011 Crop Ecology Productivity and Management in Agricultural Systems 2nd ed Cambridge University Press Cambridge Cordell D Drangerta JO and White S 2009 The story 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energy balance of agricultural systems Biofuels Bioprod Biorefin 4 423446 Taiz05indd 142 Taiz05indd 142 27102016 143211 27102016 143211 6 Transporte de Solutos O interior de uma célula vegetal é separado da parede celular e do ambiente por uma membrana plasmática cuja espessura é de ape nas duas camadas de moléculas lipídicas Essa camada delgada separa um ambiente interno relativamente constante do entorno variável Além de for mar uma barreira hidrofóbica à difusão a membrana deve facilitar e regular continuamente o tráfego de íons e moléculas selecionados para dentro e para fora à medida que a célula absorve nutrientes exporta resíduos e regu la sua pressão de turgor Funções semelhantes são realizadas por membra nas internas que separam os vários compartimentos dentro de cada célula A membrana plasmática também detecta informações sobre o ambiente sobre sinais moleculares vindos de outras células e sobre a presença de pató genos invasores Com frequência esses sinais são retransmitidos por mudan ças no fluxo iônico através da membrana O movimento molecular e iônico de um local para outro é conhecido como transporte O transporte local de solutos para dentro ou dentro de células é regulado principalmente por proteínas de membrana O transpor te em maior escala entre os órgãos vegetais ou entre eles e o ambiente também é controlado pelo transporte de membranas em nível celular Por exemplo o transporte da sacarose da folha à raiz pelo floema denominado translocação é governado e regulado pelo transporte de membrana para dentro das células do floema foliar e deste para as células de armazenagem da raiz ver Capítulo 11 Neste capítulo são abordados os princípios físicos e químicos que gover nam os movimentos de moléculas em solução A seguir é mostrado como esses princípios se aplicam às membranas e aos sistemas biológicos São dis cutidos também os mecanismos moleculares de transporte em células vivas e a grande diversidade de proteínas de transporte de membrana responsá veis pelas propriedades particulares de transporte das células vegetais Por fim são examinadas as rotas que os íons seguem quando eles penetram na raiz assim como o mecanismo de carregamento do xilema o processo pelo qual os íons são liberados dentro dos elementos traqueais do estelo Uma vez que as substâncias transportadas incluindo carboidratos aminoácidos e metais como ferro e zinco são vitais para a nutrição humana compreender e manipular o transporte de solutos em plantas pode contribuir com soluções para a produção sustentável de alimentos Taiz06indd 143 Taiz06indd 143 27102016 143228 27102016 143228 144 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos Transporte passivo e ativo De acordo com a primeira lei de Fick ver Equação 31 o movimento de moléculas por difusão sempre ocorre es pontaneamente a favor de um gradiente de energia livre ou de potencial químico até que o equilíbrio seja atingido O movimento espontâneo de moléculas montanha abai xo é denominado transporte passivo Em equilíbrio ne nhum movimento líquido adicional de solutos pode ocor rer sem a introdução de uma força propulsora O movimento de substâncias contra um gradiente de potencial químico ou montanha acima denominase transporte ativo Ele não é espontâneo e requer a realiza ção de trabalho no sistema pela aplicação de energia celu lar Uma forma comum mas não a única de executar essa tarefa é acoplar o transporte à hidrólise de ATP Lembrese do Capítulo 3 que mostrou que se pode calcular a força propulsora para a difusão ou em vez dis so a adição de energia necessária para movimentar subs tâncias contra um gradiente medindose o gradiente de energia potencial Para solutos sem carga esse gradien te com frequência é uma simples função da diferença de concentração O transporte biológico pode ser dirigido por quatro forças principais concentração pressão hidrostá tica gravidade e campos elétricos Entretanto viuse no Capítulo 3 que em sistemas biológicos de pequena escala a gravidade raramente contribui de maneira substancial para a força que governa o transporte O potencial químico para qualquer soluto é definido como a soma dos potenciais de concentração elétrico e hi drostático e o potencial químico sob condiçõespadrão A importância do conceito de potencial químico é que ele soma todas as forças que podem agir sobre uma molécula para acio nar seu transporte líquido resultante Potencial químico para um dado soluto j μj Potencial químico de j sob condições padrão Componente concentração atividade μj RT ln Cj Componente potencial eletroquímico zjFE Componente pressão hidrostática VjP 61 Aqui μ j é o potencial químico da espécie de soluto j em joules por mol J mol1 μ j é seu potencial químico sob condiçõespadrão um fator de correção que será cancelado em futuras equações e que assim pode ser ignorado R é a constante universal dos gases T é a temperatura absoluta e Cj é a concentração mais precisamente a atividade de j O termo elétrico zjFE aplicase somente a íons z é a carga eletrostática do íon 1 para cátions monovalentes 1 para ânions monovalentes 2 para cátions divalentes e assim por diante F é a constante de Faraday 96500 Cou lombs equivalente à carga elétrica em 1 mol de H e E é o potencial elétrico geral da solução com relação à terra O termo final V jP expressa a contribuição do volume par cial molal de j V j e da pressão P para o potencial quími co de j O volume parcial molal de j é a mudança em volu me por mol de substância j adicionada ao sistema para uma adição infinitesimal Esse termo final V jP faz uma con tribuição muito menor para μ j do que os termos concentração e elétrico exceto no caso muito importante de movimentos osmóticos de água Conforme discuti do no Capítulo 3 quando se considera o movimento de água em escala celular o potencial químico da água ie o poten cial hídrico depende da concentração de solutos dissolvidos e da pressão hidros tática sobre o sistema Potencial químico no compartimento A Potencial químico no compartimento B Descrição Transporte passivo difusão ocorre espontaneamente a favor de um gradiente de potencial químico Membrana semipermeável Transporte ativo ocorre contra um gradiente de potencial químico ΔG por mol para o movimento de j de A para B é igual a μ Para um ΔG global negativo a reação precisa estar acoplada a um processo que tenha um ΔG mais negativo do que j A j A j A j B j A j B j B j B j B j B j A j A μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ Em equilíbrio Se não há transporte ativo ocorre um estado estacionário j B j A μ μ j B j A μ μ Figura 61 Relação entre o potencial quími co μ e o transporte de moléculas através de uma barreira de permeabilidade O movimen to líquido resultante das espécies moleculares j entre os compartimentos A e B depende da magnitude relativa do potencial químico de j em cada compartimento aqui representado pelo tamanho dos retângulos O movimento a favor de um potencial químico ocorre esponta neamente e é chamado de transporte passivo o movimento contra um gradiente requer energia e é denominado transporte ativo Taiz06indd 144 Taiz06indd 144 27102016 143229 27102016 143229 Em geral a difusão transporte passivo sempre movimenta as moléculas energeticamente montanha abaixo de áreas de maior potencial químico para áreas de menor potencial químico O movimento contra um gradiente de potencial químico é indicativo de transporte ativo 146 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos Na seção seguinte serão discutidos os fatores que in fluenciam a distribuição passiva de íons através de uma membrana Esses parâmetros podem ser usados para pre ver a relação entre o gradiente elétrico e o gradiente de concentração de um íon Taxas de difusão diferentes para cátions e ânions produzem potenciais de difusão Quando sais difundemse através de uma membrana pode se desenvolver um potencial elétrico de membrana vol tagem Considere as duas soluções de KCl separadas por uma membrana na Figura 62 Os íons K e Cl vão permear a membrana independentemente à medida que eles se di fundem a favor de seus respectivos gradientes de potencial eletroquímico A não ser que a membrana seja muito poro sa sua permeabilidade diferirá para os dois íons Como consequência dessas permeabilidades diferen tes K e Cl irão difundirse inicialmente pela membrana a taxas diferentes O resultado é uma leve separação de cargas que criará de maneira instantânea um potencial elétrico através da membrana Em sistemas biológicos as membranas normalmente são mais permeáveis ao K que ao Cl Por consequência K vai difundirse para fora da célula ver compartimento A na Figura 62 mais rapida mente que Cl fazendo a célula desenvolver uma carga elétrica negativa com relação ao meio extracelular Um po tencial que se desenvolve como consequência da difusão é denominado potencial de difusão Devese ter sempre em mente o princípio de neutrali dade quando o movimento de íons através de membranas é considerado soluções de massa sempre contêm igual número de ânions e cátions A existência de um potencial de membrana pressupõe que a distribuição de cargas atra vés da membrana seja desigual entretanto o número real de íons desbalanceados é desprezível em termos químicos Por exemplo um potencial de membrana de 100 milivolts mV como aquele encontrado através da membrana plas mática de muitas células vegetais resulta da presença de apenas 1 ânion extra entre cada 100 mil presentes den tro da célula uma diferença de concentração de somente 0001 Conforme mostra a Figura 62 todos esses ânions extras são encontrados imediatamente adjacentes à super fície da membrana não existe qualquer desequilíbrio de carga ao longo da maior parte de uma célula No exemplo de difusão de KCl através da membrana a neutralidade elétrica é preservada porque à medida que o K movese na dianteira em relação ao Cl na membrana o potencial de difusão resultante retarda o movimento do K e acelera o do Cl Essencialmente ambos os íons difun demse com as mesmas taxas mas o potencial de difusão persiste e pode ser mensurado À medida que o sistema se aproxima do equilíbrio e o gradiente de concentração co lapsa o potencial de difusão também colapsa Como o potencial de membrana se relaciona à distribuição de um íon Uma vez que a membrana no exemplo anterior é perme ável tanto ao íon K quanto ao íon Cl o equilíbrio não será alcançado para qualquer um dos íons até que os gra dientes de concentração decresçam a zero Entretanto se a membrana fosse permeável somente para o K a difusão de K transportaria cargas através da membrana até que o potencial desta equilibrasse o gradiente de concentração Como a mudança no potencial exige pouquíssimos íons esse equilíbrio seria alcançado instantaneamente Os íons potássio estariam então em equilíbrio embora a mudança no gradiente de concentração para o K fosse desprezível Quando a distribuição de qualquer soluto através da membrana atinge o equilíbrio o fluxo passivo J ie a quantidade de solutos atravessando uma unidade de área de membrana por unidade de tempo é o mesmo nas duas direções de fora para dentro e de dentro para fora Joi Jio Os fluxos estão relacionados à Δμ para discussão so bre fluxos e Δμ ver Apêndice 1 na internet assim em equilíbrio os potenciais eletroquímicos serão os mesmos μo j μi j e para qualquer íon o íon é aqui simbolizado pelo subs crito j μj RT ln Cj o zjFEo μj RT ln Cj i zjFEi 69 Compartimento A Compartimento B Membrana K Cl Condições iniciais KClA KClB Condições de equilíbrio KClA KClB O potencial de difusão existe até que o equilíbrio químico seja alcançado No equilíbrio químico o potencial de difusão igualase a zero Figura 62 Desenvolvimento de um potencial de difusão e de uma separação de cargas entre dois compartimentos separados por uma membrana que é preferencialmente permeável aos íons potás sio Se a concentração de cloreto de potássio for maior no compar timento A KClA KClB os íons potássio e cloreto vão se difundir para o compartimento B Se a membrana for mais permeável ao potássio que ao cloreto os íons potássio irão se difundir mais rapi damente que os íons cloreto e ocorrerá uma separação de cargas e resultando no estabelecimento de um potencial de difusão Taiz06indd 146 Taiz06indd 146 27102016 143229 27102016 143229 Capítulo 6 Transporte de Solutos 147 Rearranjando a Equação 69 obtémse a diferença em po tencial elétrico entre dois compartimentos em equilíbrio Ei Eo E E RT z F C C i o j j o j i ln Esta diferença de potencial elétrico é conhecida como o potencial de Nernst ΔEj para aquele íon ΔEj Ei Eo e Δ ο E RT z F C C j i j j j ln 610 ou Δ ο E RT z F C C j j j j i 2 3 log Essa relação conhecida como equação de Nernst es tabelece que em equilíbrio a diferença na concentração de um íon entre dois compartimentos é equilibrada pela diferença de voltagem entre os compartimentos A equa ção de Nernst pode ser ainda simplificada para um cátion univalente a 25oC Δ ο E C C j j j i 59mV log 611 Observe que uma diferença de concentração de dez vezes corresponde a um potencial de Nernst de 59 mV Co Ci 101 log10 1 Isso significa que um potencial de membrana de 59 mV manteria um gradiente de concen tração de 10 vezes de um íon cujo deslocamento através da membrana é acionado por difusão passiva De manei ra similar se existisse um gradiente de concentração de 10 vezes de um íon através de uma membrana a difusão passiva desse íon a favor de seu gradiente de concentração se lhe fosse permitido alcançar o equilíbrio resultaria em uma diferença de 59 mV através da membrana Todas as células vivas exibem um potencial de mem brana que é devido à distribuição assimétrica de íons entre o interior e o exterior da célula Podese prontamente deter minar esses potenciais de membrana inserindo um microe letrodo na célula e medindo a diferença de voltagem entre o lado de dentro da célula e o meio extracelular Figura 63 A equação de Nernst pode ser usada em qualquer ocasião para determinar se um dado íon está em equilí brio através de uma membrana Entretanto uma distin ção deve ser feita entre equilíbrio e estado estacionário steady state que é a condição na qual influxo e efluxo de determinado soluto são iguais e como consequência as concentrações iônicas são constantes ao longo do tempo N de T Termo de uso coloquial para tensão elétrica voltagem sig nifica a diferença de potencial elétrico entre dois pontos cuja unida de de medida é o volt de forma que não é adequado falar em dife rença de voltagem e sim em diferença de potencial elétrico Estado estacionário não é necessariamente o mesmo que equilíbrio ver Figura 61 no estado estacionário a exis tência de transporte ativo através da membrana impede que muitos fluxos por difusão atinjam o equilíbrio A equação de Nernst distingue transporte ativo de transporte passivo A Tabela 61 mostra como medições experimentais de concentrações iônicas no estado estacionário em células de raízes de ervilha se comparam com os valores previstos calculados a partir da equação de Nernst Nesse exemplo a concentração de cada íon na solução externa banhando o tecido e o potencial de membrana medido foram substi tuídos na equação de Nernst e a concentração de cada íon foi estimada A predição utilizando a equação de Nernst assume a distribuição iônica passiva mas perceba que de todos os íons mostrados na Tabela 61 somente K está em equilíbrio ou próximo a ele Os ânions NO3 Cl H2PO4 e SO4 2 têm concentrações internas maiores que o previsto indicando que a absorção deles é ativa Os cátions Na Mg2 e Ca2 têm concentrações internas menores que o previsto portanto Voltímetro Microeletrodo Solução nutritiva condutora Tecido vegetal Junções de AgAgCl para permitir corrente elétrica reversível Solução salina Pipeta de vidro Parede celular Membrana plasmática adere ao vidro Extremidade aberta 1 μm de diâmetro Figura 63 Diagrama de um par de microeletrodos usado para medir potenciais de membrana através de membranas celulares Um dos eletrodos de micropipeta de vidro é inserido no comparti mento celular em estudo normalmente o vacúolo ou o citoplasma enquanto o outro é mantido em uma solução eletrolítica que serve como referência Os microeletrodos são conectados a um voltíme tro que registra a diferença de potencial elétrico entre o comparti mento celular e a solução Potenciais de membrana típicos através das membranas celulares vegetais variam de 60 a 240 mV O de talhe mostra como o contato elétrico do interior da célula é feito por uma extremidade aberta da micropipeta de vidro que contém uma solução salina eletricamente condutora Taiz06indd 147 Taiz06indd 147 27102016 143229 27102016 143229 148 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos esses íons entram na célula por difusão a favor de seus gra dientes eletroquímicos e são então exportados ativamente O exemplo mostrado na Tabela 61 é uma grande sim plificação as células vegetais têm vários compartimentos internos diferentes cada um com sua composição iônica O citosol e o vacúolo são os compartimentos mais impor tantes na determinação das relações iônicas das células vegetais Na maioria das células vegetais maduras o va cúolo central ocupa 90 ou mais do volume celular en quanto o citosol está restrito a uma fina camada ao redor da periferia da célula Em decorrência de seu pequeno volume o citosol da maioria das células de angiospermas é de difícil análise química Por essa razão a maior parte dos trabalhos mais antigos acerca das relações iônicas das plantas centrouse em algumas algas verdes como Chara e Nitella cujas célu las têm vários centímetros de comprimento e podem con ter um volume apreciável de citosol De maneira resumida Os íons potássio são acumulados passivamente pelo citosol e pelo vacúolo Quando as concentrações ex tracelulares de K são muito baixas ele pode ser ab sorvido ativamente Os íons sódio são bombeados ativamente para fora do citosol indo para dentro dos espaços intercelulares e do vacúolo Prótons em excesso gerados pelo metabolismo in termediário também são ativamente expelidos do citosol Esse processo ajuda a manter o pH citosólico perto da neutralidade enquanto o vacúolo e o meio extracelular em geral são mais ácidos em uma ou duas unidades de pH Os ânions são absorvidos ativamente para dentro do citosol Os íons cálcio são ativamente transportados para fora do citosol tanto pela membrana plasmática como pela membrana vacuolar a qual é chamada de tonoplasto Muitos íons diferentes permeiam simultanea mente as membranas de células vivas mas K tem as concentrações mais elevadas em células vege tais apresentando as maiores permeabilidades Uma versão modificada da equação de Nernst a equação de Goldman inclui todos os íons que permeiam membranas todos os íons para os quais existem os mecanismos de movimento transmembrana e portanto fornece um valor mais acurado para o potencial de difusão Quando permeabilidades e gradientes iônicos são conheci dos pela equação de Goldman é possível calcular um potencial de difusão através de uma membra na biológica O potencial de difusão calculado por essa equação é denominado potencial de difusão de Goldman para uma discussão detalhada da equa ção de Goldman ver Tópico 61 na internet O transporte de prótons é um importante determinante do potencial de membrana Na maioria das células eucarióticas o K tem a maior concentração interna e a mais alta permeabilidade na membrana de modo que o potencial de difusão pode se aproximar de EK o potencial de Nernst para o K Em al gumas células de alguns organismos em particular em células de mamíferos como os neurônios seu potencial de repouso normal também pode se aproximar de EK En tretanto esse não é o caso de plantas e fungos os quais muitas vezes mostram valores de potencial de membra na medidos experimentalmente em geral de 200 a 100 mV muito mais negativos do que aqueles calculados pela equação de Goldman que geralmente são de apenas 80 a 50 mV Assim além do potencial de difusão o potencial de membrana deve ter um segundo componente O exces so de voltagem é proporcionado pela HATPase eletrogê nica da membrana plasmática Sempre que um íon se move para dentro ou para fora de uma célula sem ser equilibrado pelo movimento con trário de um íon de carga oposta uma voltagem é criada através da membrana Qualquer mecanismo de transporte ativo resultante do movimento de uma carga elétrica lí quida tenderá a afastar o potencial de membrana do valor previsto pela equação de Goldman Esses mecanismos de transporte são chamados de bombas eletrogênicas e são co muns em células vivas A energia requerida para o transporte ativo em geral é fornecida pela hidrólise de ATP Podese estudar a depen dência do potencial da membrana plasmática com relação ao ATP pela observação do efeito do cianeto CN no po tencial de membrana Figura 64 O cianeto rapidamente envenena as mitocôndrias e por consequência o ATP ce lular tornase esgotado Como a síntese de ATP é inibida N de T Na verdade os autores referemse ao movimento contrário de um íon de mesma carga ou ao movimento de um íon de carga oposta na mesma direção TABELA 61 Comparação das concentrações iônicas previstas e observadas em tecidos de raiz de ervilha Íon Concentração no meio externo mmol L1 Concentração internaa mmol L1 Prevista Observada K 1 74 75 Na 1 74 8 Mg2 025 1340 3 Ca2 1 5360 2 NO3 2 00272 28 Cl 1 00136 7 H2PO4 1 00136 21 SO4 2 025 000005 19 Fonte Dados de Higinbotham et al 1967 Nota O potencial de membrana foi medido como 110 mV aOs valores de concentrações internas foram derivados do conteúdo iônico de extratos de água aquecida de segmentos de 1 a 2 cm de raiz intacta Taiz06indd 148 Taiz06indd 148 27102016 143229 27102016 143229 Capítulo 6 Transporte de Solutos 149 o potencial de membrana cai para o nível do potencial de difusão de Goldman ver Tópico 61 na internet Dessa maneira os potenciais de membrana das cé lulas vegetais têm dois componentes um potencial de difusão e um componente resultante do transporte iôni co eletrogênico transporte que resulta na geração de um potencial de membrana Quando o cianeto inibe o trans porte iônico eletrogênico o pH do meio externo aumenta enquanto o citosol se torna ácido porque prótons perma necem dentro da célula Essa observação é uma parte da evidência de que o transporte ativo de prótons para fora da célula que é eletrogênico Uma mudança no potencial de membrana causado por uma bomba eletrogênica mudará as forças propul soras de todos os íons que atravessam a membrana Por exemplo o transporte de H para fora pode criar uma for ça elétrica propulsora para a difusão passiva de K para dentro da célula Prótons são transportados eletrogeni camente através da membrana plasmática não somente em plantas vasculares mas também em bactérias algas fungos e algumas células animais como aquelas do epi télio dos rins A síntese de ATP nas mitocôndrias e nos cloroplastos também depende de uma HATPase Nessas organelas a proteína de transporte algumas vezes é chamada de ATP sintase porque ela forma ATP em vez de hidrolisálo ver Capítulo 12 Mais adiante neste capítulo serão discuti dos em detalhe a estrutura e a função das proteínas de membrana envolvidas no transporte ativo e passivo em células vegetais Processos de transporte em membranas Membranas artificiais compostas puramente de fosfo lipídeos têm sido amplamente utilizadas para estudar a permeabilidade Quando a permeabilidade de bicamadas fosfolipídicas artificiais para íons e moléculas é comparada com a de membranas biológicas tornamse evidentes simi laridades e diferenças importantes Figura 65 As membranas biológicas e as artificiais têm permea bilidades similares para moléculas não polares e muitas moléculas polares pequenas Por outro lado as membra nas biológicas são muito mais permeáveis a íons a algu mas moléculas polares grandes como açúcares e à água em comparação às bicamadas artificiais A razão para isso é que ao contrário das bicamadas artificiais as membra nas biológicas contêm proteínas de transporte que facili tam a passagem de determinados íons e de outras molécu las A expressão geral proteínas de transporte abrange três categorias principais de proteínas canais carregadores e bombas Figura 66 cada uma das quais será descrita com mais detalhes posteriormente nesta seção As proteínas de transporte exibem especificidade para os solutos que elas transportam de modo que as células necessitam de uma grande diversidade dessas proteínas O procarioto simples Haemophilus influenzae o primeiro organismo para o qual o genoma completo foi sequencia do tem apenas 1743 genes e mesmo assim mais de 200 desses genes mais que 10 do genoma codificam várias proteínas envolvidas no transporte em membranas Em Arabidopsis de uma estimativa de 33602 genes codifican 20 Tempo min 0 40 60 80 50 30 70 90 110 130 150 Potencial da membrana plasmática celular mV 01 mM CN adicionado CN removido Figura 64 O potencial de membrana da membrana plasmática de uma célula de ervilha colapsa quando cianeto CN é adicionado à solução que a banha O cianeto bloqueia a síntese de ATP na cé lula por envenenamento das mitocôndrias O colapso do potencial de membranas sob adição de cianeto indica que um suprimento de ATP é necessário para a manutenção do potencial A remoção do cianeto do tecido resulta em uma lenta recuperação da produção de ATP e restauração do potencial de membrana De Higinbotham et al 1970 1010 1010 108 106 104 102 1 102 108 106 104 102 1 102 Permeabilidade de bicamada lipídica cm s1 Permeabilidade de membrana biológica cm s1 K Na Cl H2O CO2 O2 Glicerol Figura 65 Valores típicos para a permeabilidade de uma mem brana biológica a substâncias diversas comparados com os de uma bicamada fosfolipídica artificial Para moléculas não polares como O2 e CO2 e para algumas moléculas pequenas sem carga como gli cerol os valores de permeabilidade são similares em ambos os sis temas Para íons e moléculas polares específicas incluindo a água a permeabilidade de membranas biológicas é aumentada em uma ou mais ordens de grandeza devido à presença de proteínas de transporte Observe a escala logarítmica Taiz06indd 149 Taiz06indd 149 27102016 143229 27102016 143229 150 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos tes de proteína até 1800 podem codificar proteínas com funções de transporte Embora determinada proteína de transporte em ge ral seja altamente específica para os tipos de substâncias que transporta sua especificidade com frequência não é absoluta Em plantas por exemplo um transportador de K na membrana plasmática pode transportar K Rb e Na com diferentes preferências Por outro lado a maio ria dos transportadores de K é completamente ineficaz no transporte de ânions como o Cl ou de solutos sem carga como a sacarose Da mesma forma uma proteína envolvi da no transporte de aminoácidos neutros pode mover gli cina alanina e valina com a mesma facilidade mas pode não aceitar ácido aspártico ou lisina Nas várias páginas que seguem serão considerados as estruturas as funções e os papéis fisiológicos dos vá rios transportadores de membrana encontrados em célu las vegetais em especial na membrana plasmática e no tonoplasto Inicialmente será discutido o papel de certos transportadores canais e carregadores em promover a difusão de solutos pelas membranas A seguir será feita a distinção entre transporte ativo primário e secundário e discutido os papéis da HATPase eletrogênica e de vários transportadores do tipo simporte proteínas que transpor tam simultaneamente duas substâncias na mesma direção em dirigir o transporte ativo secundário acoplado a H Os canais aumentam a difusão através das membranas Canais são proteínas transmembrana que funcionam como poros seletivos pelos quais íons e em alguns casos moléculas neutras podem difundirse através da mem brana O tamanho de um poro a densidade e a natureza das cargas de superfície em seu revestimento interno de terminam sua especificidade de transporte O transporte através de canais é sempre passivo e a especificidade do transporte depende do tamanho do poro e da carga elétri ca mais do que de uma ligação seletiva Figura 67 Desde que o poro do canal esteja aberto as subs tâncias que podem penetrar o poro se difundem muito rapidamente através dele cerca de 108 íons por segundo através de um canal iônico No entanto os poros dos ca nais não estão abertos todo o tempo As proteínas canais contêm regiões particulares denominadas portões que abrem e fecham o poro em resposta a sinais Os sinais que podem regular a atividade do canal incluem mudanças do potencial de membrana ligantes hormônios luz e modi ficações póstradução como a fosforilação Por exemplo canais com portões controlados por voltagem abrem ou fe cham em resposta a mudanças no potencial de membrana ver Figura 67B Outro sinal regulador intrigante é a força mecânica que altera a conformação e portanto controla o acionamento de canais sensíveis a estímulos mecânicos em plantas e outros organismos Os canais iônicos individuais podem ser estudados em detalhe por uma técnica eletrofisiológica chamada de patch clamping ver Tópico 62 na internet que pode detectar a corrente elétrica carregada por íons que se di fundem através de um único canal aberto ou um conjunto de canais Estudos com patch clamping revelam que para determinado íon como o K determinada membrana tem uma variedade de canais diferentes Esses canais podem abrir sob diferentes faixas de voltagem ou em resposta a diferentes sinais que podem incluir concentrações de K Alto Baixo Gradiente de potencial eletroquímico Molécula transportada Proteína canal Proteína carregadora Bomba Membrana plasmática Energia Transporte ativo contra o gradiente de potencial eletroquímico Difusão simples Transporte passivo a favor do gradiente de potencial eletroquímico Figura 66 Três classes de proteínas de transporte em membra nas canais carregadores e bombas Os canais e os carregadores podem promover o transporte passivo de um soluto através das membranas por difusão simples ou difusão facilitada a favor do gradiente de potencial eletroquímico do soluto As proteínas ca nais atuam como poros de membrana e sua especificidade é de terminada principalmente pelas propriedades biofísicas do canal As proteínas carregadoras ligamse à molécula transportada em um lado da membrana e a liberam no outro lado Os diferentes tipos de proteínas carregadoras são descritos com mais detalhes na Figura 610 O transporte ativo primário é feito por bombas e emprega energia diretamente em geral a partir da hidrólise de ATP para bombear solutos contra seu gradiente de potencial ele troquímico Taiz06indd 150 Taiz06indd 150 27102016 143229 27102016 143229 Capítulo 6 Transporte de Solutos 151 ou Ca2 pH espécies reativas de oxigênio e assim por diante Essa especificidade permite que o transporte de cada íon seja finalmente sintonizado às condições reinan tes Assim a permeabilidade iônica de uma membrana é uma variável dependente da mistura de canais iônicos que estão abertos em determinado tempo Conforme foi visto no experimento apresentado na Ta bela 61 a distribuição da maioria dos íons não se aproxima do equilíbrio através da membrana Por isso sabese que os canais em geral estão fechados para a maioria dos íons As células vegetais geralmente acumulam mais ânions que po deria ocorrer por meio de um mecanismo estritamente pas sivo Assim quando canais aniônicos se abrem os ânions fluem para fora da célula e mecanismos ativos são necessá rios para a absorção desses íons Canais de cálcio são rigida mente regulados e em essência abrem somente durante a transdução de sinal Os canais de cálcio funcionam somente para permitir a liberação de Ca2 para dentro do citosol de vendo o Ca2 ser expelido do citoplasma por transporte ati vo Em comparação o K pode se difundir tanto para dentro como para fora através de canais dependendo de o potencial de membrana ser mais negativo ou mais positivo do que EK o potencial de equilíbrio para o íon potássio Os canais de K que se abrem apenas em potenciais mais negativos que o potencial de Nernst predominante são especializados na difusão de K para dentro e são co nhecidos como canais retificadores de entrada de K ou simplesmente canais de entrada de K Por outro lado ca nais de K que se abrem somente em potenciais mais po sitivos que o potencial de Nernst são canais retificadores de saída de K ou canais de saída de K Figura 68 ver Ensaio 61 na internet Os canais de entrada de K fun cionam para acumular K do apoplasto como ocorre por exemplo durante a absorção de K pelas célulasguarda no processo de abertura estomática ver Figura 68 Vários canais de saída de K funcionam no fechamento estomáti co e na liberação de K para o xilema ou o apoplasto Os carregadores ligam e transportam substâncias específicas Ao contrário dos canais as proteínas carregadoras não têm poros que se estendam completamente através da membra na No transporte mediado por um carregador a substância transportada é inicialmente ligada a um sítio específico na proteína carregadora Essa necessidade de ligação permite aos carregadores serem altamente seletivos para um subs trato particular a ser transportado Carregadores portanto especializamse no transporte de íons inorgânicos ou orgâ nicos específicos assim como outros metabólitos orgânicos A ligação gera uma mudança na conformação da proteína a qual expõe a substância à solução no outro lado da mem brana O transporte completase quando a substância se dissocia do sítio de ligação do carregador Visto que é necessária uma mudança na conforma ção da proteína para transportar uma molécula ou um íon individual a taxa de transporte por um carregador é várias ordens de grandeza mais lenta do que através de um canal Em geral os carregadores podem transportar de 100 a 1000 íons ou moléculas por segundo enquanto milhões de íons podem passar por um canal iônico aberto A ligação e a liberação de moléculas em um sítio específico em uma proteína carregadora são similares à ligação e à liberação de moléculas por uma enzima em uma reação catalisada por enzima Como será discutido mais tarde neste capítulo a cinética enzimática tem sido utilizada para caracterizar as proteínas carregadoras O transporte mediado por carregadores diferentemen te do transporte por canais pode ser tanto passivo quanto ativo secundário o transporte ativo secundário será discu tido em uma seção subsequente O transporte passivo via A B Membrana plasmática EXTERIOR DA CÉLULA CITOSOL S1 S2 S3 S4 S5 S6 Região sensora de voltagem Região formadora do poro domínio P N C K Figura 67 Modelos de canais de K em plantas A Visão de cima de um canal olhando pelo poro da proteína Hélices trans membrana de quatro subunidades juntamse em uma forma de oca invertida com o poro no centro As regiões formadoras do poro das quatro subunidades aprofundamse para dentro da membrana for mando uma região semelhante a um dedo seletiva ao K na parte externa do poro mais detalhes sobre a estrutura desse canal podem ser encontrados no Ensaio 61 na internet B Visão lateral de um canal retificador de entrada de K mostrando a cadeia polipeptí dica de uma subunidade com seis hélices transmembrana S1S6 A quarta hélice contém aminoácidos carregados positivamente e atua com um sensor de voltagem A região formadora do poro do mínio P é uma alça entre as hélices 5 e 6 A de Leng et al 2002 B de Buchanan et al 2000 Taiz06indd 151 Taiz06indd 151 27102016 143229 27102016 143229 152 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos carregador às vezes é chamado de difusão facilitada embora ele se assemelhe à difu são somente pelo fato de transportar subs tâncias a favor de seu gradiente de potencial eletroquímico sem a aplicação adicional de energia A expressão difusão facilitada pode ser aplicado de maneira mais apropria da ao transporte através de canais mas his toricamente ela não tem sido utilizada desse modo O transporte ativo primário requer energia Para realizar transporte ativo um carrega dor precisa acoplar o transporte energeti camente montanha acima de um soluto a outro evento que libere energia de modo que a mudança global na energia livre seja negativa O transporte ativo primário é acoplado diretamente a uma fonte de ener gia diferente do Δμ j tal como a hidrólise de ATP uma reação de oxidaçãoredução como na cadeia de transporte de elétrons mitocon drial e nos cloroplastos ou a absorção de luz pela proteína carregadora assim como a bacteriorrodopsina em halobactérias As proteínas de membrana que realizam o transporte ativo primário são chamadas de bombas ver Figura 66 A maioria das bom bas transporta íons inorgânicos tal como H Voltagem mV Corrente pA EK 180 140 100 60 20 20 200 100 100 200 300 400 60 100 0 Equilíbrio ou potencial de Nernst para K por definição nenhum fluxo líquido de K portanto nenhuma corrente EK Corrente carregada pelo movimento de K para fora da célula Por convenção essa corrente para fora recebe um sinal positivo A abertura e o fechamento ou acionamento gating desses canais não é regulado por voltagem Portanto a corrente através do canal é uma função linear da voltagem A inclinação da reta ΔIΔV fornece a condutância dos canais que promovem esta corrente de K Voltagem mV Corrente pA Voltagem mV Corrente pA EK RTZFIn KforaKdentro EK 0025In 10100 EK 59 mV Corrente carregada pelo movimento de K para dentro da célula Por convenção essa corrente para dentro recebe um sinal negativo EK Pouca ou nenhuma corrente para estas faixas de voltagens porque os canais são regulados por voltagem e o efeito destas voltagens é manter os canais em um estado fechado Esta relação correntevoltagem é produzida pelo movimento de K por canais que são regulados acionados por voltagem Observe que a relação lV não é linear A resposta da corrente ilustrada em B é mostrada aqui como surgindo da atividade de dois tipos de canais de K molecularmente distintos Os canais de saída de K vermelho são acionados por voltagem de modo que se abrem somente em potenciais de membrana EK portanto esses canais promovem o efluxo de K da célula Os canais de entrada de K azul são acionados por voltagem de modo que se abrem apenas em potenciais de membrana EK portanto esses canais promovem a absorção de K pela célula 180 140 100 60 20 20 200 100 100 200 300 400 60 100 0 180 140 100 60 20 20 200 100 100 200 300 400 60 100 0 A B C Figura 68 Relações correntevoltagem A Dia grama mostrando a corrente que resultaria do fluxo de K por meio de um conjunto hipotético de canais de K de membrana plasmática que não fossem re gulados por voltagem para uma concentração de K no citoplasma de 100 mM e uma concentração de K extracelular de 10 mM Observe que a corrente seria linear e que haveria corrente zero no potencial de equilíbrio Nernst para o K EK B Dados reais de corrente de K no protoplasto de célulasguarda de Arabidopsis com as mesmas concentrações intra celulares e extracelulares que em A Essas correntes resultam das atividades de canais de K regulados por voltagem Observe que novamente há corrente líquida zero no potencial de equilíbrio para K No entanto também há corrente zero em uma faixa mais ampla de voltagem porque nessas condições os canais estão fechados nessa faixa de voltagem Quando os canais estão fechados nenhum K pode fluir através deles de modo que corrente zero é ob servada para essa faixa de voltagem C A relação correntevoltagem em B na verdade resulta das atividades de dois conjuntos de canais os canais re tificadores de influxo de K e os canais retificadores de efluxo de K que juntos produzem a relação correntevoltagem B de L PerfusBarbeoch e S M Assmann dados não publicados Taiz06indd 152 Taiz06indd 152 27102016 143229 27102016 143229 Capítulo 6 Transporte de Solutos 153 ou Ca2 Entretanto conforme será visto mais adiante neste capítulo as bombas que pertencem à família de transpor tadores do tipo cassete de ligação de ATP ABC de ATP binding cassette podem transportar grandes moléculas or gânicas As bombas iônicas podem ser ainda caracterizadas como eletrogênicas ou eletroneutras Em geral o transpor te eletrogênico referese ao transporte de íons envolvendo o movimento líquido de cargas através da membrana Por outro lado o transporte eletroneutro como o nome su gere não envolve qualquer movimento líquido de cargas Por exemplo a NaKATPase de células animais bombeia três Na para fora para cada dois K bombeados para den tro resultando em um movimento líquido para fora de uma carga positiva A NaKATPase é portanto uma bomba iônica eletrogênica Em comparação a HKATPase da mucosa gástrica animal bombeia um H para fora da célula para cada K que entra de modo que não há qualquer mo vimento líquido de cargas através da membrana Por isso a HKATPase é uma bomba eletroneutra Para a membrana plasmática de plantas fungos e bactérias assim para os tonoplastos vegetais e outras endomembranas vegetais e animais o H é o principal íon bombeado eletrogenicamente através de membrana A HATPase da membrana plasmática gera o gradien te de potencial eletroquímico de H através da membra na plasmática enquanto a HATPase vacuolar em geral chamada de VATPase e a Hpirofosfatase HPPase bombeiam prótons eletrogenicamente para dentro do lume do vacúolo e das cisternas do Golgi O transporte ativo secundário utiliza energia armazenada Nas membranas plasmáticas vegetais as principais bom bas são as de H e Ca2 e a direção do bombeamento é para fora do citosol para o espaço extracelular Outro mecanismo é necessário para dirigir a absorção ativa da maioria dos nutrientes minerais como NO3 SO4 2 e H2PO4 a absorção de aminoácidos peptídeos e sacarose e o efluxo de Na que em altas concentrações é tóxico às células vegetais A outra maneira importante pela qual os solutos são transportados ativamente através das mem branas contra seus gradientes de potenciais eletroquími cos é acoplando o transporte contra o gradiente de um so luto ao transporte a favor do gradiente de outro Esse tipo de cotransporte mediado por carregadores é denominado transporte ativo secundário Figura 69 O transporte ativo secundário é acionado indireta mente por bombas Em células vegetais prótons são ex pelidos do citosol por HATPases eletrogênicas operando Membrana plasmática EXTERIOR DA CÉLULA CITOSOL H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S Gradiente de concentração para S Força motriz de prótons S H A B C D Figura 69 Modelo hipotético de transporte ativo secundário No transporte ativo secundário o transporte energeticamente montanha acima de um soluto é acionado pelo transporte ener geticamente montanha abaixo de outro soluto No exemplo ilus trado a energia que foi armazenada como força motriz de prótons Δμ H simbolizado pela seta vermelha à direita em A está sendo usada para absorver um substrato S contra seu gradiente de con centração seta vermelha à esquerda A Na conformação inicial os sítios de ligação na proteína estão expostos ao ambiente externo e podem ligar um próton B Essa ligação resulta em uma mudança na conformação que permite a uma molécula de S ser ligada C A ligação de S provoca outra mudança na conformação que expõe os sítios de ligação e seus substratos ao interior da célula D A libe ração de um próton e de uma molécula de S para o interior celular restabelece a conformação original do carregador e permite que inicie um novo ciclo de bombeamento Taiz06indd 153 Taiz06indd 153 27102016 143229 27102016 143229 154 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos na membrana plasmática e na membrana vacuolar Como consequência um potencial de membrana e um gradiente de pH são criados à custa da hidrólise de ATP Esse gra diente de potencial eletroquímico de H referido como Δμ H ou quando expresso em outras unidades força mo triz de prótons PMF de proton motive force representa a energia livre armazenada na forma do gradiente de H ver Tópico 63 na internet A PMF gerada pelo transporte eletrogênico de H é usa da no transporte ativo secundário para acionar o transporte de muitas outras substâncias contra seus gradientes de po tencial eletroquímico A Figura 69 mostra como o transpor te ativo secundário pode envolver a ligação de um substrato S e de um íon normalmente H a uma proteína carrega dora e uma mudança na conformação dessa proteína Existem dois tipos de transporte ativo secundário simporte symport e antiporte antiport O exemplo mos trado na Figura 69 é denominado simporte e as proteí nas envolvidas symporters são chamadas de transporta dores do tipo simporte porque as duas substâncias estão se movendo na mesma direção através da membrana ver também Figura 610A Antiporte facilitado por proteínas antiporters chamadas de transportadores do tipo antiporte referese ao transporte acoplado no qual o movimento energeticamente montanha abaixo de um soluto impulsio na o transporte ativo energeticamente montanha acima de outro soluto na direção oposta Figura 610B Consi derando a direção do gradiente de H transportadores do tipo simporte acopladores de prótons em geral funcionam na captação de substratos no citosol enquanto transporta dores do tipo antiporte acopladores de prótons funcionam na exportação de substratos para fora do citosol Em ambos os tipos de transporte secundário o íon ou o soluto transportado simultaneamente com os prótons está se movendo contra seu gradiente de potencial eletro químico de modo que se trata de transporte ativo Entre tanto a energia que aciona esse transporte é proporciona da pela PMF em vez de diretamente pela hidrólise de ATP Análises cinéticas podem elucidar mecanismos de transporte Até agora foi descrito o transporte celular em termos energéticos Entretanto o transporte celular também pode ser estudado pelo uso da cinética enzimática pois ele en volve a ligação e a dissociação de moléculas a sítios ativos nas proteínas de transporte ver Tópico 64 na internet Uma vantagem da abordagem cinética é que ela fornece novas visões a respeito da regulação do transporte Em experimentos de cinética são medidos os efeitos das concentrações externas de íons ou outros solutos nas taxas de transporte As características cinéticas das taxas de transporte podem então ser usadas para distinguir dife rentes transportadores A taxa máxima Vmáx do transporte mediado por carregadores e com frequência também a do EXTERIOR DA CÉLULA CITOSOL Alto Baixo Gradiente de potencial eletroquímico do substrato A Alto Baixo Gradiente de potencial eletroquímico do substrato B H A H A H H B B A Simporte B Antiporte Figura 610 Dois exemplos de transporte ativo secundário acoplado a um gradiente primário de pró tons A No simporte a energia dissipada por um próton movendose de volta para a célula é acoplada à absorção de uma molécula de um substrato p ex um açúcar para dentro da célula B No antiporte a energia dissipada por um próton movendose de vol ta para a célula é acoplada ao transporte ativo de um substrato p ex um íon sódio para fora da célula Em ambos os casos o substrato considerado está se mo vendo contra seu gradiente de potencial eletroquími co Tanto substratos neutros quanto com carga podem ser transportados por esses processos de transporte ativo secundário Km 12 Vmáx Vmáx Concentração externa da molécula transportada Taxa Difusão simples Transporte por carregador Figura 611 O transporte por carregador frequentemente exibe cinética enzimática incluindo saturação Vmáx ver Apêndice 1 na internet Em comparação a difusão simples por meio de canais abertos é diretamente proporcional à concentração do soluto trans portado ou para um íon à diferença de potencial eletroquímico através da membrana Taiz06indd 154 Taiz06indd 154 27102016 143229 27102016 143229 Capítulo 6 Transporte de Solutos 155 transporte por canal não pode ser excedida independen temente da concentração de substrato Figura 611 Vmáx é alcançada quando o sítio de ligação do substrato no carre gador está sempre ocupado ou quando o fluxo pelo canal é máximo A concentração do carregador e não a do soluto tornase limitante da taxa de transporte Assim Vmáx é um indicador do número de moléculas de uma proteína espe cífica de transporte que estão funcionando na membrana A constante Km que é numericamente igual à con centração de soluto que gera metade da taxa máxima de transporte tende a refletir as propriedades do sítio de liga ção em particular Valores baixos de Km indicam alta afini dade do local de transporte pela substância transportada Esses valores normalmente acarretam a operação de um sistema de carregadores Valores mais altos de Km indicam uma menor afinidade do sítio de transporte pelo soluto A afinidade muitas vezes é tão baixa que na prática Vmáx nunca é alcançada Nesses casos a cinética sozinha não pode distinguir entre carregadores e canais Células ou tecidos com frequência mostram uma ci nética complexa para o transporte de um soluto Cinética complexa em geral indica a presença de mais de um tipo de mecanismo de transporte por exemplo tanto trans portadores de alta como de baixa afinidade A Figura 612 mostra a taxa de absorção de sacarose por protoplastos cotiledonares de soja como uma função da concentração externa de sacarose A absorção aumenta marcantemente com a concentração e começa a saturar a cerca de 10 mM Em concentrações superiores a 10 mM a absorção torna se linear e não saturável dentro da faixa de concentrações testadas A inibição da síntese de ATP com venenos meta bólicos bloqueia o componente saturável mas não o linear A interpretação do padrão apresentado na Figura 612 é que a absorção de sacarose em baixas concentrações é um processo mediado por carregador dependente de energia transportador de Hsacarose do tipo simporte Em concentrações mais altas a sacarose entra na célula por difusão a favor de seu gradiente de concentração e é por isso insensível aos venenos metabólicos Coerente com esses dados tanto transportadores de Hsacarose do tipo simporte quanto os facilitadores da sacarose ie proteínas de transporte que promovem o fluxo transmem brana de sacarose a favor de seu gradiente de energia livre foram identificados em nível molecular Proteínas de transporte em membranas Numerosas proteínas de transporte representativas locali zadas na membrana plasmática e no tonoplasto estão ilus tradas na Figura 613 Tipicamente o transporte através de uma membrana biológica é energizado por um sistema de transporte ativo primário acoplado à hidrólise de ATP O transporte de uma espécie iônica H por exemplo gera um gradiente iônico e um potencial eletroquímico Muitos outros íons e substratos orgânicos podem então ser transportados por uma diversidade de proteínas de transporte ativo secundário as quais energizam o trans porte de seus substratos carregando simultaneamente um ou dois H a favor de seus gradientes de energia Assim prótons circulam através da membrana para fora por in termédio das proteínas de transporte ativo primário e de volta para dentro da célula mediante proteínas de trans porte ativo secundário A maioria dos gradientes de íons através das membranas de plantas superiores é gerada e mantida por gradientes de potencial eletroquímico de H os quais são gerados por bombas eletrogênicas de H As evidências sugerem que em plantas o Na é transportado para fora da célula por um transportador de NaH do tipo antiporte e que Cl NO3 H2PO4 saca rose aminoácidos e outras substâncias entram na célula via transportadores específicos de H do tipo simporte E os íons potássio Os íons potássio podem ser absorvi dos do solo ou do apoplasto por simporte com H ou sob algumas condições Na Quando o gradiente de energia livre favorece a absorção passiva de K este pode entrar na célula por fluxo através de canais específicos para K En tretanto mesmo o influxo por canais é impulsionado pela HATPase no sentido de que a difusão do K é governa da pelo potencial de membrana o qual é mantido em um valor mais negativo do que o potencial de equilíbrio para K pela ação da bomba eletrogênica de H Inversamen te o efluxo de K exige que o potencial de membrana seja mantido em um valor mais positivo que EK que pode ser alcançado pelo efluxo de Cl ou de outros ânions através de canais aniônicos Foi visto nas seções anteriores que algumas proteí nas transmembrana operam como canais para a difusão controlada de íons Outras proteínas de membrana atuam como carregadoras para outras substâncias solutos não 0 10 20 30 40 50 25 50 75 100 125 0 Concentração externa de sacarose mM Taxa de absorção de sacarose nmol por 106 células por hora Previsto pela cinética de MichaelisMenten Observado Figura 612 As propriedades de transporte de um soluto podem mudar com as suas concentrações Por exemplo em concentrações baixas 110 mM a taxa de absorção de sacarose por células de soja mostra cinética de saturação típica de carregadores Prevêse que uma curva ajustada a esses dados se aproxime de uma taxa máxima Vmáx de 57 nmol por 106 células por hora Em vez disso em con centrações mais altas de sacarose a taxa de absorção continua a au mentar linearmente ao longo de uma ampla faixa de concentrações coerente com a existência de mecanismos de transporte facilitado para a absorção de sacarose De Lin et al 1984 Taiz06indd 155 Taiz06indd 155 27102016 143229 27102016 143229 156 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos H H H H H H EXTERIOR DA CÉLULA H H H Na K H H H H H NO3 Canais Bomba de H pH 55 Sacarose Aminoácido Carregador de efluxo Transportador do tipo antiporte Peptídeo Transportadores do tipo simporte Ca2 Bomba de Ca2 Bomba de Ca2 K K Ca2 Retificador de entrada Ativado por despolarização Ca2 Ativado por hiperpolarização Retificador de saída ADP Pi IP3 ATP CITOSOL Na Na Na 2 Pi H 2H Mg2 Cd2 Ca2 Sacarose Transportador do tipo simporte Hexose Canal vacuolar lento SV ou TPC1 Canal vacuolar rápido FV Canais Transportadores do tipo antiporte Bomba de H pH 72 ΔE 100 a 200 mV Metais Fe Mn Zn Cd ADP Pi ATP MEMBRANA PLASMÁTICA Sacarose K Ânions malato2 Cl NO3 Ânions malato2 Cl NO3 TONOPLASTO VACÚOLO Ca2 Ca2 Ca2 Cátions Ca2 K Cátions K pH 55 ΔE 90 mV ADP Pi Transportador ABC Transportador ABC GS Antocianina Aquaporina Peptídeos malato ABA H2O BOH3 SiOH4 ADP Pi ADP Pi ABC ATP ATP ADP Pi ATP ATP PO43 Acionado por nucleotídeo cíclico Receptor de glutamato PPi K Canal TPKVK H NO3 H Sacarose K Na Ca2 Figura 613 Panorama das diversas proteínas de transporte na membrana plasmática e no tonoplasto de células vegetais N de T TPC twopore domain channel carregados e íons O transporte ativo utiliza proteínas do tipo carregador que são energizadas tanto diretamente por hidrólise de ATP quanto indiretamente como no caso de transportadores do tipo simporte e do tipo antiporte Es ses últimos sistemas utilizam a energia dos gradientes iô nicos com frequência um gradiente de H para acionar o Taiz06indd 156 Taiz06indd 156 27102016 143229 27102016 143229 Capítulo 6 Transporte de Solutos 157 transporte energeticamente favorável de outro íon ou mo lécula Nas páginas que seguem serão examinadas mais detalhadamente as propriedades moleculares as locali zações celulares e as manipulações genéticas de algumas das proteínas de transporte que medeiam o movimento de nutrientes orgânicos e inorgânicos assim como de água através de membranas celulares vegetais Para muitos transportadores os genes têm sido identificados A identificação dos genes de transportadores tem revo lucionado o estudo de proteínas de transporte Uma ma neira de identificar genes de transportadores é pesquisar bibliotecas de DNA complementar cDNA para genes que complementam ie compensam deficiências de trans porte em leveduras Muitos mutantes de transportado res em leveduras têm sido usados para identificar genes vegetais correspondentes por complementação No caso de genes para canais iônicos pesquisadores estudaram também o comportamento de proteínas de canal pela ex pressão de genes em oócitos da rã Xenopus que devido a seu grande tamanho são convenientes para estudos ele trofisiológicos Genes para canais retificadores tanto para entrada quanto para saída de K foram clonados e carac terizados desse modo a coexpressão de canais iônicos e proteínas reguladoras putativas como proteínas quinase em oócitos tem proporcionado informação sobre mecanis mos reguladores de acionamento de canal À medida que o número de genomas sequenciados tem aumentado é cada vez mais comum identificar genes putativos de trans portadores por análise filogenética em que a comparação de sequências com genes que codificam transportadores de funções conhecidas em outro organismo permite pre ver a função no organismo de interesse Com base nessas análises tornouse evidente que em genomas vegetais existem famílias de genes para a maioria das funções de transporte em vez de genes individuais Dentro de uma família de genes variações nas cinéticas de transporte nos modos de regulação e na expressão diferente nos teci dos conferem às plantas uma notável plasticidade para se aclimatar e prosperar sob uma ampla gama de condições ambientais Nas próximas seções são discutidas as fun ções e a diversidade de transportadores para as principais categorias de solutos encontrados dentro do corpo vegetal observe que o transporte de sacarose foi discutido antes neste capítulo e também é discutido no Capítulo 11 Existem transportadores para diversos compostos nitrogenados O nitrogênio um dos macronutrientes pode estar presen te na solução do solo como nitrato NO3 amônia NH3 ou amônio NH4 Os transportadores vegetais de NH4 são facilitadores que promovem a absorção de NH4 a fa vor de seu gradiente de energia livre Os transportadores vegetais de NO3 são de especial interesse devido à sua complexidade A análise cinética mostra que o transporte de NO3 assim como o transporte de sacarose apresen tado na Figura 612 tem componentes de alta afinidade baixo Km e de baixa afinidade alto Km Ambos os com ponentes são mediados por mais de um produto gênico Ao contrário da sacarose o NO3 é carregado negativa mente e essa carga elétrica impõe uma necessidade de energia para a absorção do nitrato A energia é fornecida por simporte com H O transporte de nitrato também é fortemente regulado de acordo com a disponibilidade de NO3 as enzimas requeridas para o transporte de NO3 bem como para a sua assimilação ver Capítulo 13 são induzidas na presença de NO3 no ambiente e a absorção pode ser reprimida se NO3 acumulase nas células Os mutantes com deficiência no transporte ou na re dução do NO3 podem ser selecionados pelo crescimento na presença de clorato ClO3 Em plantas selvagens o clorato é um análogo do NO3 que é absorvido e reduzido ao produto tóxico clorito Se plantas resistentes ao ClO3 são selecionadas elas provavelmente mostrarão mutações que bloqueiam o transporte ou a redução do NO3 Vá rias dessas mutações foram identificadas em Arabidop sis O primeiro gene de transportador identificado desse modo denominado CHL1 codifica um transportador de NO3 H do tipo simporte induzível que funciona como um carregador de dupla afinidade com seu modo de ação alta ou baixa afinidade sendo alterado por seu status de fosforilação Devese destacar que esse transportador também funciona como um sensor de NO3 que regula a expressão gênica induzida por NO3 Logo que o nitrogênio é incorporado a moléculas or gânicas há uma diversidade de mecanismos que o dis tribui por toda a planta Os transportadores de peptídeos proporcionam tal mecanismo Eles são importantes para a mobilização das reservas de nitrogênio durante a ger minação da semente e a senescência Em Nepenthes alata uma planta carnívora em forma de jarro altos níveis de expressão de um transportador de peptídeo são encon trados no jarro onde o transportador presumivelmente promove a absorção de peptídeos oriundos da digestão de insetos pelos tecidos internos Alguns transportadores de peptídeos operam me diante acoplamento com o gradiente eletroquímico de H Outros desses transportadores são membros da família de proteínas ABC que utilizam diretamente a energia da hi drólise de ATP para o transporte assim esse transporte não depende de um gradiente eletroquímico primário ver Tópico 65 na internet A família ABC é uma família de proteínas extremamente grande e seus membros trans portam diversos substratos variando desde pequenos íons inorgânicos até macromoléculas Por exemplo metabóli tos grandes como flavonoides antocianinas e produtos do metabolismo secundário são sequestrados no vacúolo via ação de transportadores ABC específicos enquanto outros transportadores ABC promovem o transporte transmem brana do hormônio abscísico Os aminoácidos constituem outra importante cate goria de compostos nitrogenados Os transportadores Taiz06indd 157 Taiz06indd 157 27102016 143229 27102016 143229 158 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos de aminoácidos da membrana plasmática de eucariotos foram divididos em cinco superfamílias três das quais dependem do gradiente de prótons para a absorção aco plada de aminoácidos e estão presentes em plantas Em geral transportadores de aminoácidos podem promo ver transporte de alta ou baixa afinidade e têm especi ficidades de substrato que se sobrepõem Muitos desses transportadores mostram padrões de expressão distintos e específicos para cada tecido sugerindo funções espe cializadas em diferentes tipos de células Os aminoácidos constituem uma importante forma pela qual o nitrogênio é distribuído por longas distâncias nas plantas Assim não surpreende que o padrão de expressão de muitos ge nes de transportadores de aminoácidos inclua expressão em tecido vascular Transportadores de aminoácidos e de peptídeos têm importantes funções além de suas funções como distri buidores de recursos nitrogenados Como os hormônios vegetais com frequência são conjugados com aminoácidos e peptídeos os transportadores dessas moléculas também podem estar envolvidos na distribuição de conjugados hormonais ao longo do corpo da planta O hormônio au xina é derivado do triptofano e os genes que codificam os transportadores de auxinas estão relacionados àqueles para alguns transportadores de aminoácidos Em outro exemplo a prolina é um aminoácido que se acumula sob estresse salino Essa acumulação reduz o potencial hídrico da célula promovendo assim a retenção da água celular sob condições de estresse Os transportadores de cátions são diversos Os cátions são transportados por canais de cátions e car regadores de cátions As contribuições relativas de cada tipo de mecanismo de transporte diferem dependendo da membrana do tipo de célula e das condições prevalecentes CANAIS DE CÁTIONS Cerca de 50 genes no genoma de Arabidopsis codificam canais que medeiam a absorção de cátions através da membrana plasmática ou das membra nas intracelulares como o tonoplasto Alguns desses ca nais são altamente seletivos para espécies iônicas específi cas como íons potássio Outros permitem a passagem de uma diversidade de cátions às vezes incluindo Na embo ra esse íon seja tóxico quando superacumulado Conforme descrito na Figura 614 os canais de cátions são classifica dos em seis tipos com base em suas estruturas deduzidas e na seletividade de cátions Dos seis tipos de canais de cátions vegetais os canais Shaker foram os mais minuciosamente caracterizados Esses canais foram assim denominados em função de um canal de K de Drosophila cuja mutação faz as moscas se sacudirem ou tremerem Os canais Shaker de plantas são altamente seletivos para K e podem ser retificadores de entrada ou de saída ou fracamente retificadores Alguns membros da família Shaker podem Promover a absorção ou o efluxo de K através da membrana plasmática das célulasguarda Fornecer um conduto importante para a absorção de K do solo A Canais de K D Seletivo a cátions permeável a Ca2 Shaker 9 proteínas Canal de dois poros 1 proteína CITOSOL Membrana Domínio putativo de ligação de nucleotídeo cíclico Domínio do poro Domínio de ligação de Ca2 Domínios putativos de ligação de Ca2 Canais de K com domínio de dois poros TPKVK 5 proteínas P P P P P P Canal de K com domínio de poro único KCO3 B Canais de cátion pobremente seletivos C Canais permeáveis a Ca2 Canais cíclicos com portões de nucleotídeos 20 proteínas Domínio de ligação de calmodulina Domínios putativos de ligações de ligantes P P Receptores de glutamato 20 proteínas Figura 614 Seis famílias de canais de cátions de Arabidopsis Al guns canais foram identificados unicamente a partir da homologia de sequência com canais de animais enquanto outros foram verifi cados experimentalmente A Canais seletivos de K B Canais de cátions fracamente seletivos com atividade regulada pela ligação de nucleotídeos cíclicos C Receptores putativos de glutamato com base em medidas de mudanças no Ca2 citosólico essas proteínas provavelmente funcionam como canais permeáveis a Ca2 D Canal de dois poros uma proteína TPC1 é o único canal de dois poros desse tipo codificado no genoma de Arabidopsis TCP1 é permeável a cátions mono e divalentes incluindo Ca2 De Very e Sentenac 2002 Lebaudy et al 2007 Taiz06indd 158 Taiz06indd 158 27102016 143229 27102016 143229 Capítulo 6 Transporte de Solutos 159 Participar da liberação de K para os vasos mortos xi lema a partir de células vivas do estelo Desempenhar um papel na absorção de K no pólen um processo que promove o influxo de água e o alon gamento do tubo polínico Alguns canais Shaker como os das raízes podem pro mover a absorção de alta afinidade de K possibilitando a absorção passiva de K em concentrações externas mi cromolares desse íon desde que o potencial de membra na seja suficientemente hiperpolarizado para acionar essa absorção Nem todos os canais iônicos são tão fortemente regula dos pelo potencial de membrana como a maioria dos canais Shaker Alguns canais iônicos como os canais TPKVK ver Figura 613 não são regulados por voltagem a sensibili dade à voltagem de outros como o canal KCO3 ainda não foi determinada Canais de cátions cíclicos com portões de nucleotídeos são um exemplo de um canal controlado por ligante com atividade promovida pela ligação de nucleo tídeos como cGMP Esses canais exibem fraca seletividade com permeabilidade para K Na e Ca2 Canais de cátions cíclicos com portões de nucleotídeos estão envolvidos em diversos processos fisiológicos incluindo resistência a doen ças senescência percepção de temperatura e crescimento e viabilidade do tubo polínico Outro conjunto interessante de canais controlados por ligantes são os canais receptores de glutamato Esses canais são homólogos para uma classe de receptores de glutamato no sistema nervoso de mamíferos que funcionam como canais de cátions com portões de glu tamato e são ativados em plantas por glutamato e alguns outros aminoácidos Canais vegetais receptores de glutama to são permeáveis a Ca2 K e Na em vários níveis mas têm sido particularmente envolvidos na absorção de Ca2 e na sinalização na aquisição de nutrientes em raízes e na fisiolo gia de célulasguarda e do tubo polínico Os fluxos de íons devem ocorrer também para den tro e para fora do vacúolo e canais permeáveis a cátions e a ânions foram caracterizados na membrana vacuolar ver Figura 613 Canais de cátions vacuolares vegetais incluem o canal KCO3 K ver Figura 614A o canal de cátion ativado por Ca2 TPC1SV ver Figuras 613 e 614B e a maioria dos canais TPKVK ver Figura 613 os quais são canais de K altamente seletivos ativados por Ca2 Além disso o efluxo de Ca2 dos sítios de armazenamen to interno como o vacúolo desempenha um importante papel na sinalização A liberação do Ca2 dos armazena mentos é desencadeada por diversas moléculas de mensa geiros secundários incluindo o próprio Ca2 citosólico e o inositol trifosfato InsP3 Para uma descrição mais deta lhada dessas rotas de transdução de sinal ver Capítulo 15 CARREGADORES DE CÁTIONS Uma diversidade de carregadores também movimenta cátions para dentro das células vegetais Uma família de transportadores que se especializa no transporte de K através das membranas vegetais é a família HAKKTKUP que é referida aqui como família HAK A família HAK contém transporta dores de alta e de baixa afinidade alguns dos quais tam bém medeiam o influxo de Na sob altas concentrações externas desse cátion Acreditase que transportadores HAK de alta afinidade absorvam K via simporte HK e esses transportadores são particularmente importantes para a absorção do K do solo quando as concentrações desse íon são baixas no solo Uma segunda família os transportadores de cátionH do tipo antiporte CPAs de cationH antiporters promove a permuta eletroneutra de H e outros cátions incluindo K em alguns casos Uma terceira família consiste em transportadores TrkHKT que serão referidos aqui como transportadores HKT os quais podem operar como transportadores de KH ou KNa do tipo simporte ou como canais de Na sob altas concen trações externas de Na A importância de transportadores HKT para o transporte de K permanece incompletamente esclarecida mas como descrito a seguir esses transpor tadores são elementos centrais na tolerância das plantas a condições salinas A irrigação aumenta a salinidade do solo e a salini zação de terras cultiváveis é um problema crescente em todo o mundo Embora plantas halófitas como aquelas encontradas em marismas sejam adaptadas a ambientes com alto teor de sal tais ambientes são deletérios para ou tras espécies vegetais glicófitas incluindo a maioria das espécies cultivadas As plantas evoluíram mecanismos para excretar Na através da membrana plasmática para sequestrar sal no vacúolo e para redistribuir Na dentro do corpo da planta Na membrana plasmática um transportador de NaH do tipo antiporte foi descoberto em uma pesquisa para identificar mutantes de Arabidopsis com sensibilida de aumentada ao sal por isso esse transportador do tipo antiporte foi denominado extremamente sensível ao sal 1 SOS1 de salt overly sensitive 1 Os transportadores SOS1 do tipo antiporte na raiz excretam Na da planta reduzin do assim as concentrações internas desse íon tóxico O sequestro vacuolar de Na ocorre pela atividade de transportadores de NaH do tipo antiporte um subcon junto de proteínas CPA que acoplam o movimento ener geticamente favorável montanha abaixo de H para o citoplasma à absorção de Na pelo vacúolo Quando o gene do transportador do tipo antiporte Arabidopsis AtNHX1 NaH é superexpresso ele confere um grande incremen to na tolerância ao sal tanto em Arabidopsis como em espé cies cultivadas como milho Zea mays trigo e tomateiro Enquanto transportadores do tipo antiporte SOS1 e NHX reduzem as concentrações citosólicas de Na2 os transportadores HKT1 transportam Na do apoplasto para o citosol No entanto a absorção de Na por transportadores HKT1 na membrana plasmática das células parenquimáti cas do xilema da raiz é importante na recuperação de Na a partir do fluxo transpiratório reduzindo assim as con centrações de Na e a concomitante toxicidade nos tecidos fotossintéticos Presumivelmente esse Na é então excluído do citosol da raiz pela ação dos transportadores SOS1 e NHX A expressão transgênica de um transportador HKT1 Taiz06indd 159 Taiz06indd 159 27102016 143229 27102016 143229 160 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos em uma variedade de trigo T durum aumentou bastante a produtividade de grãos em trigo cultivado em solos salinos Tal como para o Na existe um amplo gradiente de energia livre para o Ca2 que favorece sua entrada no cito sol tanto vindo do apoplasto quanto dos estoques intrace lulares Essa entrada é mediada pelos canais permeáveis a Ca2 descritos anteriormente As concentrações do íon cál cio na parede celular e no apoplasto normalmente estão na faixa milimolar em comparação as concentrações de Ca2 citosólico livre são mantidas na faixa dos centésimos de na nomolar 109 M até 1 micromolar 106 M contra um am plo gradiente de potencial eletroquímico para a difusão de Ca2 para dentro da célula O efluxo de íon cálcio do citosol é realizado por Ca2ATPases encontradas na membrana plasmática e em algumas endomembranas como o tono plasto ver Figura 613 e o retículo endoplasmático A maio ria do Ca2 dentro da célula encontrase armazenada no vacúolo central onde ele é sequestrado por Ca2ATPases e por transportadores de Ca2H do tipo antiporte que utili zam o potencial eletroquímico do gradiente de prótons para energizar a acumulação vacuolar de Ca2 A concentração citosólica de Ca2 é fortemente regula da uma vez que pequenas variações alteram drasticamen te as atividades de muitas enzimas A proteína ligante de Ca2 calmodulina CaM participa dessa regulação Em bora a CaM não tenha atividade catalítica por si própria a CaM ligada ao Ca2 ligase a muitas classes diferentes de proteínasalvo e regula suas atividades ver Ensaio 62 na internet Canais cíclicos com portões de nucleotídeos permeáveis a Ca2 são proteínas ligantes de Ca2 e há evi dência de que essa ligação à CaM resulte em redução da atividade do canal Uma classe de Ca2ATPases também se liga à CaM A ligação à CaM libera essas ATPases da autoinibição resultando em um aumento da extrusão de Ca2 para o apoplasto o retículo endoplasmático e o va cúolo Juntos esses dois efeitos reguladores da CaM pro porcionam um mecanismo por meio do qual aumentos na concentração citosólica de Ca2 iniciam um ciclo de retro alimentação negativo via CaM ativada que auxilia na res tauração dos níveis citosólicos em repouso de Ca2 Transportadores de ânions foram identificados Nitrato NO3 cloreto Cl sulfato SO4 2 e fosfato H2PO4 são os principais íons inorgânicos em células ve getais e malato2 é um importante ânion orgânico O gra diente de energia livre para todos esses ânions é na dire ção do efluxo passivo Diversos tipos de canais de ânions foram caracterizados por técnicas de eletrofisiologia e a maioria deles parece ser permeável a uma diversidade de ânions Em particular vários canais com diferentes de pendências de voltagem e permeabilidades aniônicas têm se mostrado importantes para o efluxo de ânions de célu lasguarda durante o fechamento estomático Ao contrário da relativa falta de especificidade dos ca nais de ânions os carregadores de ânions que medeiam o transporte contra o gradiente em células vegetais exibem seletividade por ânions específicos Além dos transporta dores de nitrato descritos anteriormente as plantas têm transportadores para vários ânions orgânicos como ma lato e citrato Como discutido no Capítulo 10 a absorção de malato é um importante contribuinte para o aumento na concentração intracelular de soluto que aciona a ab sorção de água para dentro das célulasguarda que leva à abertura estomática A um membro da família ABC AtA BCB14 foi atribuída essa função de importação de malato A disponibilidade de fosfato na solução do solo comu mente limita o crescimento vegetal Em Arabidopsis uma família de cerca de nove transportadores de fosfato da membrana plasmática alguns de alta afinidade e alguns de baixa afinidade promove a absorção de fosfato por simpor te com prótons Esses transportadores são expressos prima riamente na epiderme e nos pelos da raiz e sua expressão é induzida por carência de fosfato Outros transportadores de fosfatoH do tipo simporte foram também identificados em plantas e localizados em membranas de organelas in tracelulares como plastídios e mitocôndrias Outro grupo de transportadores de fosfato os translocadores de fosfato está localizado na membrana interna de plastídios onde atua na permuta de fosfato inorgânico com compostos fos forilados de carbono ver Tópico 811 na internet Transportadores de íons metálicos e metaloides transportam micronutrientes essenciais Diversos metais são nutrientes essenciais para as plantas embora necessários apenas em quantidadestraço Um exemplo é o ferro A deficiência de ferro é o distúrbio nu tricional humano mais comum no mundo de modo que uma maior compreensão sobre a acumulação desse ele mento também pode beneficiar os esforços no sentido de melhorar o valor nutricional de plantas cultivadas Mais de 25 ZIP transportadores atuam na absorção de íons ferro manganês e zinco em plantas e outras famílias de transportadores que promovem a absorção de íons cobre e molibdênio foram identificadas Íons metálicos geral mente estão presentes em baixas concentrações na solu ção do solo de modo que esses transportadores normal mente apresentam alta afinidade Alguns transportadores de íons metálicos atuam na absorção de íons cádmio ou chumbo os quais são indesejáveis em espécies cultiva das pois são tóxicos para os seres humanos Entretanto essa propriedade pode se mostrar útil na destoxificação dos solos pela absorção dos contaminantes pelas plantas fitorremediação as quais podem então ser removidas e descartadas adequadamente Uma vez na planta os íons metálicos em geral que lados com outras moléculas devem ser transportados no xilema para distribuição pelo corpo da planta via corren te transpiratória os metais devem ser também enviados a seus destinos subcelulares apropriados Por exemplo a maior parte do ferro nas plantas é encontrada nos cloro plastos onde ele é incorporado à clorofila e aos compo nentes da cadeia de transporte de elétrons ver Capítulo 7 Taiz06indd 160 Taiz06indd 160 27102016 143229 27102016 143229 Capítulo 6 Transporte de Solutos 161 A superacumulação de formas iônicas de metais como o ferro e o cobre pode levar à produção de espécies reativas de oxigênio EROs Compostos que quelam íons metálicos protegem contra essa ameaça e transportadores interme diários da absorção de metais para dentro do vacúolo tam bém são importantes na manutenção das concentrações de metais em níveis não tóxicos Metaloides são elementos que têm propriedades tanto de metais como de não metais O boro e o silício são dois metaloides usados pelas plantas Ambos desempenham importantes papéis na estrutura da parede celular o boro pela participação em ligações cruzadas de polissacarídeos da parede celular e o silício por aumentar a rigidez estru tural Tanto o boro como ácido bórico BOH3 também escrito como H3BO3 quanto o silício como ácido silícico SiOH4 também escrito como H4SiO4 entram nas células via canais do tipo aquaporinas ver a seguir e são exporta dos via transportadores de efluxo provavelmente por trans porte ativo secundário Devido a similaridades na estrutura química arsenito uma forma de arsênico também pode entrar nas raízes das plantas via um canal de silício e ser exportado para a corrente transpiratória via o transportador de silício O arroz é particularmente eficiente em absorver arsenito e em consequência o envenenamento por arsêni co pelo consumo humano de arroz é um problema signifi cante em regiões do sudeste da Ásia As aquaporinas têm funções diversas Aquaporinas são uma classe de transportadores que são relativamente abundantes em membranas vegetais e são também comuns em membranas animais ver Capítulos 3 e 4 Estimase que o genoma de Arabidopsis codifique cerca de 35 aquaporinas Como o nome sugere mui tas aquaporinas promovem o fluxo de água através de membranas presumese que as aquaporinas funcionem como sensores de gradientes no potencial osmótico e na pressão de turgor Além disso algumas proteínas aqua porinas atuam no influxo de nutrientes minerais p ex ácido bórico e ácido silícico Há alguma evidência de que as aquaporinas podem atuar como condutos para o movi mento de dióxido de carbono amônia NH3 e peróxido de hidrogênio H2O2 através das membranas plasmáticas vegetais A atividade das aquaporinas é regulada por fosforila ção assim como pelo pH pela concentração de Ca2 pela heteromerização heteromerization e por EROs Essa regu lação pode ser responsável pela capacidade das células ve getais de alterar rapidamente sua permeabilidade à água em resposta ao ritmo circadiano e a estresses como sal resfriamento seca e inundação anoxia A regulação tam bém ocorre em nível de expressão gênica As aquaporinas são altamente expressas em células epidérmicas e endo dérmicas e no parênquima do xilema os quais podem ser pontos críticos para o controle do movimento de água As HATPases da membrana plasmática são ATPases do tipo P altamente reguladas Como se viu o transporte ativo de prótons para fora atra vés da membrana plasmática gera gradientes de pH e de potencial elétrico que acionam o transporte de muitas ou tras substâncias íons e solutos não carregados median te diferentes proteínas de transporte ativo secundário A atividade da HATPase é importante também para a regulação do pH citoplasmático e para o controle do turgor celular que governa o movimento de órgãos folhas e flo res a abertura estomática e o crescimento celular A Figu ra 615 ilustra como uma HATPase de membrana pode funcionar EXTERIOR DA CÉLULA CITOSOL H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H A B C D ATP ADP P P P Pi Figura 615 Etapas hipotéticas no transporte de um próton con tra seu gradiente químico por uma HATPase A bomba inserida na membrana A ligase ao próton no lado interno da célula e B é fosforilada por ATP C Essa fosforilação conduz a uma mudança de conformação que expõe o próton ao exterior da célula e possibilita sua difusão para longe D A liberação do íon fosfato Pi da bomba no citosol restaura a configuração da HATPase e permite que co mece um novo ciclo de bombeamento Taiz06indd 161 Taiz06indd 161 27102016 143229 27102016 143229 162 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos As HATPases e Ca2ATPases da membrana plas mática de plantas e fungos são membros de uma classe conhecida como ATPases do tipo P fosforiladas como par te do ciclo catalítico que hidrolisa ATP As HATPases da membrana plasmática de plantas são codificadas por uma família de cerca de uma dúzia de genes As funções de cada isoforma de HATPase estão começando a ser com preendidas com base em padrões de expressão gênica e na análise funcional de indivíduos de Arabidopsis contendo mutações nulas em genes individuais de HATPases Al gumas HATPases exibem padrões de expressão especí ficos para cada célula Por exemplo diversas HATPases são expressas em célulasguarda onde elas energizam a membrana plasmática para impulsionar a absorção de so lutos durante a abertura estomática ver Capítulo 4 Em geral a expressão de HATPases é alta em cé lulas com funçõeschave no movimento de nutrientes incluindo células da endoderme da raiz e células envolvi das na absorção de nutrientes do apoplasto que circunda a semente em desenvolvimento Em células onde múltiplas HATPases são coexpressas elas podem ser reguladas de maneira distinta ou funcionar de modo redundante tal vez proporcionando um mecanismo de segurança a essa função de transporte tão importante A Figura 616 mostra um modelo dos domínios funcio nais da HATPase da membrana plasmática de leveduras que é similar à das plantas A proteína tem 10 domínios que atravessam a mem brana o que a faz dar voltas para um lado e para o outro através da membrana Alguns dos domínios transmembrana constituem a rota pela qual os prótons são bombeados O domínio catalítico que catalisa a hidrólise de ATP incluindo o resíduo de ácido aspártico que é fosfori lado durante o ciclo catalítico está na face citosólica da membrana Como outras enzimas a HATPase da membrana plasmática é regulada pela concentração de substrato ATP pH temperatura e outros fatores Além disso moléculas de HATPase podem ser reversivelmente ativadas ou desati vadas por sinais específicos como luz hormônios ou ataque de patógenos Esse tipo de regulação é mediado por um domínio autoinibitório especializado na extremidade Cterminal da cadeia polipeptídica que atua para regular a atividade da HATPase ver Figura 616 Se o domínio autoinibitório é removido por uma protease a enzima tor nase irreversivelmente ativada O efeito autoinibitório do domínio Cterminal tam bém pode ser regulado pela ação de proteínas quinase e fosfatases que adicionam grupos fosfatos ou os removem de resíduos de serina ou treonina nesse domínio A fos forilação recruta proteínas moduladoras de enzimas de ocorrência generalizada chamadas de proteínas 1433 as quais se ligam à região fosforilada e então deslocam o domínio autoinibitório levando à ativação da HATPase A toxina fúngica fusicocina que é uma forte ativadora da HATPase ativa essa bomba pelo aumento da afinidade de ligação da 1433 mesmo na ausência de fosforilação O efeito da fusicocina nas HATPases das célulasguarda é tão forte que pode levar à abertura estomática irreversí vel à murcha e mesmo à morte da planta A HATPase do tonoplasto aciona a acumulação de solutos nos vacúolos As células vegetais aumentam seu tamanho principal mente pela absorção de água no grande vacúolo central Por isso a pressão osmótica do vacúolo precisa ser con servada suficientemente alta para a entrada de água pro COOH Domínio regulador Domínios transmembrana Membrana plasmática EXTERIOR DA CÉLULA CITOSOL Figura 616 Representação bidimensional de uma HATPase da membrana plasmática de levedura Cada círculo pequeno representa um aminoácido A proteína HATPase possui 10 segmentos transmembrana O domínio regula dor é um domínio autoinibitório Modificações póstradução que levam ao deslocamento do domínio autoinibitório resultam na ativação da HATPase De Palmgren 2001 Taiz06indd 162 Taiz06indd 162 27102016 143229 27102016 143229 Capítulo 6 Transporte de Solutos 163 veniente do citosol O tonoplasto regula o tráfego de íons e produtos metabólicos entre o citosol e o vacúolo da mes ma forma que a membrana plasmática regula sua absorção para dentro da célula O transporte no tonoplasto tornou se uma área de intensa pesquisa após o desenvolvimento de métodos de isolamento de vacúolos intactos e de ve sículas do tonoplasto ver Tópico 66 na internet Esses estudos elucidaram a diversidade de canais de ânions e cátions na membrana do tonoplasto ver Figura 613 e le varam à descoberta de um novo tipo de ATPase bombe adora de prótons a HATPase vacuolar que transporta prótons para dentro do vacúolo ver Figura 613 A HATPase vacuolar difere tanto estrutural como funcionalmente da HATPase da membrana plasmáti ca A ATPase vacuolar é mais estreitamente relacionada a FATPases de mitocôndrias e cloroplastos ver Capítulo 12 e a ATPase vacuolar diferentemente das ATPases da membrana plasmática discutida antes não envolve a for mação de um intermediário fosforilado durante a hidrólise de ATP As ATPases vacuolares pertencem a uma classe geral de ATPases presentes no sistema de endomembranas de todos os eucariotos Elas são grandes complexos enzi máticos cerca de 750 kDa compostos de múltiplas subuni dades Essas subunidades são organizadas em um comple xo periférico V1 que é responsável pela hidrólise de ATP e um complexo formando um canal integral de membrana V0 que é responsável pela translocação de H através da membrana Figura 617 Devido à similaridade com as FATPases presumese que as ATPases vacuolares operem como pequenos motores de rotação ver Capítulo 12 As ATPases vacuolares são bombas eletrogênicas que transportam prótons do citoplasma para o vacúolo e geram uma PMF através do tonoplasto O bombeamento eletro gênico de prótons explica o fato de o vacúolo em geral ser 20 a 30 mV mais positivo do que o citoplasma embora ele ainda seja negativo em relação ao meio externo Para possi bilitar a manutenção da neutralidade elétrica global ânions como o Cl ou o malato2 são transportados do citosol para dentro do vacúolo através de canais no tonoplasto A ma nutenção da neutralidade elétrica geral pelo transporte de ânions possibilita à HATPase vacuolar gerar um grande gradiente de concentração de prótons gradiente de pH através do tonoplasto Esse gradiente explica o fato de o pH vacuolar normalmente ser de cerca de 55 ao passo que o pH citoplasmático é tipicamente de 70 a 75 Enquanto o componente elétrico da PMF aciona a absorção de ânions pelo vacúolo o gradiente de potencial eletroquímico para H μ H é direcionado para acionar a absorção de cátions e açúcares pelo vacúolo por sistemas de transporte secundá rio transportador do tipo antiporte ver Figura 613 Embora o pH da maioria dos vacúolos vegetais seja moderadamente ácido cerca de 55 o pH do vacúolo de algumas espécies é muito mais baixo fenômeno cha mado de hiperacidificação A hiperacidificação vacuolar é a causa do gosto ácido de certas frutas limões e verduras ruibarbo Estudos bioquímicos sugeriram que o pH re duzido dos vacúolos de limões especificamente aqueles das células do gomo produtoras de suco é devido a uma combinação de fatores A baixa permeabilidade da membrana vacuolar a pró tons permite o estabelecimento de um gradiente de pH mais pronunciado Uma ATPase vacuolar especializada é capaz de bom bear prótons de maneira mais eficiente com menos desperdício de energia do que as ATPases vacuolares normais Ácidos orgânicos como os ácidos cítrico málico e oxálico acumulamse no vacúolo e ajudam a manter seu baixo pH agindo como tampões As Hpirofosfatases também bombeiam prótons no tonoplasto Outro tipo de bomba de prótons uma Hpirofosfatase HPPase trabalha em paralelo com a ATPase vacuolar para criar um gradiente de prótons através da membrana do tonoplasto ver Figura 613 Essa enzima consiste em um polipeptídeo único que aproveita a energia da hidrólise do pirofosfato inorgânico PPi para acionar o transporte de H A energia livre liberada pela hidrólise do PPi é me nor do que a oriunda da hidrólise do ATP No entanto a CITOSOL B A C E H D d F a G c e LUME DO VACÚOLO Tonoplasto V1 V0 Figura 617 Modelo do motor de rotação da VATPase Muitas subunidades de polipeptídeos se unem para formar essa enzima complexa O complexo catalítico V1 que é facilmente dissociado da membrana contém os sítios de ligação de nucleotídeos e catalíti co Os componentes de V1 são designados por letras maiúsculas O complexo integral de membrana que promove o transporte de H é designado V0 e suas subunidades são designadas por letras mi núsculas Propõese que as reações da ATPase catalisadas por cada uma das subunidades A atuando em sequência acionem a rotação do eixo D e das seis subunidades c Acreditase que a rotação das subunidades c em relação à subunidade a acione o transporte de H através da membrana De Kluge et al 2003 Taiz06indd 163 Taiz06indd 163 27102016 143229 27102016 143229 164 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos HPPase transporta somente um H por molécula de PPi hidrolisada enquanto a ATPase vacuolar parece transpor tar dois íons H por ATP hidrolisado Assim a energia dis ponível por H transportado parece ser aproximadamente a mesma e as duas enzimas mostramse capazes de gerar gradientes de prótons comparáveis É interessante saber que a HPPase não é encontrada em animais ou em le veduras embora enzimas similares estejam presentes em bactérias e protistas A VATPase e a HPPase são encontradas em outros compartimentos do sistema de endomembranas além do vacúolo Coerente com essa distribuição está se eviden ciando que essas ATPases regulam não somente gradien tes de H por si mas também o movimento de vesículas e a secreção Além disso o transporte aumentado de auxi na e a divisão celular em indivíduos de Arabidopsis supe rexpressando uma HPPase e os fenótipos opostos em plantas com atividade reduzida da HPPase indicam co nexões entre a atividade da HPPase e a síntese a distri buição e a regulação de transportadores de auxina Transporte de íons nas raízes Os nutrientes minerais absorvidos pelas raízes são car regados para a parte aérea pela corrente de transpiração que se movimenta pelo xilema ver Capítulo 4 Tanto a absorção inicial de nutrientes e água quanto o movimento subsequente dessas substâncias desde a superfície da raiz atravessando o córtex entrando no xilema são processos altamente específicos e bem regulados O transporte de íons através da raiz obedece às mes mas leis biofísicas que governam o transporte celular No entanto conforme foi visto no caso do movimento da água ver Capítulo 4 a anatomia da raiz impõe algumas limi tações especiais na rota de movimento iônico Nesta se ção são discutidos as rotas e os mecanismos envolvidos no movimento radial de íons da superfície da raiz para os elementos traqueais xilema Os solutos movemse tanto através do apoplasto quanto do simplasto Até agora a discussão do movimento iônico celular não incluiu a parede celular Em termos do transporte de pe quenas moléculas a parede celular é uma rede de polis sacarídeos preenchida de fluido pela qual os nutrientes minerais se difundem prontamente Por serem as células vegetais separadas por paredes os íons podem se difundir através de um tecido ou ser passivamente carregados pelo fluxo de água inteiramente pelos espaços intercelulares sem nunca entrarem em uma célula viva O continuum de paredes celulares é denominado espaço extracelular ou apoplasto ver Figura 44 Tipicamente 5 a 20 do volu me de um tecido são ocupados por paredes celulares Assim como as paredes celulares formam uma fase contínua os citoplasmas de células vizinhas também o fazem sendo coletivamente chamados de simplasto As células vegetais são interconectadas por pontes citoplas máticas chamadas de plasmodesmos ver Capítulo 1 po ros cilíndricos de 20 a 60 nm de diâmetro Figura 618 e Figura 16 Cada plasmodesmo é forrado com membrana plasmática e contém um túbulo estreito o desmotúbulo que é a continuação do retículo endoplasmático Em tecidos onde ocorrem quantidades significativas de transporte intercelular células vizinhas contêm nume rosos plasmodesmos até 15 por micrômetro quadrado de superfície celular Células secretoras especializadas como nectários florais e glândulas foliares de sal têm altas den sidades de plasmodesmos Pela injeção de corantes ou pela realização de medi ções de resistência elétrica em células contendo grandes números de plasmodesmos investigadores mostraram que íons inorgânicos água e pequenas moléculas orgâni cas podem moverse de célula para célula através desses poros Uma vez que cada plasmodesmo é parcialmente ocluído pelo desmotúbulo e suas proteínas associadas ver Capítulo 1 o movimento de moléculas grandes como proteínas através dos plasmodesmos requer mecanismos especiais Os íons por outro lado parecem se mover de maneira simplástica pela planta por simples difusão atra vés de plasmodesmos ver Capítulo 4 Os íons cruzam o simplasto e o apoplasto A absorção de íons pela raiz ver Capítulo 5 é mais pro nunciada na zona dos pelos do que nas zonas meristemá tica e de alongamento As células na zona dos pelos da raiz completaram seu alongamento mas ainda não iniciaram o crescimento secundário Os pelos são simplesmente ex tensões de células epidérmicas específicas que aumentam de maneira significativa a área de superfície disponível para a absorção de íons Um íon que penetra em uma raiz pode imediatamente entrar no simplasto cruzando a membrana plasmática de uma célula epidérmica ou pode penetrar no apoplasto e di Membrana plasmática Lamela média Parede celular Tonoplasto Citoplasma Vacúolo Plasmodesmo Figura 618 Os plasmodesmos conectam o citoplasma de cé lulas vizinhas facilitando portanto a comunicação célula a célula Taiz06indd 164 Taiz06indd 164 27102016 143229 27102016 143229 Capítulo 6 Transporte de Solutos 165 fundirse entre as células epidérmicas através das paredes celulares Do apoplasto do parênquima cortical um íon ou outro soluto pode tanto ser transportado através da mem brana plasmática de uma célula cortical assim entrando no simplasto quanto se difundir radialmente até a endoder me via apoplasto O apoplasto forma uma fase contínua da superfície da raiz atravessando o parênquima cortical Entretanto em todos os casos os íons precisam ingressar no simplasto antes de entrarem no estelo devido à presença da estria de Caspary Como discutido nos Capítulos 4 e 5 a estria de Caspary é uma camada lignificada ou suberizada que forma anéis ao redor de células especializadas da en doderme Figura 619 e bloqueia eficazmente a entrada de água e solutos dentro do estelo via o apoplasto O estelo consiste em elementos traqueais mortos circundados por periciclo e células vivas do parênquima do xilema Uma vez que um íon tenha entrado no este lo pelas conexões simplásticas através da endoderme ele continua a se difundir através de células vivas Por fim o íon é liberado no apoplasto e se difunde dentro das células condutoras do xilema visto que são células mortas seus interiores são contínuos com o apoplasto A estria de Cas pary permite que a absorção de nutrientes seja seletiva ela também impede que os íons se difundam de volta para fora da raiz através do apoplasto Desse modo a presença da estria de Caspary permite à planta manter uma con centração de íons mais alta no xilema do que a existente na água do solo que circunda as raízes As células parenquimáticas do xilema participam de seu carregamento O processo pelo qual os íons saem do simplasto de uma célula do parênquima do xilema e entram nas células con dutoras do xilema para translocação para a parte aérea é chamado de carregamento do xilema um processo al tamente regulado As células do parênquima do xilema como outras células vegetais vivas mantêm atividade das HATPases e um potencial de membrana negativo Por estudos eletrofisiológicos e abordagens genéticas foram identificados transportadores que funcionam especifica mente no descarregamento dos solutos para os elementos traqueais As membranas plasmáticas das células do pa Solução do solo Epiderme Parênquima cortical Endoderme Parênquima do xilema Elementos traqueais do xilema Estelo Estria de Caspary B A Epiderme Floema Parênquima cortical Endoderme Xilema 100 μm Figura 619 Organização de tecidos em raízes A Corte transversal de uma raiz de uma monocotiledônea da flor decarniça gênero Smilax mostran do a epiderme o parênquima cortical a endoderme o xilema e o floema B Diagrama esquemático de um corte transversal de raiz ilustrando as cama das de células pelas quais os solutos passam da solução do solo para os ele mentos traqueais Taiz06indd 165 Taiz06indd 165 27102016 143229 27102016 143229 166 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos RESUMO O movimento biologicamente regulado de moléculas e íons de um local para outro é conhecido como transporte As plantas trocam solutos dentro de suas células com seu ambiente local e entre seus tecidos e órgãos Os processos de transporte tan to local como a longa distância nas plantas são controlados em grande parte por membranas celulares O transporte iônico nas plantas é vital para sua nutrição mineral e tolerância ao estresse a modulação de componentes e propriedades do transporte tem potencial para melhorar o valor nutritivo a tolerância ao estresse e a produtividade das culturas vegetais Transporte passivo e ativo Gradientes de concentração e gradientes de potencial elétrico as principais forças que acionam o transporte através de mem branas biológicas são integrados por um termo chamado de potencial eletroquímico Equação 68 O movimento de solutos através de membranas a favor de seus gradientes de energia livre é facilitado por mecanismos de transporte passivo enquanto o movimento de solutos contra seus gradientes de energia livre é conhecido como transporte ativo e requer a adição de energia Figura 61 Transporte de íons através de barreiras de membrana A extensão na qual uma membrana permite o movimento de uma substância é uma propriedade conhecida como permeabi lidade de membrana Figura 65 A permeabilidade depende da composição lipídica da membra na das propriedades químicas dos solutos e particularmente de proteínas da membrana que facilitam o transporte de substân cias específicas Para cada íon que se difunde a distribuição dessa espécie iôni ca específica através da membrana que ocorreria no equilíbrio é descrita pela equação de Nernst Equação 610 O transporte de H através da membrana plasmática de plantas por HATPases é um determinante importante do potencial de membrana Figuras 615 616 Processos de transporte em membranas As membranas biológicas contêm proteínas especializadas ca nais carregadores e bombas que facilitam o transporte de solutos Figura 66 O resultado líquido dos processos de transporte pela membra na é que a maioria dos íons é mantida em desequilíbrio com seu entorno Canais são poros proteicos regulados que quando abertos au mentam muito o fluxo de íons e em alguns casos moléculas neutras através das membranas Figuras 66 67 Os organismos têm uma grande diversidade de tipos de canais iônicos Dependendo do tipo os canais podem ser não seleti vos ou altamente seletivos para somente uma espécie iônica Os canais podem ser regulados por muitos parâmetros incluin do voltagem moléculas sinalizadoras intracelulares ligantes hormônios e luz Figuras 68 613 614 Carregadores ligamse a substâncias específicas e as transpor tam em taxas várias ordens de grandeza menores do que os canais Figuras 66 611 As bombas requerem energia para o transporte O transporte ativo de H e Ca2 através das membranas plasmáticas de plan tas é mediado por bombas Figura 66 Os transportadores ativos secundários em plantas aproveitam a energia do movimento de prótons energeticamente montanha abaixo para mediar o transporte energeticamente montanha acima de outro soluto Figura 69 No simporte ambos os solutos transportados movemse na mesma direção através da membrana enquanto no antiporte os dois solutos movemse em direções opostas Figura 610 Proteínas de transporte em membranas Muitos canais carregadores e bombas da membrana plasmá tica e do tonoplasto de plantas foram identificados ao nível molecular Figura 613 e caracterizados usandose técnicas eletrofisiológicas Figura 68 e bioquímicas rênquima do xilema contêm bombas de prótons aquapo rinas e uma diversidade de canais de íons e carregadores especializados para influxo ou efluxo No parênquima do xilema de Arabidopsis o canal reti ficador de saída de K do estelo SKOR de stelar outwardly rectifying K channel é expresso em células do periciclo e do parênquima do xilema onde funciona como um canal de efluxo transportando K das células vivas para os ele mentos traqueais Em indivíduos mutantes de Arabidopsis carentes da proteína de canal SKOR ou em plantas em que o SKOR foi farmacologicamente desativado o transpor te de K da raiz para a parte aérea é fortemente reduzido confirmando a função dessa proteína canal Diversos tipos de canais seletivos de ânions também foram identificados como participantes do descarrega mento de Cl e NO3 do parênquima do xilema Seca tra tamento com ácido abscísico ABA ou elevação das con centrações citosólicas de Ca2 que comumente ocorre em resposta ao ABA reduzem a atividade dos canais SKOR e dos canais de ânions do parênquima do xilema de raiz uma resposta que poderia ajudar a manter a hidratação na raiz sob condições de dessecação Outros canais de íons menos seletivos encontrados na membrana plasmática de células do parênquima do xilema são permeáveis a K Na e ânions Também foram iden tificadas outras moléculas de transporte que promovem o carregamento de boro como ácido bórico BOH3 ou borato BOH4 Mg2 e H2PO4 2 Assim no xilema o fluxo de íons das células do parênquima para os elementos traqueais está sob rigoroso controle metabólico pela regu lação de HATPases canais de efluxo de íons e carrega dores da membrana plasmática Taiz06indd 166 Taiz06indd 166 27102016 143229 27102016 143229 Capítulo 6 Transporte de Solutos 167 MATERIAL DA INTERNET Tópico 61 Relacionando o potencial de membrana à dis tribuição de vários íons através da membrana a equação de Goldman A equação de Goldman é usada para calcular a permeabilidade da membrana a mais de um íon Tópico 62 Estudos em patch clamping em células vege tais Patch clamping é aplicado a células vegetais para estudos eletrofisiológicos Tópico 63 Quimiosmose em ação A teoria quimiosmótica explica como os gradientes elétricos e de concentração são usa dos para realizar trabalho celular Tópico 64 Análise cinética de sistemas de transportado res múltiplos A aplicação de princípios de cinética enzimática para os sistemas de transporte proporciona uma maneira eficaz de caracterizar carregadores diferentes Tópico 65 Transportadores ABC em plantas Os trans portadores do tipo cassete de ligação de ATP ABC são uma grande família de proteínas de transporte ativo energizadas di retamente por ATP Tópico 66 Estudos de transporte com vacúolos isolados e vesículas de membrana Certas técnicas experimentais per mitem o isolamento de vesículas de tonoplasto e de membrana plasmática para estudo Ensaio 61 Canais de potássio Vários canais de K em plan tas foram caracterizados Ensaio 62 Calmodulina um transdutor de sinal simples mas multifacetado Este ensaio descreve como a CaM intera ge com um amplo conjunto de proteínas celulares e como essas interações proteínaproteína atuam para converter alterações na concentração de Ca2 em uma complexa rede de respostas bioquímicas Existem transportadores para diversos compostos nitrogena dos incluindo NO3 aminoácidos e peptídeos As plantas têm uma grande diversidade de canais de cátions que podem ser classificados de acordo com sua seletividade iô nica e seus mecanismos reguladores Figura 614 Várias classes diferentes de carregadores de cátions promovem a absorção de K para o citosol Figura 613 Transportadores de NaH do tipo antiporte no tonoplasto e na membrana plasmática excluem Na para o vacúolo e o apo plasto respectivamente impedindo assim a acumulação de ní veis tóxicos de Na no citosol Figura 613 O Ca2 é um importante mensageiro secundário nas cascatas de transdução de sinal e sua concentração citosólica é forte mente regulada Ele entra passivamente no citosol via canais permeáveis ao Ca2 e é ativamente removido do citosol por bombas de Ca e transportadores de Ca2H do tipo antiporte Figura 613 Os carregadores seletivos que medeiam a absorção de NO3 Cl SO4 e H2PO4 no citosol e os canais aniônicos que me deiam o efluxo não seletivo de ânions do citosol regulam as concentrações celulares desses macronutrientes Figura 613 Os íons de metais essenciais e tóxicos são transportados por proteínas de transporte ZIP de alta afinidade Figura 613 As aquaporinas facilitam o fluxo de água e outras moléculas específicas incluindo ácido bórico ácido silícico e arsenito através de membranas plasmáticas vegetais e permitem a regu lação delas por rápidas mudanças na permeabilidade à água em resposta a estímulos ambientais HATPases da membrana plasmática são codificadas por uma família multigênica e sua atividade é reversivelmente controlada por um domínio autoinibitório Figura 616 Como a membrana plasmática o tonoplasto também contém ambos os canais de cátions e ânions bem como uma diversida de de outros transportadores Dois tipos de bombas de H encontrados na membrana vacuo lar VATPases e Hpirofosfatases regulam a força motriz de prótons através do tonoplasto a qual por sua vez aciona o movimento de outros solutos através dessa membrana via me canismos de antiporte Figuras 613 617 Transporte de íons nas raízes Solutos como nutrientes minerais se movem entre células pelo espaço extracelular apoplasto ou de citoplasma para citoplas ma via simplasto O citoplasma de células adjacentes é conec tado por plasmodesmos que facilitam o transporte simplástico Figura 618 Quando um soluto entra na raiz ele pode ser absorvido no ci tosol de uma célula epidérmica ou pode difundirse pelo apo plasto parênquima cortical e então entrar no simplasto por uma célula do parênquima cortical ou endodérmica A presença da estria de Caspary impede a difusão apoplástica de solutos no estelo Os solutos entram no estelo via difusão de células endodérmicas para o periciclo e para células do parên quima do xilema Durante o carregamento do xilema os solutos são liberados das células do parênquima do xilema e então se movem para a parte aérea na corrente transpiratória Figura 619 Taiz06indd 167 Taiz06indd 167 27102016 143229 27102016 143229 168 Unidade I Transporte e Translocação de Água e Solutos Leituras sugeridas BarbierBrygoo H Vinauger M Colcombet J Ephritikhine G Frachisse J and Maurel C 2000 Anion channels in higher plants Functional characterization molecular structure and physiological role Biochim Biophys Acta 1465 199218 Buchanan B B Gruissem W and Jones R L eds 2000 Biochemistry and Molecular Biology of Plants American Society of Plant Physiologists Rockville MD BurchSmith T M and Zambryski P C 2012 Plasmodesmata paradigm shift Regulation from without versus within Annu Rev Plant Biol 63 239260 Harold F M 1986 The Vital Force A Study of Bioenergetics W H Freeman New York Jammes F Hu H C Villiers F Bouten R and Kwak J M 2011 Calciumpermeable channels in plant cells FEBS J 278 42624276 Li G Santoni V and Maurel C 2013 Plant aquaporins Roles in plant physiology Biochim Biophys Acta 1840 15741582 Marschner H 1995 Mineral Nutrition of Higher Plants Academic Press London Martinoia E Meyer S De Angeli A and Nagy R 2012 Vacuolar transporters in their physiological context Annu Rev 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fotossintética em épocas recentes ou passa das combustíveis fósseis Este capítulo introduz os princípios físicos básicos que fundamentam o armazenamento de energia fotossintética bem como os conhecimentos recentes sobre a estrutura e a função do aparelho fotos sintético O termo fotossíntese significa literalmente síntese utilizando a luz Como será visto neste capítulo os organismos fotossintetizantes utilizam a energia solar para sintetizar compostos carbonados complexos Mais especi ficamente a energia luminosa impulsiona a síntese de carboidratos e a libe ração de oxigênio a partir de dióxido de carbono e água 6 CO2 6 H2O C6H12O6 6 O2 Dióxido de Água Carboidrato Oxigênio carbono A energia armazenada nessas moléculas pode ser utilizada mais tarde para impulsionar processos celulares na planta e servir como fonte de energia para todas as formas de vida Este capítulo aborda o papel da luz na fotossíntese a estrutura do apa relho fotossintético e os processos que iniciam com a excitação da clorofila pela luz e culminam na síntese de ATP e NADPH Fotossíntese nas plantas superiores O mais ativo dos tecidos fotossintéticos das plantas superiores é o mesofi lo As células do mesofilo possuem muitos cloroplastos os quais contêm os pigmentos verdes especializados na absorção da luz as clorofilas Durante a fotossíntese a planta utiliza a energia solar para oxidar a água consequen temente liberando oxigênio e para reduzir o dióxido de carbono formando assim grandes compostos carbonados sobretudo açúcares A complexa série de reações que culmina na redução do CO2 inclui as reações dos tilacoides e as de fixação do carbono Fotossíntese Reações Luminosas Taiz07indd 171 Taiz07indd 171 27102016 141803 27102016 141803 172 Unidade II Bioquímica e Metabolismo As reações de fotossíntese dos tilacoides ocorrem em membranas internas especializadas encontradas nos cloroplastos e chamadas de tilacoides ver Capítulo 1 Os produtos finais dessas reações dos tilacoides são os com postos de alta energia ATP e NADPH utilizados para a sín tese de açúcares nas reações de fixação do carbono Esses processos de síntese ocorrem no estroma do cloroplasto a região aquosa que circunda os tilacoides As reações dos tilacoides também chamadas de reações luminosas da fotossíntese são o assunto deste capítulo as reações de fi xação do carbono serão discutidas no Capítulo 8 No cloroplasto a energia luminosa é convertida em energia química por duas unidades funcionais diferentes denominadas fotossistemas A energia absorvida da luz é utilizada para impulsionar a transferência de elétrons por uma série de compostos que atuam como doadores e acep tores desses elétrons A maior parte dos elétrons é extraída da H2O a qual é oxidada a O2 e por fim reduz NADP a NADPH A energia luminosa também é utilizada para gerar a força motriz de prótons ver Capítulo 6 através da membrana do tilacoide essa força motriz é utilizada para sintetizar ATP Conceitos gerais Nesta seção são explorados os conceitos essenciais que fornecem a base para a compreensão da fotossíntese Esses conceitos incluem a natureza da luz as propriedades dos pigmentos e os vários papéis desses pigmentos A luz possui características tanto de partícula quanto de onda Um triunfo da física no início do século XX foi a descober ta de que a luz possui características tanto de partículas quanto de ondas Uma onda Figura 71 é caracterizada por um comprimento de onda representado pela letra grega lambda λ que é a distância entre picos de onda sucessivos A frequência representada pela letra grega nu ν é o número de picos de onda que passam por um observador em um dado tempo Uma equação simples relaciona o comprimento a frequência e a velocidade de qualquer onda c λν 71 onde c é a velocidade da onda neste caso a velocidade da luz 30 108 m s1 A onda de luz é uma onda ele tromagnética transversa lado a lado em que os campos magnético e elétrico oscilam perpendicularmente à dire ção da propagação da onda e a um ângulo de 90o uma em relação à outra A luz é também uma partícula denominada fóton Cada fóton contém uma quantidade de energia que é cha mada de quantum plural quanta O conteúdo de ener gia da luz não é contínuo mas emitido em pacotes dis cretos os quanta A energia E de um fóton depende da frequência de acordo com a relação conhecida como a lei de Planck E hν 72 onde h é a constante de Planck 6626 1034 J s A luz solar é como uma chuva de fótons de diferen tes frequências O olho humano é sensível a apenas uma pequena faixa de frequências a região da luz visível do espectro eletromagnético Figura 72 Luz com frequên 103 101 10 103 105 107 109 1011 1013 1015 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 102 Raios gama Alta energia Baixa energia Ondas de rádio Ultra violeta Raios X Infra vermelho Microondas Comprimento de onda λ nm Frequência v Hz Tipo de radiação 400 750 Espectro visível Componente de campo magnético Campo elétrico Direção de propagação Comprimento de onda λ Figura 71 Luz é uma onda eletromagnética transversa que con siste em campos oscilantes elétrico e magnético perpendiculares um ao outro e à direção de propagação da luz Ela movese com uma velocidade de 30 108 m s1 O comprimento de onda λ é a distância entre sucessivos picos de onda Figura 72 Espectro eletromag nético Comprimento de onda λ e frequência ν são inversamente rela cionados O olho humano é sensível a apenas uma estreita faixa de com primentos de onda da radiação a re gião visível que se estende de cerca de 400 nm violeta até cerca de 700 nm vermelho A luz de comprimen tos de onda curtos alta frequência possui conteúdo de energia alto a luz de comprimentos de onda longos baixa frequência possui conteúdo de energia baixo Taiz07indd 172 Taiz07indd 172 27102016 141804 27102016 141804 Capítulo 7 Fotossíntese Reações Luminosas 173 cias levemente superiores comprimentos de onda mais curtos está na faixa do ultravioleta do espectro e luz com frequências levemente inferiores comprimentos de onda mais longos está na faixa do infravermelho A radiação global emitida pelo sol é mostrada na Figura 73 junto com a densidade de energia que chega à superfície da Ter ra O espectro de absorção da clorofila a curva verde na Figura 73 indica a porção aproximada da radiação solar que é utilizada pelas plantas Um espectro de absorção fornece informações sobre a quantidade de energia luminosa captada ou absorvida por uma molécula ou substância em função do comprimento de onda da luz O espectro de absorção de determinada substância em um solvente não absorvente pode ser de terminado com um espectrofotômetro conforme ilustrado na Figura 74 A espectrofotometria técnica utilizada para medir a absorção da luz por uma amostra é discutida de modo mais completo no Tópico 71 na internet As moléculas alteram seu estado eletrônico quando absorvem ou emitem luz A clorofila parece verde ao olho humano porque ela absor ve luz principalmente nas porções vermelha e azul do es pectro Desse modo apenas uma parte da luz enriquecida nos comprimentos de onda do verde cerca de 550 nm é refletida para o olho humano ver Figura 73 A absorção da luz é representada pela Equação 73 na qual a clorofila Chl em seu estado mais baixo de energia ou estado de base absorve um fóton representado por hν e faz a transição para um estado de maior energia ou es tado excitado Chl Chl hν Chl 73 A distribuição de elétrons na molécula excitada é de certa forma diferente da distribuição na molécula em estadobase Figura 75 A absorção da luz azul excita a clorofila a um estado energético mais elevado do que a ab sorção de luz vermelha pois a energia dos fótons é maior quando seus comprimentos de onda são mais curtos No estado de maior excitação a clorofila é extremamente ins tável ela rapidamente libera parte de sua energia ao meio como calor entrando em um estado de menor excitação no qual pode permanecer estável por um máximo de al guns nanossegundos 109 s Devido à instabilidade ine rente do estado excitado qualquer processo que capture sua energia deve ser extremamente rápido No estado de menor excitação a clorofila excitada possui quatro rotas alternativas para liberar a energia dis ponível 1 A clorofila excitada pode reemitir um fóton e assim retornar a seu estadobase um processo conhecido como fluorescência Quando isso acontece o com primento de onda da fluorescência é levemente mais longo e com menor energia do que o comprimento de onda de absorção pois uma parte da energia de Luz Prisma Monocromador Amostra Luz transmitida Luz monocromática incidente Fotodetector Impressora ou computador I0 I λ nm A 10 15 20 05 400 800 1200 Comprimento de onda λ nm Irradiância W m2 nm1 1600 2000 Espectro visível A Emissão solar B Energia na superfície da Terra C Absorção da clorofila Figura 73 O espectro solar e sua relação com o espectro de ab sorção da clorofila A curva A representa a emissão de energia pelo sol em função do comprimento de onda A curva B é a energia que atinge a superfície da Terra Os íngremes vales na região do infraver melho além dos 700 nm representam a absorção da energia solar pe las moléculas na atmosfera principalmente vapor de água A curva C é o espectro de absorção da clorofila a qual absorve fortemente nas regiões do azul cerca de 430 nm e do vermelho cerca de 660 nm do espectro Devido à pouca eficiência na absorção da luz verde na faixa intermediária da região do espectro visível parte dela é refletida para o olho humano e dá às plantas sua coloração verde característica Figura 74 Diagrama esquemático de um espectrofotômetro O instrumento consiste em uma fonte luminosa um monocromador que contém o seletor de comprimentos de onda do tipo prisma um receptáculo para amostras um fotodetector e uma impresso ra ou computador O comprimento de onda emitido pelo monocromador pode ser altera do por rotação do prisma o gráfico de absor bância A versus comprimento de onda λ é denominado espectro Taiz07indd 173 Taiz07indd 173 27102016 141804 27102016 141804 174 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Comprimento de onda λ nm Estadobase estado de menor energia Vermelho Azul 400 500 600 700 900 800 Energia Absorção de luz azul Absorção de luz vermelha Fluorescência Absorção Fluorescência perda de energia pela emissão de luz de λ mais longo Perda como calor Estado de menor excitação Estado de maior excitação A B C Pigmentos bilinas B Carotenoides Ficoeritrobilina Clorofila a Clorofila b Bacterioclorofila a βcaroteno A Clorofilas H H H CH3 CH2 CH2 COOCH3 CH3 H3C H3C CH2 H H C H H H H H O C2H5 C2H5 C2H5 H3C C O O CH2 CH C CH23 CH23 CH23 CH3 CH3 CH3 HC HC CH CH3 CH3 H3C NH CH O H N N N N N N A A B B B D E C CHO H3C O H H H3C C H NH N O NH H3C H3C H3C H3C CH2 HOOC CH2 CH2 HOOC CH2 CH H3C CH HC C HC CH HC C HC CH HC CH HC H3C CH HC CH HC CH HC CH3 H3C H3C H3C CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 Mg H Figura 75 Absorção e emissão de luz pela clorofila A Diagrama mostrando o nível ener gético A absorção ou emissão de luz é indicada pelas linhas verticais que conectam o estado base com os estados excitados dos elétrons As bandas de absorção da clorofila no azul e no ver melho que absorvem fótons azuis e vermelhos respectivamente correspondem às setas verticais para cima significando que a energia absorvida da luz provoca uma alteração na molécula do estadobase para um estado excitado A seta que aponta para baixo indica fluorescência em que a molécula vai do estado de menor excitação para o estadobase reemitindo energia na forma de fótons B Espectros de absorção e fluorescência A banda de absorção nos comprimentos de onda longos vermelho da clorofila corresponde à luz que possui a energia necessária para causar a transição do estadobase para o primeiro estado de excitação A banda de absorção nos compri mentos de onda curtos azul corresponde à tran sição para o estado de maior excitação Figura 76 Estrutura molecular de alguns pigmentos fotossintetizantes A As clorofilas possuem uma estru tura de anel do tipo porfirina com um íon magnésio Mg coordenado no centro e uma longa cauda de hidro carbonetos hidrofóbicos que as an cora nas membranas fotossintéticas O anel do tipo porfirina é o sítio dos rearranjos eletrônicos que ocorrem quando a clorofila é excitada e dos elétrons não pareados quando ela é oxidada ou reduzida As diversas clorofilas diferem principalmente nos substituintes ao redor dos anéis e nos padrões de ligações duplas B Os ca rotenoides são polienos lineares que servem tanto como pigmentos das antenas quanto como agentes foto protetores C Os pigmentos bilinas são tetrapirróis de cadeia aberta en contrados nas antenas e conhecidos como ficobilissomos que ocorrem nas cianobactérias e nas algas ver melhas Taiz07indd 174 Taiz07indd 174 27102016 141804 27102016 141804 Capítulo 7 Fotossíntese Reações Luminosas 175 excitação é convertida em calor antes da emissão do fóton fluorescente As clorofilas fluorescem na região vermelha do espectro 2 A clorofila excitada pode retornar a seu estadobase pela conversão direta de sua energia de excitação em calor sem a emissão de um fóton 3 A clorofila pode participar na transferência de ener gia durante a qual uma molécula excitada de clorofila transfere sua energia para outra molécula 4 Um quarto processo é a fotoquímica na qual a ener gia do estado excitado provoca a ocorrência de reações químicas As reações fotoquímicas da fotossíntese es tão entre as reações químicas mais rápidas conheci das Essa velocidade extrema é necessária para que a fotoquímica possa competir com as outras três reações possíveis do estado excitado descritas anteriormente Os pigmentos fotossintetizantes absorvem a luz que impulsiona a fotossíntese A energia da luz solar é absorvida primeiro pelos pigmen tos da planta Todos os pigmentos ativos na fotossíntese são encontrados nos cloroplastos A estrutura e o espectro de ab sorção de vários pigmentos fotossintetizantes são mostrados nas Figuras 76 e 77 respectivamente As clorofilas e as bac terioclorofilas pigmento encontrado em algumas bactérias são pigmentos típicos de organismos fotossintetizantes As clorofilas a e b são abundantes nas plantas verdes e as c d e f são encontradas em alguns protistas e ciano bactérias Muitos tipos diferentes de bacterioclorofilas já fo ram encontrados o tipo a é o mais amplamente distribuído O Tópico 72 na internet mostra a distribuição de pigmen tos dos diferentes tipos de organismos fotossintetizantes Todas as clorofilas têm uma complexa estrutura em anel que é quimicamente relacionada com os grupos do tipo porfirina encontrados na hemoglobina e nos citocro mos ver Figura 76A Uma longa cauda de hidrocarbone tos quase sempre está ligada à estrutura do anel A cauda ancora a clorofila à porção hidrofóbica de seu ambiente 400 300 500 600 700 800 900 02 04 06 08 10 12 Comprimento de onda nm Absorção βcaroteno Chl a Chl b Chl d Ficoeritrobilina Bchl a Figura 77 Espectros de ab sorção de alguns dos pigmentos da fotossintetizantes incluindo caroteno clorofila a Chl a clo rofila b Chl b bacterioclorofila a Bchl a clorofila d Chl d e ficoe ritrobilina Os espectros de absor ção mostrados são para pigmen tos puros dissolvidos em solventes não polares exceto para a ficoeri trina uma proteína das cianobac térias que contém um cromóforo de ficoeritrobilina covalentemen te ligado à cadeia peptídica Em muitos casos os espectros dos pigmentos fotossintetizantes in vivo são substancialmente afeta dos pelo ambiente dos pigmentos na membrana fotossintetizante A estrutura em anel contém alguns elétrons frouxamente ligados e é a parte da molécula envolvida nas transições eletrônicas e nas reações redox reduçãooxidação Os diferentes tipos de carotenoides encontrados nos organismos fotossintetizantes são moléculas lineares com múltiplas ligações duplas conjugadas ver Figura 76B As bandas de absorção na região dos 400 a 500 nm dão aos carotenoides sua coloração alaranjada característica A cor das cenouras por exemplo devese ao caroteno um ca rotenoide cuja estrutura e espectro de absorção são mos trados nas Figuras 76 e 77 respectivamente Os carotenoides são encontrados em todos os orga nismos fotossintetizantes naturais Eles são constituintes integrais das membranas dos tilacoides e em geral estão intimamente associados às proteínas que formam o apa relho fotossintetizante A energia da luz absorvida pelos carotenoides é transferida à clorofila para o processo de fotossíntese em decorrência desse papel que desempe nham são chamados de pigmentos acessórios Os caro tenoides também ajudam a proteger o organismo de danos causados pela luz ver p 196 deste capítulo e Capítulo 9 Experimentoschave para a compreensão da fotossíntese Foram necessárias várias centenas de anos e a contri buição de muitos cientistas para o estabelecimento da equação química geral da fotossíntese referências biblio gráficas para o desenvolvimento histórico podem ser en contradas na página da internet para este livro Em 1771 Joseph Priestley observou que um pequeno ramo de men ta crescendo no ar onde uma vela havia apagado melho rou aquele ar de modo que outra vela podia acender Ele descobrira a liberação de oxigênio pelas plantas O biólogo Taiz07indd 175 Taiz07indd 175 27102016 141804 27102016 141804 176 Unidade II Bioquímica e Metabolismo holandês Jan Ingenhousz documentou o papel essencial da luz na fotossíntese em 1779 Outros cientistas estabeleceram os papéis do CO2 e da H2O e mostraram que a matéria orgânica especifica mente os carboidratos é um produto da fotossíntese em conjunto com o oxigênio Ao final do século XIX a reação química geral em equilíbrio para a fotossíntese podia ser escrita da seguinte forma Luz planta 6 CO2 6 H2O C6H12O6 6 O2 74 onde C6H12O6 representa um açúcar simples assim como a glicose Conforme será discutido no Capítulo 8 a glicose não é o produto das reações de carboxilação assim esta parte da equação não deve ser considerada literalmente No entanto a energia contida na equação real é aproxima damente a mesma da apresentada aqui As reações químicas da fotossíntese são complexas Pelo menos 50 etapas de reações intermediárias já foram identi ficadas e etapas adicionais sem dúvida serão descobertas Um dos primeiros indícios sobre a natureza do processo químico essencial da fotossíntese veio na década de 1920 oriundo de investigações realizadas com bactérias fotossin tetizantes que não produzem oxigênio como produto final De seus estudos com essas bactérias C B van Niel concluiu que a fotossintetizante é um processo redox Essa conclusão tem servido como um conceito fundamental no qual se ba searam todas as pesquisas subsequentes sobre fotossíntese Agora a atenção será dirigida à relação entre a atividade fotossintética e o espectro da luz absorvida Serão discutidos alguns dos experimentos críticos que contribuíram para o conhecimento atual da fotossíntese e consideradas as equa ções para as reações químicas essenciais da fotossíntese Os espectros de ação relacionam a absorção de luz à atividade fotossintética O uso de espectros de ação tem sido central ao desenvol vimento de nossa compreensão atual sobre a fotossíntese Um espectro de ação mostra a magnitude da resposta de um sistema biológico à luz em função do comprimento de onda Por exemplo um espectro de ação para fotossínte se pode ser construído a partir de medições da liberação de oxigênio em diferentes comprimentos de onda Figura 78 Com frequência um espectro de ação pode identifi car o cromóforo pigmento responsável por um fenômeno especial induzido pela luz Alguns dos primeiros espectros de ação foram medi dos por T W Engelmann no final do século XIX Figura 79 Engelmann utilizou um prisma para dispersar a luz solar em um arcoíris a qual incidia sobre um filamento de alga aquático Uma população de bactérias dependen tes de oxigênio foi introduzida no sistema As bactérias reuniamse nas regiões dos filamentos que liberavam a maior quantidade de O2 Essas eram as regiões ilumina das por luz azul e vermelha as quais são fortemente ab sorvidas pelas clorofilas Hoje espectros de ação podem ser medidos em espectrógrafos do tamanho de uma sala onde enormes monocromadores banham as amostras em luz monocromática A tecnologia é mais sofisticada porém o princípio é o mesmo dos experimentos de Engelmann Os espectros de ação foram muito importantes na descoberta de dois fotossistemas distintos que operam em organismos fotossintetizantes produtores de O2 Antes de introduzir os dois fotossistemas contudo é preciso des crever as antenas de captação de luz e a necessidade ener gética da fotossíntese A fotossíntese ocorre em complexos contendo antenas de captação de luz e centros fotoquímicos de reação Uma porção da energia da luz absorvida pelas clorofilas e pelos carotenoides é no final armazenada como energia química via formação de ligações químicas Essa conver são de energia de uma forma para outra é um processo complexo que depende da cooperação entre muitas molé culas de pigmentos e um grupo de proteínas de transfe rência de elétrons A maior parte dos pigmentos serve como um comple xo antena coletando luz e transferindo a energia para o complexo dos centros de reação onde acontecem as rea Espectro de absorção Espectro de ação 400 500 600 700 800 Comprimento de onda nm Espectro visível Vermelhodistante e infravermelho Absorbância ou taxa de liberação de O2 Figura 78 Espectro de ação comparado com um espectro de absorção O espectro de absorção é medido conforme mostra a Fi gura 74 Um espectro de ação é medido plotandose uma resposta à luz tal como a liberação de oxigênio em função do comprimento de onda Se o pigmento usado para obter o espectro de absorção for o mesmo que causa a resposta os espectros de absorção e de ação coincidirão No exemplo mostrado aqui o espectro de ação para a liberação de oxigênio coincide bastante com o espectro de absorção de cloroplastos intactos indicando que a absorção de luz pelas clorofilas regula a liberação de oxigênio Algumas discrepân cias são encontradas na região de absorção pelos carotenoides de 450 a 550 nm indicando que a transferência de energia dos carote noides para as clorofilas não é tão eficaz quanto a transferência de energia entre as clorofilas Taiz07indd 176 Taiz07indd 176 27102016 141805 27102016 141805 Capítulo 7 Fotossíntese Reações Luminosas 177 ções químicas de oxidação e redução que levam ao arma zenamento de energia a longo prazo Figura 710 A estru tura molecular de alguns complexos antena e dos centros de reação será discutida mais adiante neste capítulo Como a planta se beneficia dessa divisão de trabalho entre os pigmentos das antenas e os pigmentos dos cen tros de reação Mesmo sob alta radiação solar uma única molécula de clorofila absorve apenas uns poucos fótons a cada segundo Se houvesse um centro de reação comple to associado a cada molécula de clorofila as enzimas do centro de reação estariam ociosas na maior parte do tem po sendo ativadas apenas ocasionalmente pela absorção de um fóton Entretanto se um centro de reação receber energia de muitos pigmentos de uma só vez o sistema é mantido ativo por uma grande fração de tempo Em 1932 Robert Emerson e William Arnold realizaram um experimentochave que forneceu a primeira evidência da cooperação de muitas moléculas de clorofila na conver são de energia durante a fotossíntese Eles forneceram bre víssimos flashes 105 s de luz a uma suspensão aquosa da alga verde Chlorella pyrenoidosa e mediram a quantidade de oxigênio produzido Os flashes foram separados por cerca de 01 s intervalo que Emerson e Arnold determinaram em experimentos anteriores como longo o suficiente para que as etapas enzimáticas do processo fossem completadas an tes da chegada do flash seguinte Os pesquisadores varia ram a energia dos flashes e descobriram que em energias altas a produção de oxigênio não aumentava quando um flash mais intenso era fornecido o sistema fotossintetizante estava saturado com luz Figura 711 Em suas medições da relação entre a produção de oxigênio e a energia do flash Emerson e Arnold se sur preenderam ao descobrir que sob condições de saturação luminosa apenas 1 molécula de oxigênio era produzida para cada 2500 moléculas de clorofila na amostra Hoje sabese que centenas de pigmentos estão associadas a cada centro de reação e que cada centro de reação necessi ta operar quatro vezes para produzir 1 molécula de oxigê nio daí o valor de 2500 clorofilas por O2 Os centros de reação e a maior parte dos complexos antena são componentes integrais da membrana fotossin tética Nos organismos eucarióticos fotossintetizantes tais membranas estão localizadas dentro dos cloroplastos nos procariotos fotossintetizantes o sítio da fotossíntese é a membrana plasmática ou as membranas dela derivadas O gráfico mostrado na Figura 711 permite calcular outro parâmetro importante das reações luminosas da fotossíntese a produtividade quântica A produtividade quântica da fotoquímica Φ é definida da seguinte forma Φ Número de produtos da fotoquímica Número total de quanta absorvidos 75 Comprimento de onda nm 400 500 600 700 Bactérias aerotáticas Cloroplastos espirais Célula de Spirogyra Prisma Luz Figura 79 Diagrama esquemático das medições do espectro de ação por T W Engelmann Engelmann projetou um espectro de luz sobre os cloroplastos espirais da alga verde filamentosa Spirogyra e observou que bactérias dependentes de oxigênio introduzidas no sistema se acumulavam na região do espectro onde havia absorção pelos pigmentos de clorofila Esse espectro de ação forneceu as pri meiras indicações sobre a eficácia da luz absorvida pelos pigmentos no funcionamento da fotossíntese Centro de reação e e Aceptor Doador Moléculas de pigmentos Transferência de energia Transferência de elétrons Complexo antena Luz Figura 710 Conceito básico da transferência de energia durante a fotossíntese Muitos pigmentos juntos servem como uma antena coletando a luz e transferindo sua energia para o centro de reação onde as reações químicas armazenam parte dessa energia por trans ferência de elétrons de um pigmento de clorofila para uma molécula aceptora de elétrons Um doador de elétrons então reduz a clorofi la novamente A transferência de energia na antena é um fenômeno puramente físico e não envolve qualquer alteração química Taiz07indd 177 Taiz07indd 177 27102016 141805 27102016 141805 178 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Na porção linear intensidade luminosa baixa da curva um aumento no número de fótons provoca um aumento proporcional na liberação de oxigênio Assim a inclinação da curva mede a produtividade quântica para a liberação de oxigênio A produtividade quântica de um processo em particular pode variar de 0 se esse processo não respon der à luz a 10 se todos os fótons absorvidos contribuírem para o processo formando um produto Uma discussão mais detalhada da produtividade quântica pode ser en contrada no Tópico 73 na internet Em cloroplastos funcionais mantidos sob iluminação fraca a produtividade quântica da fotoquímica é de cerca de 095 a produtividade quântica da fluorescência é de 005 ou menos e as produtividades quânticas para outros processos são insignificantes Desse modo o resultado mais comum da excitação da clorofila é a fotoquímica Produtos da fotos síntese como O2 necessitam de mais do que um único even to fotoquímico para serem formados e dessa forma pos suem uma menor produtividade quântica de formação do que a produtividade quântica fotoquímica São necessários cerca de 10 fótons para produzir 1 molécula de O2 assim a produtividade quântica da produção de O2 é aproxima damente 01 embora a produtividade quântica fotoquímica para cada etapa no processo seja próxima de 10 A reação química da fotossíntese é impulsionada pela luz É importante considerar que o equilíbrio da reação quí mica mostrada na Equação 74 se inclina fortemente na direção dos reagentes A constante de equilíbrio para a Equação 74 calculada a partir dos valores tabulados de energia livre para a formação de cada composto envolvido é de cerca de 10500 Esse número está tão próximo de zero que se pode ter certeza quase absoluta de que em toda a história do universo nunca uma molécula de glicose foi formada espontaneamente da combinação de H2O e CO2 sem o provimento de energia externa A energia neces sária para impulsionar a reação fotossintética vem da luz Aqui se tem uma forma mais simples da Equação 74 Luz planta CO2 H2O CH2O O2 76 onde CH2O é um sexto de uma molécula de glicose Cer ca de 9 ou 10 fótons de luz são necessários para acionar a reação da Equação 76 Embora a produtividade quântica fotoquímica sob con dições ótimas seja de quase 100 a eficiência da conversão da luz em energia química é muito menor Se luz vermelha de comprimento de onda de 680 nm for absorvida a entra da total de energia ver Equação 72 é de cerca de 1760 kJ por mole de oxigênio formado Essa quantidade de ener gia é mais do que suficiente para impulsionar a reação na Equação 76 a qual possui uma energia livre para mudança do estadopadrão de 467 kJ mol1 Assim a eficiência de conversão de energia luminosa no comprimento de onda ideal em energia química é de cerca de 27 A maior parte dessa energia armazenada é utilizada em processos de ma nutenção celulares a quantidade direcionada à formação de biomassa é muito menor ver Capítulo 9 Não há conflito com o fato de a eficiência quântica fotoquímica produtividade quântica ser de cerca de 10 100 a eficiência de conversão de energia ser de ape nas 27 e a eficiência total de conversão da energia solar ser de apenas uns poucos pontos percentuais A eficiência quântica é uma medida da fração dos fótons absorvidos que participam da fotoquímica a eficiência energética é uma medida de quanto da energia dos fótons absorvidos é estocado como produtos químicos e a eficiência de esto cagem da energia solar é uma medida de quanta energia no espectro solar global é convertida em forma utilizável Os números indicam que quase todos os fótons absorvidos participam da fotoquímica mas apenas cerca de um quar to da energia de cada fóton é estocado o restante é con vertido em calor e apenas aproximadamente metade do espectro solar é absorvida pela planta A eficiência energé tica global de conversão em biomassa incluindo todos os processos de perda e considerando o espectro solar global como fonte de energia é significativamente menor ainda cerca de 43 para plantas C3 e 6 para plantas C4 A luz impulsiona a redução do NADP e a formação do ATP O processo global da fotossíntese é uma reação química redox na qual elétrons são removidos de uma espécie quí mica oxidandoa e adicionados a outra espécie reduzin doa Em 1937 Robert Hill descobriu que na luz tilacoi des de cloroplastos isolados reduzem uma diversidade de compostos como sais de ferro Esses compostos servem como oxidantes no lugar do CO2 conforme mostrado na seguinte equação 4 Fe3 2 H2O 4 Fe2 O2 4 H 77 Energia do flash número de fótons Produtividade máxima 1 O22500 moléculas de clorofila O2 produzido por flash Inclinação inicial produtividade quântica 1 O2910 quanta absorvidos Baixa intensidade Alta intensidade Figura 711 Relação entre a produção de oxigênio e a energia de um flash a primeira evidência da interação entre os pigmentos da antena e o centro de reação Em condições de saturação de energia a quantidade máxima de O2 produzido é uma molécula para cada 2500 moléculas de clorofila Taiz07indd 178 Taiz07indd 178 27102016 141805 27102016 141805 Capítulo 7 Fotossíntese Reações Luminosas 179 Desde então tem se demonstrado que muitos compostos atuam como receptores artificiais de elétrons no que ficou conhecido como reação de Hill A utilização de aceptores artificiais de elétrons tem sido valiosa na elucidação das reações que precedem a redução do carbono A demons tração da liberação do oxigênio ligada à redução de acepto res artificiais de elétrons forneceu as primeiras evidências de que a liberação de oxigênio poderia ocorrer na ausência de dióxido de carbono Além disso ela levou à ideia agora aceita e comprovada de que o oxigênio na fotossíntese se origina da água e não do dióxido de carbono Hoje sabese que durante o funcionamento normal dos sistemas fotossintéticos a luz reduz a nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato NADP que por sua vez serve com agente redutor para a fixação do carbono no ci clo de CalvinBenson ver Capítulo 8 O ATP também é formado durante o fluxo de elétrons da água ao NADP e este também é utilizado na redução do carbono As reações químicas em que a água é oxidada a oxi gênio o NADP é reduzido a NADPH e o ATP é formado são conhecidas como as reações dos tilacoides porque qua se todas até a redução do NADP acontecem dentro dos tilacoides A fixação do carbono e as reações de redução são chamadas de reações do estroma porque as reações de redução do carbono acontecem na região aquosa do cloro plasto o estroma Embora essa divisão seja arbitrária ela é conceitualmente útil Os organismos produtores de oxigênio possuem dois fotossistemas que operam em série No final da década de 1950 vários experimentos confun diram os cientistas que estudavam a fotossíntese Uma dessas pesquisas conduzida por Emerson media a pro dutividade quântica da fotossíntese em função do com primento de onda e revelou um efeito conhecido como a queda no vermelho Figura 712 Se a produtividade quântica é medida nos compri mentos de onda em que a clorofila absorve luz os valores encontrados ao longo de quase toda a faixa são bastante constantes indicando que qualquer fóton absorvido pela clorofila ou outro pigmento é tão efetivo para impulsionar a fotossíntese quanto qualquer outro fóton Entretanto a produtividade cai drasticamente na região de absorção da clorofila na faixa do vermelhodistante acima de 680 nm Essa queda não pode ser causada por um decréscimo na absorção da clorofila pois a produtividade quântica mede apenas a luz que foi efetivamente absorvida Por tanto a luz com comprimentos de onda superiores a 680 nm é muito menos eficiente que a luz com comprimentos de onda mais curtos Outro resultado enigmático foi o efeito de melhora enhancement effect também descoberto por Emerson Ele mediu a taxa de fotossíntese separadamente com luz de dois comprimentos de onda e em seguida usou os dois fei xes de luz ao mesmo tempo Quando luz no vermelho e luz no vermelhodistante foram fornecidas juntas a taxa de fotossíntese foi maior que a soma das taxas com cada um dos comprimentos de onda separadamente uma ob servação surpreendente Essas e outras observações fo ram finalmente explicadas por experimentos realizados na década de 1960 ver Tópico 74 na internet que le varam à descoberta de que dois complexos fotoquímicos hoje conhecidos como fotossistemas I e II PSI e PSII PS photosystem operam em série para realizar as reações de armazenamento de energia da fotossíntese O PSI absorve preferencialmente luz na faixa do ver melhodistante de comprimentos maiores do que 680 nm o PSII absorve preferencialmente luz vermelha de 680 nm e é excitado fracamente por luz vermelhodistante Tal de pendência de comprimentos de onda explica o efeito de melhora e o efeito de queda no vermelho Outras diferen ças entre os fotossistemas são O PSI produz um redutor forte capaz de reduzir o NADP e um oxidante fraco O PSII produz um oxidante muito forte capaz de oxi dar a água e um redutor mais fraco do que aquele produzido pelo PSI O redutor produzido pelo PSII reduz novamente o oxidan te produzido pelo PSI Essas propriedades dos dois fotos sistemas são mostradas esquematicamente na Figura 713 O esquema da fotossíntese mostrado na Figura 713 chamado de esquema Z de ziguezague tornouse a base para a compreensão dos organismos fotossintetizantes produtores de O2 oxigênicos Ele é responsável pela ope ração de dois fotossistemas física e quimicamente distin tos I e II cada um com seus próprios pigmentos da ante na e centros de reação fotoquímicos Os dois fotossistemas estão ligados por uma cadeia transportadora de elétrons 0 01 005 400 500 600 700 Comprimento de onda nm Produtividade quântica da fotossíntese Espectro de absorção Radiação fotossin teticamente ativa Produtividade quântica Figura 712 Efeito de queda no vermelho A produtividade quântica da fotossíntese curva preta superior cai drasticamente na luz vermelhodistante com comprimentos de onda superiores a 680 nm indicando que essa luz sozinha é ineficiente para induzir a fotossíntese A pequena queda nas proximidades dos 500 nm re flete a eficiência um pouco menor da fotossíntese utilizando a luz absorvida pelos pigmentos acessórios carotenoides Taiz07indd 179 Taiz07indd 179 27102016 141805 27102016 141805 180 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Organização do aparelho fotossintético Na seção anterior foram explicados alguns dos princípios físicos subjacentes ao processo de fotossíntese alguns as pectos da funcionalidade de vários pigmentos e algumas das reações químicas realizadas pelos organismos fotos sintetizantes Agora a atenção será voltada para a arquite tura do aparelho fotossintético e para a estrutura de seus componentes visando compreender como a estrutura mo lecular do sistema leva às suas características funcionais O cloroplasto é o local da fotossíntese Nos eucariotos fotossintetizantes a fotossíntese aconte ce na organela subcelular conhecida como cloroplasto A Figura 714 mostra uma micrografia ao microscópio ele trônico de transmissão de um corte fino de um cloroplas to de ervilha O aspecto mais marcante da estrutura do cloroplasto é seu extenso sistema de membranas internas conhecidas como tilacoides Toda a clorofila está contida nesse sistema de membranas que é o local das reações lu minosas da fotossíntese As reações de redução do carbono que são catalisadas por enzimas hidrossolúveis ocorrem no estroma a região do cloroplasto fora dos tilacoides Em sua maioria os ti lacoides parecem estar intimamente associados entre si Essas membranas empilhadas são conhecidas como lame las granais cada pilha individual é chamada de granum e as membranas expostas onde não há empilhamento são conhecidas como lamelas estromais Duas membranas separadas cada uma composta de uma bicamada lipídica e juntas conhecidas como envoltó Oxidante Redutor Potencial redox Fotossistema II Fotossistema I Redutor fraco Luz vermelha Luz vermelho distante Redutor forte Oxidante fraco Oxidante forte P680 P680 P700 P700 2H2O O2 4H e e e e e e Cadeia transportadora de elétrons NADPH NADP Figura 713 Esquema Z da fotossíntese A luz vermelha absorvi da pelo fotossistema II PSII produz um oxidante forte e um redutor fraco A luz vermelhodistante absorvida pelo fotossistema I PSI produz um oxidante fraco e um redutor forte O oxidante forte ge rado pelo PSII oxida a água enquanto o redutor forte produzido pelo PSI reduz o NADP Esse esquema é básico para a compreensão do transporte de elétrons da fotossíntese O P680 e o P700 refe remse ao comprimento de onda de máxima absorção das clorofilas do centro de reação no PSII e no PSI respectivamente Lamelas estromais não empilhadas Membranas externa e interna Tilacoide Lamelas granais empilhadas Estroma Figura 714 Micrografia ao microscópio eletrônico de transmis são de um cloroplasto de ervilha Pisum sativum fixado em gluta raldeído e OsO4 incluído em resina plástica e cortado corte fino com um ultramicrótomo 14500 Cortesia de J Swafford rio circundam a maioria dos tipos de cloroplastos Figu ra 715 Esse sistema de membranas duplas contém uma diversidade de sistemas de transporte de metabólitos O cloroplasto também contém seus próprios DNA RNA e ribossomos Algumas das proteínas do cloroplasto são produtos da transcrição e da tradução dentro do próprio cloroplasto enquanto a maioria das outras é codificada por DNA nuclear sintetizada nos ribossomos citoplasmá ticos e após importada para o interior dos cloroplastos Essa notável divisão de trabalho estendendose em mui tos casos a diferentes subunidades do mesmo complexo enzimático será discutida em mais detalhe no decorrer deste capítulo Para algumas estruturas dinâmicas dos cloroplastos ver Ensaio 71 na internet Taiz07indd 180 Taiz07indd 180 27102016 141805 27102016 141805 Capítulo 7 Fotossíntese Reações Luminosas 181 Os tilacoides contêm proteínas integrais de membrana Uma grande diversidade de proteínas essenciais à fotos síntese está inserida nas membranas dos tilacoides Em muitos casos porções dessas proteínas estendemse para as regiões aquosas em ambos os lados dos tilacoides Es sas proteínas integrais de membrana contêm uma gran de proporção de aminoácidos hidrofóbicos e são portanto muito mais estáveis em um meio não aquoso como a por ção de hidrocarbonos da membrana ver Figura 17A Os centros de reação os complexos pigmentoprotei cos das antenas e muitas das proteínas de transporte de elétrons são proteínas integrais de membrana Em todos os casos conhecidos as proteínas integrais de membrana dos cloroplastos possuem uma orientação específica den tro da membrana As proteínas da membrana dos tilacoi des possuem uma região apontada para o lado do estroma da membrana e a outra orientada na direção do espaço in terno do tilacoide conhecido como lume ver Figura 715 As clorofilas e os pigmentos acessórios de captação de luz localizados nas membranas dos tilacoides estão sem pre associados a proteínas de maneira não covalente po rém altamente específica formando assim os complexos pigmentoproteicos As clorofilas do centro de reação e as da antena associamse a proteínas que estão organizadas dentro das membranas de modo a otimizar a transferên cia de energia nos complexos antena e a transferência de elétrons nos centros de reação ao mesmo tempo minimi zando os processos de perda Os fotossistemas I e II estão separados espacialmente na membrana do tilacoide O centro de reação do PSII junto com sua antena de clorofi las e as proteínas de transporte de elétrons associadas está localizado predominantemente nas lamelas granais Figura 716A O centro de reação PSI junto com seus pigmentos da antena e proteínas da cadeia de transporte de elétrons bem como a enzima ATPsintase que catalisa a formação do ATP é encontrado quase exclusivamente nas lamelas estromais e nas margens das lamelas granais O complexo citocromo b6f da cadeia transportadora de elétrons que co necta os dois fotossistemas é igualmente distribuído entre as lamelas estromais e granais As estruturas de todos esses complexos são mostradas na Figura 716B Assim os dois eventos fotoquímicos que têm lugar na fotossíntese oxigênica estão espacialmente separados Essa separação significa que um ou mais dos carregado res de elétrons que operam entre os fotossistemas se di fundem da região granal da membrana para a região do estroma onde os elétrons são entregues ao PSI Esses car regadores móveis são a proteína cúprica de coloração azu lada plastocianina PC e o cofator orgânico redox plasto quinona PQ Esses carregadores são discutidos em mais detalhes mais adiante neste capítulo No PSII a oxidação de duas moléculas de água pro duz quatro elétrons quatro prótons e um único O2 ver a seção Mecanismos de transporte de elétrons para detalhes Os prótons produzidos pela oxidação da água também devem ser capazes de se difundir para a região do estroma onde o ATP é sintetizado O papel funcional dessa grande separação dezenas de nanômetros entre os fotossistemas I e II não é claro porém se acredita que me lhore a eficiência da distribuição de energia entre os dois fotossistemas A separação espacial entre os fotossistemas I e II indica que não é necessária uma estequiometria estrita umpara um entre os dois fotossistemas Em vez disso os centros de reação PSII fornecem equivalentes redutores para um pool intermediário comum de carregadores lipossolúveis de elétrons plastoquinona O centro de reação PSI remove os equivalentes redutores desse pool comum em vez de um complexo de centro de reação PSII específico A maioria das medições das quantidades relativas de fotossistemas I e II mostra que há um excesso de PSII nos cloroplastos Mais comumente a razão de PSII para PSI está ao redor de 15 PSII para 1 PSI mas isso pode ser al terado quando as plantas são cultivadas sob diferentes con Espaço intermembrana Envoltório externo Lamelas estromais sítio do PSI Lamela estromal Tilacoide Lamelas granais tilacoides empilhados e sítio do PSII Estroma Envoltório interno Granum pilha de tilacoides Tilacoide Lume do tilacoide Figura 715 Representação esquemática da organização geral das membranas no clo roplasto O cloroplasto das plantas superiores está circundado por uma membrana externa e outra interna envoltório A região do cloro plasto que está dentro da membrana interna e circunda os tilacoides é conhecida como es troma Ela contém as enzimas que catalisam a fixação do carbono e outras rotas biossintéti cas As membranas dos tilacoides são altamen te dobradas e parecem em muitas imagens empilhadas como moedas granum embora na realidade formem um ou alguns grandes sistemas de membranas interconectadas com um interior e um exterior bem definidos em re lação ao estroma De Becker 1986 Taiz07indd 181 Taiz07indd 181 27102016 141805 27102016 141805 182 Unidade II Bioquímica e Metabolismo dições de luz Ao contrário da situação nos cloroplastos dos organismos fotossintetizantes eucariotos as cianobactérias geralmente possuem um excesso de PSI em relação a PSII As bactérias anoxigênicas fotossintetizantes possuem um único centro de reação Organismos não produtores de oxigênio anoxigênicos contêm somente um fotossistema similar ao PSI ou PSII Tais organismos mais simples foram muito úteis para estu dos estruturais e funcionais detalhados que contribuíram para uma melhor compreensão da fotossíntese oxigêni ca Na maioria dos casos esses fotossistemas anoxigêni cos realizam transferências cíclicas de elétrons sem uma predominância de redução ou oxidação Parte da energia NADPH ATP ADP Pi H H H H H Citocromo b6f dímero PSII Trímero LHCII Dímero LHCI PSI ATPsintase Estroma Membrana do tilacoide Lume A B Estroma n Membrana do tilacoide Lume do tilacoide p Complexo citocromo b6f O2 2H2O FATPase Plastocianina Luz Luz PQH2 4 Fotossistema II Fotossistema I Ferredoxina Transferência cíclica de elétrons Ferredoxina NADP redutase Figura 716 Organização e estrutura dos quatro principais com plexos proteicos da membrana do tilacoide A O PSII está loca lizado predominantemente na região empilhada das membranas dos tilacoides o PSI e a ATPsintase encontramse na região não empilhada se projetando para o estroma Os complexos citocromo b6f estão distribuídos regularmente nas duas áreas Essa separação lateral dos dois fotossistemas exige que os elétrons e os prótons produzidos pelo PSII sejam transportados por uma distância consi derável antes que possam sofrer a ação do PSI e da enzima respon sável pela união do ATP B Estruturas dos quatro principais comple xos proteicos da membrana dos tilacoides Também são mostrados os dois carregadores de elétrons móveis a plastocianina a qual é localizada no lume do tilacoide e a plastohidroquinona PQH2 localizada na membrana O lume possui uma carga elétrica p posi tiva em relação ao estroma n A de Allen e Forsberg 2001 B de Nelson e BenShem 2004 Taiz07indd 182 Taiz07indd 182 27102016 141805 27102016 141805 Capítulo 7 Fotossíntese Reações Luminosas 183 do fóton é conservada como força motriz de prótons ver p 153 e é utilizada para fabricar ATP Os centros de reação das bactérias purpúreas fotos sintetizantes foram as primeiras proteínas integrais de membrana a ter a estrutura determinada em alta resolu ção ver Figuras 75A e 75B no Tópico 75 na internet A análise detalhada dessas estruturas junto com a carac terização de inúmeros mutantes revelou muitos dos prin cípios envolvidos nos processos de armazenamento de energia realizados pelos centros de reação A estrutura do centro de reação das bactérias purpú reas é considerada similar sob muitos aspectos àquela encontrada no PSII de organismos fotossintetizantes pro dutores de oxigênio em especial na porção receptora de elétrons da cadeia As proteínas que formam o núcleo do centro de reação das bactérias são relativamente similares em sequência às suas contrapartidas no PSII sugerindo um relacionamento evolutivo Uma situação similar é en contrada com respeito aos centros de reação das bactérias verdes sulfurosas anoxigênicas e da heliobactéria em comparação com o PSI As implicações evolutivas desse padrão serão discutidas mais adiante neste capítulo Organização dos sistemas antena de absorção de luz Os sistemas antena das diferentes classes de organismos fotossintetizantes são extraordinariamente variados ao contrário dos centros de reação que parecem ser simila res mesmo entre organismos distantemente relacionados A diversidade de complexos antena reflete a adaptação evo lutiva aos ambientes diferentes nos quais os organismos vivem bem como a necessidade para alguns organismos de equilibrar a entrada de energia aos dois fotossistemas Nesta seção abordase como os processos de transferência de energia absorvem luz e distribuem energia para o cen tro de reação O sistema antena contém clorofila e está associado à membrana Os sistemas antena operam para entregar energia de ma neira eficiente aos fotossistemas aos quais estão associa dos O tamanho do sistema antena varia consideravelmen te em diferentes organismos de 20 a 30 bacterioclorofilas por centro de reação em algumas bactérias fotossinte tizantes a 200 a 300 clorofilas por centro de reação em plantas superiores a alguns milhares de pigmentos por centro de reação em alguns tipos de algas e bactérias As estruturas moleculares dos pigmentos da antena também são bastante variáveis embora todas sejam associadas de alguma maneira às membranas fotossintéticas Em quase todos os casos os pigmentos da antena estão associados a proteínas formando complexos pigmentoproteicos Acreditase que o mecanismo físico pelo qual a ener gia de excitação é conduzida da clorofila que absorve a luz ao centro de reação seja a transferência de energia por ressonância de fluorescência FRET fluorescence resonan ce energy transfer Por esse mecanismo a energia de ex citação é transferida de uma molécula para outra por um processo não radiativo Uma analogia adequada para a transferência por res sonância é a transferência de energia entre dois diapasões Ao se bater um diapasão e colocálo apropriadamente próximo de outro o segundo recebe parte da energia do primeiro e começa a vibrar A eficiência da transferência de energia entre os dois diapasões depende da distância entre eles e de sua orientação relativa bem como de suas frequências de vibração ou oscilação Parâmetros similares afetam a eficiência da transferência de energia nos comple xos antena com a energia substituída por oscilação A transferência de energia nos complexos antena costuma ser muito eficiente cerca de 95 a 99 dos fótons absorvidos pelos pigmentos da antena têm sua energia transferida para o centro de reação onde ela pode ser uti lizada pela fotoquímica Há uma importante diferença entre a transferência de energia entre os pigmentos da an tena e a transferência de elétrons que ocorre no centro de reação enquanto a transferência de energia é um fenôme no puramente físico a transferência de elétrons envolve reações químicas redox A antena canaliza energia para o centro de reação A sequência de pigmentos dentro da antena que canaliza a energia absorvida em direção ao centro de reação possui máximos de absorção que são progressivamente desvia dos em direção a comprimentos de onda mais longos no vermelho Figura 717 Tal alteração em direção ao ver melho no comprimento de onda de máxima absorção sig nifica que a energia do estado excitado é menor próximo ao centro de reação do que na periferia do sistema antena Como consequência desse arranjo quando a excitação é transferida por exemplo de uma molécula de clorofila b com uma absorção máxima a 650 nm para uma molé cula de clorofila a com uma absorção máxima a 670 nm a diferença em energia entre as duas clorofilas excitadas é perdida para o ambiente sob forma de calor Para que a energia de excitação seja transferida de vol ta à clorofila b a energia perdida como calor teria de ser reposta A probabilidade de transferência reversa é por tanto menor simplesmente porque a energia térmica não é suficiente para superar o déficit entre pigmentos de baixa e alta energia Esse efeito dá ao processo de apreensão de energia um grau de direcionalidade ou irreversibilidade e torna a entrega da excitação ao centro de reação mais efi ciente Em essência o sistema sacrifica parte da energia de cada quantum de modo que quase todos os quanta possam ser apreendidos pelo centro de reação Muitos complexos pigmentoproteicos antena possuem um motivo estrutural comum Em todos os organismos eucarióticos fotossintetizantes que contêm as clorofilas a e b as proteínas antena mais abundantes são membros de uma grande família de proteínas estruturalmente relacionadas Algumas dessas Taiz07indd 183 Taiz07indd 183 27102016 141806 27102016 141806 184 Unidade II Bioquímica e Metabolismo B Lume Estroma A Lado estromal C Lado lumenal Luz Alto Baixo Gradiente de energia Energia Absorção de fótons P680 Carotenoides Clorofila b Clorofila a Carotenoides Clorofila b Clorofila a Centro de reação Energia perdida sob forma de calor durante a transferência de excitação Complexos antena Energia do estado excitado do centro de reação disponível para estocagem P680 A B Estadobase de energia Figura 717 Canalização da excitação do sistema antena em di reção ao centro de reação A A energia do estado excitado dos pigmentos aumenta com a distância do centro de reação isto é os pigmentos mais próximos ao centro de reação possuem mais baixa energia que os pigmentos mais distantes Esse gradiente de energia faz a transferência de excitação em direção ao centro de reação ser energeticamente favorável e a transferência de excitação de volta para as porções periféricas da antena ser energeticamente desfavo rável B Por esse processo parte da energia é perdida sob forma de calor para o ambiente mas sob condições ótimas a quase tota lidade das excitações absorvidas pelos complexos antena pode ser transferida para o centro de reação Os asteriscos indicam estados excitados Figura 718 Estrutura do complexo antena LHCII trimérico das plantas superiores O complexo antena é um pigmento proteico transmembrana cada monômero contém três regiões helicoidais que atravessam a porção apolar da membrana O complexo triméri co é mostrado A pelo lado estromal B por dentro da membrana e C pelo lado lumenal Cinza polipeptídeo azulescuro Chl a ver de Chl b laranjaescuro luteína laranjaclaro neoxantina amarelo violaxantina rosa lipídeos De Barros e Kühlbrandt 2009 Taiz07indd 184 Taiz07indd 184 27102016 141806 27102016 141806 Capítulo 7 Fotossíntese Reações Luminosas 185 proteínas estão associadas primeiro ao PSII e são chama das de proteínas do complexo de captura de luz II LHCII lightharvesting complex II outras estão associadas ao PSI e são denominadas proteínas do LHCI Esses complexos antena também são conhecidos como proteínas antenas clorofilas ab A estrutura de uma das proteínas do LHCII já foi de terminada Figura 718 Essa proteína contém três regiões de hélice e ligase a 14 moléculas de clorofila a e b bem como a quatro carotenoides A estrutura das proteínas do LHCI em geral é similar à das proteínas do LHCII Todas essas proteínas têm uma similaridade de sequência sig nificativa e quase todos certamente descendem de uma proteína ancestral comum A luz absorvida por carotenoides ou clorofila b nas proteínas do LHC é rapidamente transferida para a cloro fila a e após para outros pigmentos antena intimamente associados ao centro de reação O complexo LHCII tam bém está envolvido em processos reguladores que são discutidos mais adiante neste capítulo Mecanismos de transporte de elétrons Parte das evidências que levaram à ideia de duas reações fotoquímicas operando em série já foi discutida neste capí tulo Nesta seção são consideradas em detalhe as reações químicas envolvidas na transferência de elétrons durante a fotossíntese São discutidas a excitação da clorofila pela luz e a redução do primeiro aceptor de elétrons o fluxo de elétrons através dos fotossistemas II e I a oxidação da água como fonte primária de elétrons e a redução do acep tor final de elétrons NADP O mecanismo quimiosmó tico que medeia a síntese de ATP é tratado em detalhes mais adiante neste capítulo ver a seção O transporte de prótons e a síntese de ATP no cloroplasto Elétrons oriundos da clorofila viajam através de carregadores organizados no esquema Z A Figura 719 mostra a versão atual do esquema Z no qual todos os carregadores que atuam no fluxo de elétrons desde a água até o NADP estão organizados verticalmente no pon to médio de seus potenciais redox ver Tópico 76 na inter Fotossistema II Fotossistema I P680 P680 P700 P700 2H2O O2 4H Pheo PQA PQB PC Complexo produtor de oxigênio 05 10 15 20 05 10 15 0 Em volts Complexo citocromo b6f Cit b Heme cn Cit b Cit f PQ FeSR FNR Fd A0 A1 FeSX FeSA FeSB Yz Luz Luz 1 2 3 4 1 6 5 NADPH NADP Figura 719 Detalhamento do esquema Z para organismos fo tossintetizantes produtores de O2 Os carregadores redox estão po sicionados no ponto médio de seu potencial redox em pH 7 1 As setas verticais representam a absorção de fótons pelas clorofilas do centro de reação P680 para o fotossistema II PSII e P700 para o fotossistema I PSI A clorofila do centro de reação PSII excita da P680 transfere um elétron para a feofitina Pheo 2 No lado oxidante do PSII à esquerda da seta que une o P680 ao P680 o P680 oxidado pela luz é reduzido novamente pelo Yz o qual re cebeu elétrons via oxidação da água 3 No lado redutor do PSII à direita da seta que une o P680 ao P680 a feofitina transfere elétrons para os aceptores PQA e PQB que são plastoquinonas 4 O complexo citocromo b6f transfere elétrons para a plastocianina PC uma proteína solúvel que por sua vez reduz o P700 P700 oxidado 5 Acreditase que o aceptor de elétrons do P700 A0 seja uma clorofila e o aceptor seguinte A1 uma quinona Uma série de proteínas ferrosulfurosas ligadas à membrana FeSX FeSA e FeS transfere elétrons para uma ferredoxina solúvel Fd 6 A flavo proteína solúvel ferredoxinaNADPredutase FNR reduz o NADP a NADPH o qual é utilizado no ciclo de CalvinBenson para reduzir o CO2 ver Capítulo 8 A linha tracejada indica o fluxo cíclico de elé trons ao redor do PSI De Blankenship e Prince 1985 Taiz07indd 185 Taiz07indd 185 27102016 141806 27102016 141806 186 Unidade II Bioquímica e Metabolismo net para mais detalhes Os componentes que sabidamente reagem entre si estão conectados por setas de modo que o esquema Z é na verdade uma síntese tanto da informação cinética quanto da termodinâmica As grandes setas verti cais representam a entrada de energia luminosa no sistema Os fótons excitam as clorofilas especializadas dos centros de reação P680 para o PSII P700 para o PSI e um elétron é ejetado O elétron passa então por uma série de carregadores e por fim reduz o P700 para os elétrons vindos do PSII ou o NADP para os elétrons vindos do PSI Muito da discussão que segue descreve as jornadas desses elétrons e a natureza de seus carregadores Quase todos os processos químicos que formam as reações da luz são realizados por quatro principais com plexos proteicos o PSII o complexo citocromo b6f o PSI e a ATPsintase Esses quatro complexos integrais de mem brana estão vetorialmente orientados na membrana do ti lacoide para funcionar da seguinte forma Figura 720 ver também Figura 716 O PSII oxida a água a O2 no lume do tilacoide e nesse processo libera prótons no lume O produto reduzido do PSII é a plastohidroquinona PQH2 O citocromo b6f oxida moléculas de PQH2 que foram reduzidas pelo PSII e entrega elétrons ao PSI por in termédio da proteína cúprica solúvel plastocianina A oxidação da PQH2 está acoplada à transferência de prótons do estroma para o lume gerando uma força motriz de prótons O PSI reduz o NADP a NADPH no estroma pela ação da ferredoxina Fd e da flavoproteína ferredoxi naNADPredutase FNR A ATPsintase produz ATP à medida que prótons se difundem através do seu canal central do lume de vol ta ao estroma A energia é capturada quando uma clorofila excitada reduz uma molécula aceptora de elétrons Conforme já discutido a função da luz é excitar uma clorofila especializada no centro de reação por absor ção direta ou mais frequentemente via transferência de energia de um pigmento antena Esse processo de exci tação pode ser visualizado como a promoção de um elé tron do orbital completo de mais elevado nível de ener gia da clorofila ao orbital incompleto de menor energia Figura 721 O elétron no orbital superior está apenas fracamente ligado à clorofila e é facilmente perdido se uma molécula capaz de aceitálo está por perto A primeira reação que converte a energia do elétron em energia química isto é o primeiro evento fotoquí Alto Baixo Gradiente de potencial eletroquímico FNR ESTROMA H baixo LUME H alto Citocromo b6f O2 H2O ATP sintase Plastocianina PC Fd P680 PSII P700 PSI Luz NADPH NADP ATP ADP Pi Luz e e e Plastoquinona PQ PQH2 Oxidação da água H H H H H H Figura 720 A transferência de elétrons e prótons na mem brana do tilacoide é realizada vetorialmente por quatro comple xos proteicos ver Figura 716B para as estruturas A água é oxi dada e os prótons são liberados no lume pelo PSII O PSI reduz o NADP a NADPH no estroma pela ação da ferredoxina Fd e da flavoproteína ferredoxinaNADPredutase FNR Os prótons também são transportados para o lume pelo complexo citocro mo b6f e contribuem para o gradiente eletroquímico de prótons Esses prótons necessitam então difundirse até a enzima ATP sintase onde sua difusão por meio do gradiente de potencial eletroquímico será utilizada para sintetizar ATP no estroma A plastoquinona reduzida PQH2 e a plastocianina transferem elétrons para o citocromo b6f e para o PSI respectivamente As li nhas tracejadas representam a transferência de elétrons as linhas contínuas representam o movimento de prótons Taiz07indd 186 Taiz07indd 186 27102016 141806 27102016 141806 Capítulo 7 Fotossíntese Reações Luminosas 187 mico é a transferência de um elétron do estado excita do de uma clorofila no centro de reação para uma molé cula aceptora Uma maneira equivalente de visualizar o processo é que o fóton absorvido provoca um rearranjo de elétrons na clorofila do centro de reação seguido por um processo de transferência de elétrons em que par te da energia do fóton é capturada na forma de energia redox Imediatamente após o evento fotoquímico a clorofila do centro de reação está em um estado oxidado deficien te em elétrons ou positivamente carregada e a molécula aceptora de elétrons mais próxima é reduzida rica em elé trons ou negativamente carregada O sistema está agora em uma junção crítica O orbital de baixa energia da cloro fila do centro de reação oxidado positivamente carregada mostrado na Figura 721 tem uma vaga e pode aceitar um elétron Se a molécula aceptora doa seu elétron de volta para a clorofila do centro de reação o sistema retornará ao estado existente antes da excitação pela luz e toda a energia absorvida será convertida em calor Entretanto esse processo dispendioso de recombina ção não parece ocorrer de maneira substancial em centros de reação funcionais Em vez disso o aceptor transfe re seu elétron extra para um aceptor secundário e assim por diante dentro da cadeia transportadora de elétrons O centro de reação oxidado da clorofila que havia doado um elétron é reduzido novamente por um doador secundário o qual por sua vez é reduzido por um doador terciário Nas plantas o principal doador de elétrons é a H2O e o principal aceptor é o NADP ver Figura 719 A essência do armazenamento de energia fotossinté tica é portanto a transferência inicial de um elétron de uma clorofila excitada para uma molécula aceptora segui da por uma série muito rápida de reações químicas secun dárias que separam as cargas positivas e negativas Essas reações secundárias separam as cargas para lados opostos da membrana dos tilacoides em cerca de 200 picossegun dos 1 picossegundo 1012 s Com as cargas assim separadas a reação reversa é muitas ordens de grandeza mais lenta e a energia foi cap turada Cada transferência secundária de elétrons é acom panhada pela perda de parte da energia tornando assim o processo efetivamente irreversível A produtividade quântica medida para a produção de produtos estáveis em centros de reação purificados de bactérias fotossintetizan tes foi de 10 isso significa que cada fóton produz produtos estáveis e que não ocorrem reações reversas As exigências quânticas para a liberação de O2 pelas plantas superiores medidas sob condições ideais baixa in tensidade de luz indicam que os valores para os eventos fotoquímicos primários também são muito próximos de 10 A estrutura do centro de reação parece ser extremamente bem sintonizada para taxas máximas de reações produtivas e taxas mínimas de reações desperdiçadoras de energia As clorofilas dos centros de reação dos dois fotossistemas absorvem em comprimentos de onda diferentes Conforme já foi discutido neste capítulo PSI e PSII pos suem características de absorção distintas As medições precisas das máximas de absorção foram possíveis por meio das alterações ópticas nas clorofilas dos centros de reação nos estados reduzidos e oxidados A clorofila do centro de reação está transitoriamente em um estado oxi dado após a perda de um elétron e antes de ser reduzida novamente por seu doador de elétrons No estado oxidado as clorofilas perdem sua caracte rística de forte absorbância de luz na região do vermelho do espectro elas sofrem descoloração bleached Portan to é possível acompanhar o estado redox dessas clorofilas por medições ópticas de absorbância em tempo real em que essa descoloração é monitorada diretamente ver Tó pico 71 na internet Utilizandose essas técnicas foi descoberto que o centro de reação do PSI em seu estado reduzido tem a máxima absorção no comprimento de onda de 700 nm Por isso essa clorofila é chamada de P700 o P significa pigmento O transiente óptico análogo do PSII está em 680 nm de modo que a clorofila de seu centro de reação é conhecida como P680 A bacterioclorofila do centro de reação da bactéria purpúrea fotossintetizante foi similar mente identificada como P870 A estrutura em raio X do centro de reação bacteria no ver Figuras 75A e 75B no Tópico 75 na internet indica claramente que o P870 é um par ou dímero de bac terioclorofilas intimamente ligadas em vez de uma única Propriedades redox do estadobase e do estado excitado da clorofila do centro de reação Orbital aceptor Luz Orbital doador Agente redutor bom Agente oxidante fraco Agente oxidante bom Agente redutor fraco Orbital doador Clorofila em estadobase Clorofila em estado excitado Orbital aceptor Figura 721 Diagrama de ocupação orbital para o estadobase e o estado excitado da clorofila do centro de reação No estadobase a molécula é um agente redutor fraco perde elétrons de um orbital de baixa energia e um agente oxidante fraco aceita elétrons so mente em orbitais de alta energia No estado excitado a situação é marcadamente diferente e um elétron pode ser perdido do orbital de alta energia tornando a molécula um agente redutor extrema mente poderoso Essa é a razão para o potencial redox extrema mente negativo do estado excitado mostrado pelo P680 e pelo P700 na Figura 719 O estado excitado também pode agir como um oxidante forte aceitando um elétron em um orbital de baixa energia embora essa rota não seja significativa para os centros de reação De Blankenship e Prince 1985 Taiz07indd 187 Taiz07indd 187 27102016 141806 27102016 141806 188 Unidade II Bioquímica e Metabolismo molécula O doador primário do PSI P700 também é um dímero de moléculas de clorofila a O PSII também con tém um dímero de clorofilas embora o primeiro evento do transporte de elétrons possa não ser originário desses pigmentos No estado oxidado as clorofilas do centro de reação contêm um elétron não pareado Moléculas com elétrons não pareados em geral po dem ser detectadas por ressonância magnética uma técnica conhecida como ressonância de spin eletrôni co ESR electron spin resonance Estudos de ESR junto com as medições espectroscópicas já descritas levaram à descoberta de muitos dos carregadores intermediários de elétrons no sistema fotossintético de transporte de elétrons O centro de reação do fotossistema II é um complexo pigmento proteico com múltiplas subunidades O PSII está contido em um supercomplexo proteico com múltiplas subunidades Figura 722 Nas plantas supe riores esse supercomplexo proteico com múltiplas subu nidades possui dois centros de reação completos e alguns complexos antena O núcleo do centro de reação consiste em duas proteínas de membrana conhecidas como D1 e D2 bem como outras proteínas como mostrado na Figura 723 e no Tópico 77 na internet Clorofilas doadoras primárias clorofilas adicionais ca rotenoides feofitinas e plastoquinonas dois aceptores de elétrons descritos a seguir são ligados às proteínas de mem branas D1 e D2 Essas proteínas possuem alguma similari dade de sequência com os peptídeos L e M de bactérias pur púreas Outras proteínas servem como complexos antena ou estão envolvidas na liberação do oxigênio Alguns como o citocromo b559 não têm função conhecida mas podem estar envolvidos em um ciclo de proteção ao redor do PSII A água é oxidada a oxigênio pelo fotossistema II A água é oxidada de acordo com a seguinte reação química 2 H2O O2 4 H 4 e 78 Essa equação indica que quatro elétrons são removidos de duas moléculas de água gerando uma molécula de oxigênio e quatro íons hidrogênio Para mais reações de oxidaçãoredução ver Apêndice 1 na internet e Tópico 76 na internet A água é uma molécula muito estável A oxidação da água para formar oxigênio molecular é muito difícil o complexo fotossintético de liberação de oxigênio é o único sistema bioquímico conhecido que realiza essa reação e é a fonte de quase todo o oxigênio da atmosfera terrestre Muitos estudos já forneceram uma quantidade subs tancial de informação sobre o processo ver Tópico 77 na internet Os prótons produzidos pela oxidação da água são liberados dentro do lume do tilacoide não diretamente A CP43 CP43 CP43 CP47 CP47 CP47 CP47 CP43 CP26 CP26 CP29 CP29 B C D2 D2 D2 D1 D1 D1 D2 D1 LHCII LHCII 23 33 Figura 722 Estrutura do supercomplexo pro teico dimérico com múltiplas subunidades do PSII das plantas superiores determinada por microsco pia eletrônica A figura mostra dois centros de rea ção completos sendo cada um deles um complexo dimérico A Arranjo helicoidal das subunidades núcleo D1 e D2 vermelho e CP43 e CP47 verde B Visão do lado lumenal do supercomplexo in cluindo complexos antena adicionais LHCII CP26 e CP29 e de um complexo extrínseco de liberação do oxigênio representados como círculos laranja e amarelo Outras hélices são mostradas em cinza C Visão lateral do complexo ilustrando o arranjo das proteínas extrínsecas do complexo de liberação de oxigênio De Barber et al 1999 Taiz07indd 188 Taiz07indd 188 27102016 141806 27102016 141806 Capítulo 7 Fotossíntese Reações Luminosas 189 Psbl OEC CP43 PsbZ PsbK PsbJ PsbN Cit b559 PsbX CP47 D2 PQB D1 PsbL PQA PsbT PsbT PsbT PsbM PsbH Fe não heme B C Eixo duplo ESTROMA A LUME Eixo duplo PQB CP43 Fe não heme Heme b559 OEC PsbV Heme c550 PsbU PsbO CP47 VI V IV III I II A B C E D D E C A B β α I II II I VI V III IV Mn1 W4 W4 W3 W3 Ca Ca Glu 342 Glu 342 His 332 His 332 His 337 His 337 Glu 333 Glu 333 Glu 170 Glu 170 Glu 61 Glu 61 Glu 189 Glu 189 Arg 357 Arg 357 Glu 354 Glu 354 W1 W1 W2 W2 O1 O1 O3 O3 O4 O4 O5 O5 Mn3 Mn3 Mn4 Mn4 Mn2 Mn2 Mn1 Ala 344 Ala 344 PsbZ I W4 W4 W3 W3 Ca Ca C Glu 342 Glu Glu 342 His 332 His 332 His 337 His 337 Glu 333 u Glu 333 Glu 170 Glu Glu 170 Glu 61 Glu 6 Glu 61 Glu 189 u Glu 189 Arg 357 g Arg 357 Glu 354 Glu Glu 354 W1 W1 W2 W2 O1 O1 O O3 O3 O O4 O4 O5 O5 O5 Mn3 Mn3 Mn4 Mn4 Mn2 Mn2 Mn1 Mn1 Ala 344 Ala 344 O2 O2 O2 no compartimento estromal ver Figura 720 Eles são liberados dentro do lume devido à natureza vetorial da membrana e porque o complexo produtor de oxi gênio está localizado próximo da superfície interna da membrana do tilacoide Esses prótons são por fim transferidos do lume para o estroma por translocação pela ATPsintase Dessa maneira os prótons libera dos durante a oxidação da água contribuem para o potencial eletroquímico que impulsiona a formação do ATP Sabese já há muitos anos que o manganês Mn é um cofator essencial no processo de oxidação da água ver Capítulo 5 e uma hipótese clássica na pesquisa sobre fotossíntese postula que íons Mn sofrem uma série de oxidações conhecidas como estados S e rotuladas S0 S1 S2 S3 e S4 ver Tópico 77 na internet que são possivelmente ligadas à oxidação da H2O e à geração de O2 Essa hipótese tem recebido forte apoio de uma grande diversidade de experimentos notadamente de estudos de absorção de raios X e ESR ambos detectando diretamente os íons Mn Experimentos analíticos indicam que quatro átomos de Mn estão associados a cada complexo de libe ração de oxigênio Outros experimentos mostram que íons Cl e Ca2 são essenciais para a liberação de O2 ver Tópico 77 na internet O mecanismo químico detalhado de oxi dação da água a O2 ainda não é bem conhecido entretanto com as informações estruturais hoje disponíveis progres sos rápidos estão sendo feitos nessa área Um carregador de elétrons geralmente identificado como Yz funciona entre o complexo de liberação de oxigênio e o P680 ver Figura 719 Para funcionar nessa região Yz ne cessita de uma forte tendência para reter seus elétrons Essa espécie foi identificada como um radical formado de um re síduo de tirosina na proteína D1 do centro de reação do PSII Feofitina e duas quinonas recebem elétrons do fotossistema II Estudos espectrais e de ESR revelaram o arranjo estru tural dos carregadores no complexo aceptor de elétrons A feofitina uma clorofila onde o íon magnésio central foi substituído por dois íons hidrogênio atua como um acep tor inicial no PSII Essa alteração estrutural confere à feo Figura 723 Estrutura do centro de reação do PSII da cianobactéria Thermosynechococcus elonga tus em uma resolução de 35 Å A estrutura inclui as proteínasnúcleo do centro de reação D1 amarelo e D2 laranja as proteínas antena CP43 verde e CP47 vermelho os citocromos b559 e c550 a proteína ex trínseca de 33 kDa liberadora de oxigênio PsbO azul escuro além dos pigmentos e de outros cofatores A Visão lateral paralela ao plano da membrana B Visão da superfície lumenal perpendicular ao plano da membrana C Detalhe do complexo de decom posição da água contendo Mn A B de Ferreira et al 2004 C de Umena et al 2011 Taiz07indd 189 Taiz07indd 189 27102016 141806 27102016 141806 190 Unidade II Bioquímica e Metabolismo fitina propriedades químicas e espectrais ligeiramente di ferentes das características das clorofilas baseadas em Mg A feofitina passa elétrons para um complexo formado por duas plastoquinonas intimamente relacionadas a um íon ferro Os processos assemelhamse muito àqueles encon trados no centro de reação de bactérias purpúreas para mais detalhes ver Figura 75B no Tópico 75 na internet As duas plastoquinonas PQA e PQB estão ligadas ao centro de reação e recebem elétrons da feofitina de manei ra sequencial A transferência dos dois elétrons para PQB reduz esta a PQB 2 e a PQB 2 reduzida toma dois prótons do meio no lado do estroma produzindo uma plasto hidroquinona PQH2 completamente reduzida Figura 724 A PQH2 então dissociase do complexo do centro de reação e entra na porção hidrocarbonada da membra na onde por sua vez transfere seus elétrons para o com plexo citocromo b6f Diferentemente dos grandes comple xos proteicos da membrana do tilacoide a PQH2 é uma molécula pequena apolar que se difunde com facilidade no núcleo apolar da bicamada da membrana Plastoquinona A B Plastoquinona PQ Plastossemiquinona PQ Plastohidroquinona PQH2 O O CH2 C CH H3C H3C CH29 H O O R H3C H3C O O R H3C H3C OH OH R H3C H3C e 1 e 2 H CH3 Figura 724 Estrutura e reações da plastoquinona que opera no PSII A A plastoquinona consiste em uma cabeça quinoide e uma longa cau da apolar que a ancora na membrana B Reações redox da plastoquino na Estão representadas as formas da quinona totalmente oxidada PQ plastossemiquinona aniônica PQ e plastohidroquinona reduzida PQH2 R representa a cadeia lateral ESTROMA PQ PQH2 Membrana do tilacoide LUME e e e e e e 2H H PC Cluster 2Fe2S Heme b Heme f Heme cn Figura 725 Estrutura do complexo citocromo b6f de cianobac térias O diagrama à direita mostra o arranjo das proteínas e dos cofatores no complexo A proteína citocromo b6 é representada em azul o citocromo f em vermelho a proteína Rieske ferrosul furosa em amarelo e outras subunidades menores são mostradas em verde e roxo No lado esquerdo as proteínas foram omitidas para mostrar com maior clareza as posições dos cofatores Cluster 2 Fe2S porção da proteína Rieske ferrosulfurosa PC plastocia nina PQ plastoquinona PQH2 plastohidroquinona De Kurisu et al 2003 Taiz07indd 190 Taiz07indd 190 27102016 141806 27102016 141806 Capítulo 7 Fotossíntese Reações Luminosas 191 O fluxo de elétrons através do complexo citocromo b6f também transporta prótons O complexo citocromo b6 f é uma grande proteína dotada de múltiplas subunidades com muitos grupos prostéticos Figura 725 Ele contém dois hemes do tipo b e um do tipo c citocromo f Nos citocromos do tipo c o heme está covalentemente ligado ao peptídeo nos citocromos do tipo b o grupo protoheme quimicamente similar não está co valentemente ligado ver Tópico 78 na internet O com plexo ainda contém uma proteína Rieske ferrosulfurosa assim denominada em homenagem ao cientista que a descobriu na qual dois átomos de ferro estão ligados em uma ponte por dois íons sulfeto Os papéis de todos esses cofatores são razoavelmente bem compreendidos como descrito a seguir Entretanto o complexo citocromo b6f também contém cofatores adicionais incluindo um grupo heme chamado heme cn uma clorofila e um carotenoide adicionais cujas funções ainda não estão estabelecidas As estruturas do complexo citocromo b6f e do complexo citocromo bc1 a ele relacionado na cadeia de transporte mi tocondrial de elétrons ver Capítulo 12 sugere um mecanis mo para fluxo de elétrons e prótons A maneira precisa pela qual os elétrons e os prótons fluem pelo complexo citocro mo b6f ainda não está elucidada por completo mas um me canismo conhecido como ciclo Q é responsável pela maioria dos eventos observados Nesse mecanismo a PQH2 tam bém chamada de plastoquinol é oxidada e um dos dois elé trons é passado ao longo da cadeia linear de transporte de elétrons em direção ao PSI enquanto o outro elétron passa por um processo cíclico que aumenta o número de prótons bombeados através da membrana Figura 726 Na cadeia linear de transporte de elétrons a proteína Rieske FeSR oxidada aceita um elétron da PQH2 e o trans fere para o citocromo f ver Figura 726A O citocromo f então transfere um elétron para a proteína cúprica de cor azulada plastocianina PC que por sua vez reduz o P700 oxidado do PSI Na porção cíclica do processo ver Figura 726B a plastossemiquinona ver Figura 724 transfere seu outro elétron para um dos hemes do tipo b liberando seus dois prótons para o lado lumenal da membrana O primeiro heme do tipo b transfere seu elétron atra vés do segundo heme do tipo b para uma molécula de plastoquinona oxidada reduzindoa à forma de semiqui nona próximo à superfície estromal do complexo Outra sequência similar do fluxo de elétrons reduz comple tamente a plastoquinona que capta prótons do lado es tromal da membrana e é liberada do complexo b6f como plastohidroquinona Membrana do tilacoide ESTROMA LUME Plastocianina PC PSII PSI P700 PSI P700 e e e e e e Complexo citocromo b6f A Primeira QH2 oxidada PQ 2 H PQH2 PQ Heme cn Heme cn Cit b Cit f Cit b FeSR PQ Membrana do tilacoide ESTROMA LUME Plastocianina PC e e e e e e Complexo citocromo b6f B Segunda QH2 oxidada PQ 2 H 2 H PQH2 PQH2 Cit b Cit f Cit b FeSR PSII PQ Figura 726 Mecanismo de transferência de elétrons e prótons no complexo citocromo b6f Esse complexo contém dois citocromos do tipo b Cit b um citocromo do tipo c Cit c historicamente chamado de citocromo f uma proteína Rieske FeS FeSR e dois sítios de oxidação redução de quinonas A Processo acíclico ou linear uma molécula de plastohidroquinona PQH2 produzida pela ação do PSII ver Figura 724 é oxidada próximo do lado lumenal do complexo transferindo seus dois elé trons para a proteína Rieske FeS e um dos citocromos do tipo b e simultaneamente expelindo dois prótons para o lume O elétron transferido para a FeSR é passado para o citocromo f Cit f e daí para a plastocianina PC a qual irá reduzir o P700 do PSI O citocromo do tipo b reduzi do transfere um elétron ao outro citocromo do tipo b o qual irá reduzir uma plastoquinona PQ ao estado de plastossemiquinona PQ ver Figura 724 B Processo cíclico uma segunda PQH2 é oxidada com um elétron indo da FeSR para a PC e finalmente para o P700 O se gundo elétron viaja através dos dois citocromos do tipo b e reduz a plastossemiquinona a plastohidroquinona captando ao mesmo tempo dois prótons do estroma Globalmente quatro prótons são transportados pela membrana para cada dois elétrons enviados ao P700 Taiz07indd 191 Taiz07indd 191 27102016 141807 27102016 141807 192 Unidade II Bioquímica e Metabolismo O resultado global de duas reciclagens turnovers do complexo é que dois elétrons são transferidos ao P700 duas plastohidroquinonas são oxidadas à forma de plas toquinona e uma plastoquinona oxidada é reduzida à for ma de plastohidroquinona No processo de oxidação das plastoquinonas quatro prótons são transferidos do lado estromal para o lado lumenal da membrana Por esse mecanismo o fluxo de elétrons que conecta o lado aceptor do centro de reação do PSII ao lado doador do centro de reação do PSI também gera um potencial eletro químico através da membrana devido em parte a diferen ças de concentração de H nos dois lados dessa membra na Esse potencial eletroquímico é utilizado para fornecer energia à síntese de ATP O fluxo cíclico de elétrons pelo citocromo b e plastoquinona aumenta o número de prótons bombeados por elétron para além do que poderia ser obtido em uma sequência estritamente linear A plastoquinona e a plastocianina transportam elétrons entre os fotossistemas II e I A localização dos dois fotossistemas em diferentes locais nas membranas do tilacoide ver Figura 716 exige que pelo menos um componente seja capaz de se movimentar ao longo ou no interior da membrana a fim de entregar os elétrons produzidos pelo PSII ao PSI O complexo citocro mo b6f está distribuído igualmente entre as regiões granal e estromal das membranas porém seu tamanho grande tornao pouco provável como carregador móvel Em vez disso considerase que a plastoquinona ou a plastociani na ou possivelmente ambas sirvam como carregadores móveis para conectar os dois fotossistemas A plastocianina PC é uma proteína cúprica peque na 105 kDa hidrossolúvel que transfere elétrons entre o complexo citocromo b6f e o P700 Essa proteína é encon trada no espaço lumenal ver Figura 726 Em certas algas verdes e cianobactérias um citocromo do tipo c é encon trado às vezes em vez da PC a síntese de uma dessas duas proteínas depende da quantidade de cobre disponí vel ao organismo O centro de reação do fotossistema I reduz o NADP O complexo do centro de reação PSI é um grande com plexo proteico com múltiplas subunidades Figura 727 Diferentemente do PSII onde as clorofilas da antena estão associadas ao centro de reação mas presentes em pigmen tos proteicos separados uma antenanúcleo consistindo em cerca de 100 clorofilas é parte integral do centro de reação PSI A antenanúcleo e o P700 estão ligados a duas proteínas PsaA e PsaB com massas moleculares na faixa de 66 a 70 kDa ver Tópico 78 na internet O complexo do centro de reação PSI de ervilhas contém quatro comple xos LHCI além de uma estrutura do núcleo similar àquela encontrada em cianobactérias ver Figura 727 O número total de moléculas de clorofila nesse complexo é de apro ximadamente 200 e e e e LUME ESTROMA Ferredoxina Fd A0 A1 FeSB G H A P700 FeSA FeSX PC PC Luz D C E K J L I F N Proteína principal PsaA Proteína principal PsaB Filoquinona Proteína secundária PsaN Molécula de clorofila B Cluster FeS Molécula de clorofila Fita proteica para o complexo LHCI Figura 727 Estrutura do PSI A Modelo estrutural do centro de reação do PSI das plantas superiores Os componentes do centro de reação do PSI estão organizados ao redor de duas proteínas núcleo principais PsaA e PsaB Proteínas secundárias PsaC a PsaN estão identificadas como C a N Os elétrons são transferidos da plastocianina PC para o P700 ver Figuras 719 e 720 e daí para uma molécula de clorofila A0 para uma filoquinona A1 para os centros FeS FeSX FeSA e FeSB e finalmente para a proteína ferro sulfurosa solúvel ferredoxina Fd B Estrutura do complexo do centro de reação do PSI de ervilha em uma resolução de 44 Å incluindo os complexos antena LHCI Esta é a visão do lado estromal da membrana A de Buchanan et al 2000 B de Nelson e Ben Shem 2004 Taiz07indd 192 Taiz07indd 192 27102016 141807 27102016 141807 Capítulo 7 Fotossíntese Reações Luminosas 193 Os pigmentos da antenanúcleo formam um bojo ao redor dos cofatores de transferência de elétrons que se en contram no centro do complexo Na sua forma reduzida todos os transportadores de elétrons que atuam na região aceptora do PSI são agentes redutores extremamente for tes Essas espécies reduzidas são muito instáveis e por isso de difícil identificação As evidências indicam que um desses aceptores primários é uma molécula de clorofila e outro é uma espécie de quinona filoquinona também conhecida como vitamina K1 Aceptores adicionais de elétrons incluem uma série de três proteínas ferrosulfurosas associadas à membra na também conhecidas como centros FeS FeSX FeSA e FeSB ver Figura 727 O centro FeS X é parte da proteína ligante P700 os centros A e B residem em uma proteína de 8 kDa que faz parte do complexo do centro de reação PSI Elétrons são transferidos através dos centros A e B para a ferredoxina Fd uma pequena proteína ferrosulfurosa hidrossolúvel ver Figuras 719 e 727 A flavoproteína as sociada à membrana ferredoxinaNADPredutase FNR reduz o NADP a NADPH completando assim a sequên cia do transporte acíclico de elétrons que inicia com a oxi dação da água Além da redução do NADP a ferredoxina reduzida produzida pelo PSI possui várias outras funções no clo roplasto como o suprimento de redutores para reduzir o nitrato e a regulação de algumas das enzimas da fixação do carbono ver Capítulo 8 O fluxo cíclico de elétrons gera ATP mas não NADPH Alguns dos complexos citocromo b6f são encontrados na região do estroma da membrana onde está localizado o PSI Sob certas circunstâncias sabese que pode ocorrer um fluxo cíclico de elétrons a partir do lado redutor do PSI via plastohidroquinona e complexo b6f e de volta ao P700 Esse fluxo cíclico de elétrons está acoplado ao bom beamento de prótons para o lume os quais podem ser uti lizados para a síntese de ATP mas não oxida água ou reduz NADP ver Figura 716B O fluxo cíclico de elétrons é es pecialmente importante como uma fonte de ATP nos cloro plastos da bainha do feixe vascular de algumas plantas que possuem o tipo C4 de fixação de carbono ver Capítulo 8 O mecanismo molecular do fluxo cíclico de elétrons ainda não é completamente compreendido Algumas proteínas envolvidas na regulação do processo estão sendo desco bertas e esta se mantém uma área ativa de pesquisas Alguns herbicidas bloqueiam o fluxo fotossintético de elétrons O uso de herbicidas para matar plantas indesejáveis é lar gamente adotado na agricultura moderna Muitas classes diferentes de herbicidas foram desenvolvidas Alguns agem bloqueando a biossíntese de aminoácidos carote noides ou lipídeos ou perturbando a divisão celular Ou tros herbicidas como diclorofenildimetilureia DCMU também conhecido como diuron e paraquat bloqueiam o fluxo de elétrons fotossintéticos Figura 728 O DCMU bloqueia o fluxo de elétrons nos acepto res quinona do PSII competindo pelo sítio de ligação da plastoquinona que normalmente é ocupado pela PQB O paraquat aceita elétrons dos aceptores primários do PSI e então reage com o oxigênio para formar superóxido O2 uma espécie que é muito prejudicial aos componentes do cloroplasto O transporte de prótons e a síntese de ATP no cloroplasto As seções anteriores mostraram como a energia capturada da luz é utilizada para reduzir o NADP a NADPH Outra fração dessa energia capturada é utilizada para a síntese do ATP dependente de luz que é conhecida como fotofosfo rilação Esse processo foi descoberto por Daniel Arnon e colaboradores na década de 1950 Sob condições celulares normais a fotofosforilação requer fluxo de elétrons embora sob certas condições o fluxo de elétrons e a fotofosforila ção possam ocorrer independentemente O fluxo de elétrons sem o acompanhamento da fosforilação é dito desacoplado Hoje é amplamente aceito que a fotofosforilação fun ciona via mecanismo quimiosmótico Esse mecanismo foi proposto pela primeira vez por Peter Mitchell na década de 1960 O mesmo mecanismo geral aciona a fosforilação durante a respiração aeróbia em bactérias e mitocôndrias ver Capítulo 12 bem como a transferência de muitos P680 P680 P700 P700 H2O O2 PQA PQB DCMU Paraquat NADPH NADP DCMU diuron diclorofenildimetilureia Paraquat metilviologênio A B Cl Cl Cl Cl N H C O NCH32 CH3 CH3 N N Figura 728 Estrutura química e mecanismo de ação de dois im portantes herbicidas A Estrutura química do diclorofenildimetilu reia DCMU e do metilviologênio paraquat dois herbicidas que bloqueiam o fluxo de elétrons fotossintéticos O DCMU também é conhecido como diuron B Sítios de ação dos dois herbicidas O DCMU bloqueia o fluxo de elétrons nos aceptores de plastoqui nona do PSII por competição pelo sítio de ligação da plastoquinona O paraquat atua recebendo elétrons dos aceptores primários do PSI Taiz07indd 193 Taiz07indd 193 27102016 141807 27102016 141807 194 Unidade II Bioquímica e Metabolismo íons e metabólitos através de membranas ver Capítulo 6 A quimiosmose parece ser um aspecto unificador dos pro cessos de membrana em todas as formas de vida No Capítulo 6 foi discutido o papel das ATPases na quimiosmose e no transporte de íons na membrana plasmática das células O ATP utilizado pela ATPase da membrana plasmática é sintetizado pela fotofosforilação no cloroplasto e pela fosforilação oxidativa na mitocôn dria Aqui o interesse é a quimiosmose e as diferenças de concentração transmembrana de prótons utilizados para produzir ATP no cloroplasto O princípio básico da quimiosmose é que as diferenças na concentração de íons e as diferenças no potencial elétrico através das membranas são uma fonte de energia livre que pode ser utilizada pela célula Conforme descrito pela se gunda lei da termodinâmica ver Apêndice 1 na internet para uma discussão mais detalhada qualquer distribuição não uniforme de matéria ou energia representa uma fonte de energia As diferenças no potencial químico de qualquer espécie molecular cujas concentrações não são as mesmas em lados opostos de uma membrana proporcionam tal fonte de energia A natureza assimétrica da membrana fotossintética e o fato de que o fluxo de prótons de um lado para outro da membrana acompanha o fluxo de elétrons foram discuti dos anteriormente A direção da translocação de prótons é tal que o estroma se torna mais alcalino menos íons H e o lume mais ácido mais íons H como consequência do transporte de elétrons ver Figuras 720 e 726 Algumas das primeiras evidências respaldando o me canismo quimiosmótico da formação fotossintética de ATP foram fornecidas pelo elegante experimento conduzido por André Jagendorf e colaboradores Figura 729 Eles coloca ram tilacoides de cloroplastos em uma suspensãotampão de pH 4 e o tampão difundiuse através da membrana causando um equilíbrio nesse pH ácido entre o interior e o exterior do tilacoide Eles então transferiram rapidamente os tilacoides para um tampão de pH 8 criando assim uma diferença de pH de 4 unidades através da membrana do ti lacoide com o interior mais ácido em relação ao exterior Eles constataram que grandes quantidades de ATP eram formadas a partir de ADP Pi por esse processo sem a entrada de luz ou o transporte de elétrons Esse re sultado dá suporte às predições da hipótese quimiosmóti ca descrita nos parágrafos seguintes Mitchell propôs que a energia total disponível para a síntese de ATP a qual chamou de força motriz de prótons p é a soma de um potencial químico de prótons e um potencial elétrico transmembrana Esses dois componen tes da força motriz de prótons do lado de fora da membra na para o interior são dados pela seguinte equação p E 59pHi pHo 79 onde ΔE é o potencial elétrico transmembrana e pHi pH0 ou ΔpH é a diferença de pH através da membrana A constante de proporcionalidade a 25oC é 59 mV por uni dade de pH de forma que uma diferença transmembrana de 1 unidade de pH é equivalente a um potencial de mem brana de 59 mV A maior parte das evidências sugere que o equilíbrio dinâmico do potencial elétrico é relativamente pequeno nos cloroplastos de forma que a maior parte da força motriz de prótons é derivada do gradiente de pH Além da necessidade dos carregadores móveis de elé trons já discutidos a distribuição desigual dos fotossistemas II e I e da ATPsintase na membrana do tilacoide ver Figu ra 716 representa uma das dificuldades encontradas para a formação do ATP A ATPsintase é encontrada apenas nas lamelas estromais e nas margens das pilhas de grana Os prótons bombeados através da membrana pelo complexo ci tocromo b6f ou os prótons produzidos pela oxidação da água no meio dos grana necessitam se movimentar lateralmente várias dezenas de nanômetros para alcançar a ATPsintase O ATP é sintetizado por um complexo enzimático massa de 400 kDa conhecido por vários nomes ATPsin tase ATPase pela reação reversa da hidrólise do ATP e CFoCF1 Essa enzima consiste em duas partes uma porção Meio tamponado Equilíbrio Transferência dos tilacoides Tilacoides do cloroplasto pH 4 pH 4 pH 8 pH 8 ATP ADP Pi ADP Pi No escuro Figura 729 Resumo do experimento realizado por Jagendorf e colaboradores Os tilacoides isolados de cloroplastos e mantidos previamente em pH 8 são equilibrados em um meio ácido em pH 4 Os tilacoides são então transferidos para um tampão em pH 8 contendo ADP e Pi O gradiente de prótons gerado por essa mani pulação forneceu uma força propulsora para a síntese de ATP na ausência da luz Esse experimento confirmou as predições da teoria quimiosmótica segundo a qual um potencial químico através da membrana pode fornecer energia para a síntese de ATP De Jagen dorf 1967 Taiz07indd 194 Taiz07indd 194 27102016 141807 27102016 141807 Capítulo 7 Fotossíntese Reações Luminosas 195 hidrofóbica ligada à membrana chamada de CFo e uma porção que sai da membrana para dentro do estroma cha mada de CF1 Figura 730 A CFo parece formar um canal através da membrana pelo qual os prótons podem passar A CF1 é formada por vários peptídeos incluindo três cópias de cada um dos peptídeos e arranjados alternadamen te de forma similar aos gomos de uma laranja Enquan to os sítios catalíticos estão localizados principalmente nos polipeptídeos acreditase que muitos dos outros peptídeos tenham funções primordialmente de regulação A CF1 é a porção do complexo onde o ATP é sintetizado A estrutura molecular da ATPsintase mitocondrial já foi determinada por cristalografia de raios X Embora exis tam diferenças significativas entre as enzimas dos cloro plastos e das mitocôndrias elas têm a mesma arquitetura geral e provavelmente sítios catalíticos quase idênticos Na verdade existem similaridades marcantes na forma como o fluxo de elétrons está acoplado à translocação de prótons nos cloroplastos nas mitocôndrias e nas bactérias purpúreas Figura 731 Outro aspecto marcante do me canismo da ATPsintase é que o ramo interno e provavel mente muito da porção CFo da enzima giram durante a catálise A enzima é na realidade um minúsculo motor molecular ver Tópicos 79 e 124 na internet Três molé culas de ATP são sintetizadas em cada rotação da enzima A imagem microscópica direta da porção CFo da ATP sintase do cloroplasto indica que ela contém 14 cópias da subunidade integral de membrana Cada subunidade pode translocar um próton através da membrana em cada rotação do complexo Isso sugere que a estequiometria de prótons translocados para ATP formados é de 143 ou 467 Os valores medidos desse parâmetro em geral são menores que esse valor e as razões para essa discrepância ainda não são compreendidas Reparo e regulação da maquinaria fotossintética Os sistemas fotossintéticos enfrentam um desafio espe cial Eles são construídos para absorver grandes quanti dades de energia luminosa e transformála em energia química Em nível molecular a energia presente em um fóton pode ser danosa especialmente sob condições des favoráveis A energia luminosa em excesso pode levar à produção de espécies tóxicas tais como superóxidos oxi gênio singleto e peróxidos podendo ocorrer danos se tal energia luminosa não for dissipada com segurança Os organismos fotossintetizantes portanto possuem meca nismos complexos de regulação e reparo Alguns desses mecanismos regulam o fluxo de energia no sistema de antenas a fim de evitar excesso de excitação dos centros de reação e garantir que os dois fotossistemas sejam igualmente acionados Embora muito efetivos esses processos não são inteiramente à prova de falhas e às ve zes compostos tóxicos são produzidos Mecanismos adi cionais são necessários para dissipar esses compostos em particular as espécies tóxicas de oxigênio Nesta seção é examinado como alguns desses processos funcionam para proteger o sistema contra os danos causados pela luz A despeito desses mecanismos de proteção e de limpeza podem ocorrer danos sendo necessários mecanismos adicio nais para reparar o sistema A Figura 732 oferece uma visão geral dos vários níveis dos sistemas de regulação e reparo H ATP ADP Pi α α α β β β δ γ ε c β β CF1 H H H H Estroma Membrana do tilacoide Membrana do tilacoide Lume do tilacoide Estroma Lume do tilacoide F1 CFo A B a Figura 730 Composição das subunidades A e estrutura cris talina compilada B da ATPsintase F1F0 cloroplástica Essa enzima consiste em um grande complexo com múltiplas subunidades CF1 ligado no lado estromal da membrana a uma porção integral de membrana conhecida como CFo A CF1 consiste em cinco diferen tes polipeptídeos com uma estequiometria de 33 A CFo provavelmente contém quatro diferentes polipeptídeos com uma estequiometria de a b b c14 Prótons provenientes do lume são transportados pelo polipeptídeo giratório c e ejetados no lado do estroma A estrutura é muito semelhante à da ATPsintase F1Fo mito condrial ver Capítulo 12 e da ATPase tipo V vacuolar ver Capítulo 6 Cortesia de W Frasch Taiz07indd 195 Taiz07indd 195 27102016 141807 27102016 141807 196 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Os carotenoides servem como agentes fotoprotetores Além de sua função como pigmentos acessórios os carote noides desempenham um papel essencial na fotoproteção As membranas fotossintéticas podem ser facilmente danifi cadas pelas grandes quantidades de energia absorvida pelos pigmentos se essa energia não puder ser armazenada pela fotoquímica essa é a razão da necessidade de um meca nismo de proteção O mecanismo de fotoproteção pode ser visto como uma válvula de segurança liberando o excesso de energia antes que possa danificar o organismo Quando a energia armazenada nas clorofilas em seu estado excitado é rapidamente dissipada pela transferência de excitação ou fotoquímica o estado de excitação é dito quenched Se o estado excitado da clorofila não é rapidamente quenched pela transferência de excitação ou pela fotoquími ca ela pode reagir com o oxigênio molecular para formar um estado excitado do oxigênio conhecido como oxigênio singleto 1O2 O oxigênio singleto extremamente reativo segue em frente reagindo e danificando muitos compo nentes celulares especialmente lipídeos Os carotenoides exercem sua ação fotoprotetora por meio do rápido quen ching dos estados excitados da clorofila O estado excitado dos carotenoides não possui energia suficiente para formar ESTROMA LUME MATRIZ ESPAÇO INTERMEMBRANA Complexo cit bc1 ATP sintase PQ Cit c A Bactérias purpúreas Complexo cit b6f O2 H2O CFo CF1 F1 Fo PQ PC B Cloroplastos Complexo cit bc1 Fo F1 PQ C Mitocôndrias NADH desidrogenase Cit c Citocromo oxidase H2O O2 CITOSOL PERIPLASMA ATP ATP ADP Pi ADP Pi ATP ADP Pi ATP sintase ATP sintase NADPH NADH NADP NAD Luz Luz Luz H H H H H H H H H H H H Centro de reação Centro de reação de PSII Centro de reação de PSI Figura 731 Similaridades entre os fluxos fotossintético e respiratório de elé trons em bactérias purpúreas cloroplastos e mitocôndrias Em todos os três o fluxo de elétrons está acoplado à translocação de prótons criando uma força motriz de prótons transmembrana Δp A energia na força motriz de prótons é então utilizada para a síntese de ATP pela ATPsintase A Um centro de reação na bactérias purpú reas fotossintetizantes realiza o fluxo cícli co de elétrons gerando um potencial de prótons pela ação do complexo citocromo bc1 B Os cloroplastos realizam o fluxo acíclico de elétrons oxidando a água e re duzindo o NADP Prótons são produzidos pela oxidação da água e pela oxidação da PQH2 denominado PQ na ilustração pelo complexo citocromo b6f C As mito côndrias oxidam NADH a NAD e reduzem oxigênio a água Prótons são bombeados por enzima NADHdesidrogenase comple xo citocromo bc1 e citocromo oxidase As ATPsintases nos três sistemas são muito similares em estrutura Taiz07indd 196 Taiz07indd 196 27102016 141808 27102016 141808 Capítulo 7 Fotossíntese Reações Luminosas 197 oxigênio singleto de modo que ele decai de volta ao estado base enquanto perde sua energia sob forma de calor Organismos mutantes sem carotenoides não conse guem viver na presença de luz e oxigênio molecular uma situação difícil para organismos fotossintetizantes pro dutores de O2 Mutantes de bactérias fotossintetizantes não produtoras de O2 carentes de carotenoides podem ser mantidos em condições de laboratório se o oxigênio for excluído do meio de cultura Algumas xantofilas também participam na dissipação da energia O quenching não fotoquímico um dos principais processos que regulam a distribuição da energia de excitação para os centros de reação pode ser considerado como um botão para ajuste de volume que regula o fluxo de excitações para o centro de reação do PSII em um nível aceitável dependen do da intensidade luminosa e de outras condições O pro cesso parece ser uma parte essencial da regulação dos sis temas de antena na maioria das algas e plantas superiores O quenching não fotoquímico é o quenching da fluo rescência da clorofila ver Figura 75 por processos outros que não a fotoquímica Como consequência do quenching não fotoquímico uma grande fração das excitações no siste ma de antena causadas pela iluminação intensa é eliminada por sua conversão em calor Acreditase que o quenching não fotoquímico esteja envolvido na proteção da maquinaria fo tossintética contra a superexcitação e o subsequente dano O mecanismo molecular do quenching não fotoquímico não é bem compreendido e evidências sugerem que exis tam vários processos de quenching distintos que podem ter diferentes mecanismos subjacentes Está claro que o pH do lume do tilacoide e o estado de agregação dos complexos an tena são fatores importantes Três carotenoides chamados xantofilas estão envolvidos no quenching não fotoquímico violaxantina anteraxantina e zeaxantina Figura 733 Em condições de luminosidade alta a violaxantina é convertida em zeaxantina via intermediário anteraxantina pela enzima violaxantina deepoxidase Quando a intensi dade luminosa decresce o processo é invertido Acreditase que a ligação de prótons e da zeaxantina às proteínas da antena de captação de luz cause alterações conformacionais que levam ao quenching e à dissipação por calor O quenching não fotoquímico parece estar preferen cialmente associado ao complexo antena periférico do PSII a proteína PsbS Evidências recentes sugerem que o processo transitório de transferência de elétrons pode ser parte importante do mecanismo molecular de quenching embora outras explicações moleculares também tenham sido propostas Essa área de pesquisa permanece ativa e controversa O centro de reação do fotossistema II é facilmente danificado Outro efeito que parece ser um fator importante na estabi lidade do aparelho fotossintético é a fotoinibição que ocor re quando o excesso de excitação que chega ao centro de reação do PSII leva à sua inativação e dano A fotoinibição é um conjunto complexo de processos moleculares defi nidos como a inibição da fotossíntese pelo excesso de luz Conforme será discutido em detalhes no Capítulo 9 a fotoinibição é reversível nos estágios iniciais Entretanto a inibição prolongada resulta em dano ao sistema de tal modo que o centro de reação do PSII precisa ser desmon tado e reparado O alvo principal desse dano é a proteína D1 que faz parte do complexo do centro de reação PSII ver Figura 722 Quando é danificada pelo excesso de luz a proteína D1 necessita ser removida da membrana e substituída por uma molécula recémsintetizada Os de mais componentes do centro de reação PSII não são dani ficados pelo excesso de luz acreditandose que sejam reci clados de modo que a proteína D1 é o único componente que precisa ser sintetizado ver Figura 732 Intensidade de fótons Excesso de fótons Fotoprodutos tóxicos Dano à D1 do PSII D1 oxidada Fotoinibição Fótons utilizados na fotossíntese Primeira linha de defesa mecanismos de supressão Segunda linha de defesa sistemas de inativação p ex carotenoides superóxido dismutase ascorbato Calor Reparo síntese de novo Estado tripletos de Chl 3Chl Superóxido O2 Oxigênio singleto 1O2 Peróxido de hidrogênio H2O2 Radical hidroxila OH Figura 732 Visão geral da regulação da captura de fótons e da proteção e do reparo de dano causado pela luz A proteção contra danos causado pela luz é um processo com muitos níveis A primei ra linha de defesa é a supressão do dano pelo quenching do excesso de excitação na forma de calor Se essa defesa não for suficiente e se fotoprodutos tóxicos se formarem uma diversidade de sistemas de inativação elimina os fotoprodutos reativos Se essa segunda li nha de defesa também falhar os fotoprodutos resultantes do ex cesso de excitação luminosa podem danificar a proteína D1 do PSII Esse dano leva à fotoinibição A proteína D1 é após removida do centro de reação PSII e degradada Uma nova proteína D1 é sinteti zada e reinserida no centro de reação PSII para formar uma unidade funcional De Asada 1999 Taiz07indd 197 Taiz07indd 197 27102016 141808 27102016 141808 198 Unidade II Bioquímica e Metabolismo O fotossistema I está protegido das espécies ativas de oxigênio O PSI é particularmente vulnerável aos danos provocados pelas espécies reativas de oxigênio O aceptor ferredoxina do PSI é um redutor muito forte que pode reduzir com fa cilidade o oxigênio molecular formando superóxido O2 Essa redução compete com a canalização normal dos elé trons para reduzir o NADP e outros processos O supe róxido é um de uma série de espécies reativas de oxigênio que podem ser muito prejudiciais a membranas biológicas mas que quando produzidas dessa maneira são passíveis de eliminação pela ação de uma série de enzimas incluin do superóxido dismutase e ascorbato peroxidase O empilhamento dos tilacoides permite a partição de energia entre os fotossistemas O fato de a fotossíntese nas plantas superiores ser opera da por dois fotossistemas com diferentes propriedades de absorção de luz constitui um problema especial Se a taxa de envio da energia ao PSI e ao PSII não é igualada com precisão e se as condições são tais que a taxa de fotos síntese é limitada pela disponibilidade de luz intensidade luminosa baixa a taxa de fluxo de elétrons será limitada pelo fotossistema que esteja recebendo a menor quanti dade de energia Na situação mais eficiente a entrada de energia seria igual para os dois fotossistemas Contudo não existe um arranjo único de pigmentos que possa satis fazer essa exigência pois em diferentes momentos do dia a intensidade luminosa e a distribuição espectral tendem a favorecer um ou outro fotossistema Esse problema pode ser solucionado por um mecanis mo que altere a distribuição de energia de um fotossistema para outro em resposta a condições diferentes Já foi demonstrado que esse mecanismo de re gulação opera sob diferentes condições experi mentais A observação de que a produtividade quântica total da fotossíntese é quase inde pendente do comprimento de onda ver Figura 712 sugere fortemente a existência desse me canismo As membranas dos tilacoides contêm uma proteínaquinase que pode fosforilar um resíduo específico de treonina na superfície do LHCII um dos pigmentos proteicos antena ligados à membrana já descritos neste capítulo ver Figura 718 Quando o LHCII não está fosforilado ele envia mais energia ao PSII e quando está fosforilado re mete mais energia ao PSI A quinase é ativada quando a plastoquinona um dos carregadores de elétrons entre PSI e PSII acumulase no estado reduzido A plastoquinona reduzida acumulase quando o PSII está sendo ativado com maior frequência do que o PSI O LHCII fosforilado migra então das regiões empilhadas da membrana para as regiões não empilhadas ver Figura 716 provavelmente devido a interações repul sivas com as cargas negativas nas membranas adjacentes Genética montagem e evolução dos sistemas fotossintéticos Os cloroplastos possuem seu próprio DNA mRNA e ma quinaria para a síntese de proteínas mas a maior parte de suas proteínas é codificada por genes nucleares e impor tada para os cloroplastos Nesta seção são consideradas a genética a montagem e a evolução dos principais compo nentes dos cloroplastos Os genes dos cloroplastos exibem padrões de hereditariedade não mendelianos Os cloroplastos e as mitocôndrias reproduzemse por di visão em vez de síntese de novo Esse modo de reprodução não é uma surpresa pois essas organelas contêm informa ção genética que não está presente no núcleo Durante a divisão celular os cloroplastos são divididos entre as duas célulasfilhas Na maioria das plantas sexuadas entretan to apenas a plantamãe contribui com cloroplastos para o zigoto Nessas plantas o padrão normal de herança men deliana não se aplica aos genes codificados no cloroplasto H2O 2 H O2 H2O 2 H Ascorbato H2O 2 H O2 H2O 2 H Ascorbato NADPH Violaxantina Anteraxantina Zeaxantina Lumino sidade baixa Lumino sidade alta NADPH O HO O HO HO O OH OH OH Figura 733 Estrutura química da violaxantina da anteraxantina e da zeaxantina O estado altamente quenched do PSII está associado à zeaxantina o estado não quenched à violaxantina Enzimas interconvertem esses dois carotenoides tendo a anteraxantina como intermediário em resposta a alterações nas condições ambientais em especial às condições de intensidade luminosa A formação da zeaxantina utiliza o ascorba to como cofator e a formação da violaxantina requer NADPH Taiz07indd 198 Taiz07indd 198 27102016 141808 27102016 141808 Capítulo 7 Fotossíntese Reações Luminosas 199 porque a prole recebe cloroplastos de apenas um dos pro genitores O resultado é uma herança não mendeliana ou materna Várias características são herdadas assim um exemplo é a característica de resistência a herbicidas dis cutida no Tópico 710 na internet A maioria das proteínas dos cloroplastos é importada do citoplasma As proteínas do cloroplasto podem ser codificadas pelo DNA do cloroplasto ou pelo DNA do núcleo As proteínas codificadas no cloroplasto são sintetizadas em ribossomos do cloroplasto as codificadas no núcleo são sintetizadas em ribossomos citoplasmáticos e daí transportadas para os clo roplastos Muitos dos genes nucleares contêm íntrons que são sequências de bases que não codificam para proteínas O mRNA é processado para remover os íntrons e as proteí nas são então sintetizadas no citosol Os genes necessários para o funcionamento do cloro plasto estão distribuídos no núcleo e no genoma do cloro plasto sem um padrão definido mas ambos os conjuntos são essenciais para a viabilidade do cloroplasto Alguns genes do cloroplasto são necessários para outras funções celulares como a síntese dos hemes e de lipídeos O controle da ex pressão dos genes nucleares que codificam para as proteínas dos cloroplastos é complexo e dinâmico envolvendo regu lação dependente da luz mediada pelo fitocromo e pela luz azul ver Capítulo 16 bem como outros fatores O transporte das proteínas do cloroplasto sintetizadas no citosol constitui um processo rigidamente regulado Por exemplo a enzima rubisco ver Capítulo 8 que atua no processo de fixação do carbono tem dois tipos de su bunidades uma grande codificada no cloroplasto e outra pequena codificada no núcleo As subunidades pequenas da rubisco são sintetizadas no citosol e transportadas para o cloroplasto onde a enzima será montada Nesse e em outros casos conhecidos as proteínas dos cloroplastos codificadas no núcleo são sintetizadas como proteínas precursoras contendo uma sequência de aminoá cidos Nterminal conhecida como peptídeo de trânsito Essa sequência terminal conduz a proteína precursora até o cloroplasto e facilita sua passagem pelas membranas externa e interna sendo então eliminada A plastocianina carrega dora de elétrons é uma proteína hidrossolúvel codificada no núcleo porém atuante no lume do cloroplasto Ela necessita portanto atravessar três membranas para alcançar seu desti no no lume O peptídeo de trânsito da plastocianina é muito grande e seu processamento ocorre em mais de uma etapa à medida que direciona a proteína por meio de duas transloca ções sequenciais através da membrana interna do envoltório e da membrana do tilacoide A biossíntese e a quebra das clorofilas são rotas complexas As clorofilas são moléculas complexas especialmente ajus tadas para as funções de absorção de luz transferência de energia e transferência de elétrons que realizam durante a fotossíntese ver Figura 76 Como todas as outras molé culas biológicas as clorofilas são construídas por uma rota biossintética em que se empregam moléculas simples para a montagem de moléculas mais complexas Cada etapa na rota biossintética é catalisada enzimaticamente A rota biossintética das clorofilas consiste em mais de uma dúzia de etapas ver Tópico 711 na internet O pro cesso pode ser dividido em várias fases Figura 734 po dendo cada uma ser considerada isoladamente porém na célula são altamente coordenadas e reguladas Essa regu lagem é essencial pois a clorofila livre e muitos dos inter mediários biossintéticos são prejudiciais aos componentes celulares O dano resulta em grande parte do fato de que as clorofilas absorvem a luz de maneira eficiente porém na ausência das outras proteínas do sistema de transporte elas não possuem a rota para liberar a energia resultando na formação de singletos de oxigênio tóxicos A rota de decomposição das clorofilas em folhas senes centes é bastante diferente da rota biossintética A primeira etapa é a remoção da cauda de fitol por uma enzima conheci da como clorofilase seguida pela remoção do magnésio pela enzima magnésio dequelatase Em seguida a estrutura de porfirina é aberta por uma enzima oxigenase dependente de oxigênio formando um tetrapirrol de cadeia aberta O tetrapirrol é após modificado para formar produ tos hidrossolúveis e incolores Esses metabólitos incolores são exportados do cloroplasto senescente e transportados para o vacúolo onde são permanentemente armazenados Os metabólitos da clorofila não são mais processados ou reciclados embora as proteínas associadas a eles no clo roplasto sejam recicladas subsequentemente para novas proteínas Acreditase que a reciclagem das proteínas seja importante para a economia de nitrogênio pela planta Os organismos fotossintetizantes complexos evoluíram a partir de formas mais simples O complicado aparelho fotossintético encontrado em plantas e algas é o produto final de uma longa sequência evolutiva Muito pode ser compreendido sobre esse pro cesso evolutivo a partir da análise de organismos fotossin tetizantes procarióticos mais simples incluindo as bacté rias anoxigênicas e as cianobactérias O cloroplasto constituise em uma organela celular semiautônoma com seu próprio DNA e um aparelho completo para a síntese de proteínas Muitas das proteínas que compõem o aparelho fotossintético além das clorofi las e dos lipídeos são sintetizadas no próprio cloroplasto Outras são importadas do citoplasma e codificadas por genes nucleares Como aconteceu essa curiosa divisão de trabalho A maioria dos especialistas hoje concorda que o cloroplasto descende de uma relação simbiótica entre uma cianobactéria e uma única célula eucariótica não fo tossintetizante Este tipo de relacionamento é chamado de endossimbiose Originalmente as cianobactérias eram capazes de viver independentemente mas com o passar do tempo Taiz07indd 199 Taiz07indd 199 27102016 141808 27102016 141808 200 Unidade II Bioquímica e Metabolismo muito de sua informação genética necessária para o fun cionamento celular normal perdeuse e uma substancial quantidade de informação necessária para sintetizar o aparelho fotossintético foi transferida para o núcleo Desse modo o cloroplasto não pôde mais viver fora de seu hos pedeiro e por fim tornouse parte integral da célula Sítio de redução Fase I Fase II Fase III Fase IV Ácido 5aminolevulínico ALA Porfobilinogênio PBG Protoporfirina IX NADPH luz Protoclorofilídeo oxirredutase Clorofilídeo a Protoclorofilídeo a monovinílico Clorofila a Cauda de fitol Cauda de fitol Mg2 COOH CH2 CH2 CHNH2 COOH COOH CH2 CH2 C O CH2NH2 N H HOOC COOH NH2 NH N N HN COOH COOH E O COOH N Mg N N N CH2 CH3 CH3 CH3 CH3 CO2CH3 CH3 A B D C E O H H COOH N Mg N N N CH2 CH2 CH3 CH3 CH3 CH3 H CH3 CH3 CH3 CO2CH3 CH3 A B D C N Mg N N O O H O N A B D E C CO2CH3 CH3 CH3 Ácido glutâmico Figura 734 Rota biossintética da clorofila A rota inicia com o ácido glutâmico que é convertido em ácido 5aminolevulínico ALA Duas moléculas de ALA são condensadas para formar por fobilinogênio PBG Quatro moléculas de PBG são ligadas para a formação da protoporfirina IX O magnésio Mg é então inserido e a ciclização dependente de luz do anel E a redução do anel D e a ligação da cauda de fitol completam o processo Muitas etapas do processo estão omitidas nesta figura Em alguns tipos de algas os cloroplastos surgiram por endossimbiose de organismos eucarióticos fotossinteti zantes Nesses organismos o cloroplasto é delimitado por três e em alguns casos por quatro membranas que acre ditase sejam resquícios das membranas plasmáticas dos organismos precursores As mitocôndrias são igualmente consideradas como originadas por endossimbiose em um evento separado muito antes da formação dos cloroplastos As respostas para outras questões relacionadas com a evolução da fotossíntese são menos claras Elas incluem a natureza dos sistemas fotossintéticos ancestrais como os dois fotossistemas se tornaram ligados e a origem evoluti va do complexo de liberação do oxigênio Taiz07indd 200 Taiz07indd 200 27102016 141808 27102016 141808 Capítulo 7 Fotossíntese Reações Luminosas 201 RESUMO A fotossíntese nas plantas usa a energia luminosa para a síntese de carboidratos e a liberação de oxigênio a partir de dióxido de carbono e água A energia armazenada nos carboidratos é utiliza da para realizar processos celulares na planta e serve como fonte de energia para todas as formas de vida Fotossíntese nas plantas superiores Dentro dos cloroplastos as clorofilas absorvem a energia da luz para a oxidação da água liberando oxigênio e produzindo NADPH e ATP reações do tilacoide NADPH e ATP são utilizados na redução do dióxido de carbono para formar açúcares reações de fixação do carbono Conceitos gerais A luz comportase como partícula e onda levando energia sob forma de fótons dos quais alguns são utilizados pelas plantas Figuras 7173 As clorofilas energizadas pela luz podem fluorescer transferir energia para outras moléculas ou utilizar sua energia para indu zir reações químicas Figuras 75 710 Todos os organismos fotossintetizantes contêm uma mistura de pigmentos com diferentes estruturas e propriedades de absor ção de luz Figuras 76 77 Experimentoschave para a compreensão da fotossíntese Um espectro de ação para a fotossíntese mostra a liberação de oxigênio por algas em certos comprimentos de onda Figuras 78 79 Complexos antena de pigmentos proteicos capturam a energia da luz e a transferem para os complexos do centro de reação Figura 710 A luz impulsiona a redução do NADP e a formação do ATP Or ganismos produtores de oxigênio possuem dois fotossistemas PSI e PSII que operam em série Figuras 712 713 Organização do aparelho fotossintético Dentro do cloroplasto as membranas do tilacoide possuem os centros de reação os complexos antena de captação de luz e a maioria das proteínas carregadoras de elétrons O PSI e o PSII estão espacialmente separados nos tilacoides Figura 716 Organização dos sistemas antena de absorção de luz O sistema antena canaliza a energia para os centros de reação Figura 717 As proteínas de captação de luz de ambos os fotossistemas são estruturalmente similares Figura 718 Mecanismos de transporte de elétrons O esquema Z identifica o fluxo de elétrons da água ao NADP pelos carregadores no PSII e no PSI Figuras 713 719 Quatro grandes complexos proteicos transferem elétrons PSII citocromo b6f PSI e ATPsintase Figuras 716 720 A clorofila do centro de reação do PSI possui uma absorção máxima em 700 nm a clorofila do centro de reação do PSII tem sua absorção máxima em 680 nm O centro de reação PSII é um complexo pigmento proteico com posto por múltiplas subunidades Figuras 722 723 Íons manganês são necessários para oxidar a água Duas plastoquinonas hidrofóbicas aceitam elétrons do PSII Fi guras 720 724 Os prótons são translocados para o lume do tilacoide quando os elétrons passam pelo complexo citocromo b6f Figuras 720 725 Plastoquinona e plastocianina transportam elétrons entre o PSII e o PSI Figura 726 NADP é reduzido pelo centro de reação do PSI utilizando três centros FeS e ferredoxina como carregadores de elétrons Fi gura 727 O fluxo cíclico de elétrons produz ATP por bombeamento de prótons mas não produz NADPH Herbicidas podem bloquear o fluxo fotossintético de elétrons Figura 728 O transporte de prótons e a síntese de ATP no cloroplasto A transferência in vitro de tilacoides de cloroplastos equilibra dos em pH 4 para um tampão de pH 8 resultou na formação de ATP a partir de ADP e Pi dando suporte à hipótese quimiosmó tica Figura 729 Os prótons movimentamse por meio um gradiente eletroquí mico força motriz de prótons passando por uma ATPsintase e formando ATP Figura 730 Durante a catálise a porção CFo da ATPsintase gira como um motor em miniatura A translocação de prótons nos cloroplastos das mitocôndrias e das bactérias purpúreas mostra similaridades significativas Fi gura 731 Reparo e regulação da maquinaria fotossintética A proteção e o reparo do dano causado pela luz consistem em quenching e dissipação de calor neutralização de produtos tó xicos e reparo por síntese do PSII Figura 732 As xantofilas carotenoides participam no quenching não foto químico Figura 733 A fosforilação do LHCII mediada por uma quinase causa sua mi gração para os tilacoides empilhados e a distribuição de energia para o PSI Após desfosforilação o LHCII migra para os tilacoi des não empilhados e distribui mais energia para o PSII Taiz07indd 201 Taiz07indd 201 27102016 141808 27102016 141808 202 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Leituras sugeridas Blankenship R E 2014 Molecular Mechanisms of Photosynthesis 2nd Ed WileyBlackwell Oxford UK Blankenship R E Madigan M T and Bauer C E eds 1995 Anoxygenic Photosynthetic Bacteria Advances in Photosynthesis vol 2 Kluwer Dordrecht Netherlands Cramer W A and Knaff D B 1990 Energy Transduction in Biological Membranes A Textbook of Bioenergetics Springer New York Frank H A Young A J Britton G and Cogdell R J 1999 The Photochemistry of Carotenoids Advances in Photosynthesis vol 8 Kluwer Dordrecht Netherlands HohmannMarriott M F and Blankenship R E 2011 Evolution of photosynthesis Annu Rev Plant Biol 62 515 548 Ke B 2001 Photosynthesis Photobiochemistry and Photobiophysics Advances in Photosynthesis vol 10 Kluwer Dordrecht Netherlands Nicholls D G and Ferguson S J 2013 Bioenergetics 4th ed Academic Press San Diego Ort D R and Yocum C F eds 1996 Oxygenic Photosynthesis The Light Reactions Advances in Photosynthesis vol 4 Kluwer Dordrecht Netherlands Scheer H 1991 Chlorophylls CRC Press Boca Raton FL Walker D 1992 Energy Plants and Man 2nd ed Oxygraphics Brighton East Sussex England Zhu XG Long S P and Ort D R 2010 Improving photosynthetic efficiency for greater yield Ann Rev Plant Biol 61 235261 Genética montagem e evolução dos sistemas fotossintéticos Os cloroplastos possuem seus próprios DNA mRNA e sistema de síntese de proteínas Eles importam a maioria das proteínas para dentro dos cloroplastos Essas proteínas são codificadas por genes nucleares e sintetizadas no citosol Os cloroplastos apresentam um padrão de herança materna não mendeliana A biossíntese da clorofila pode ser dividida em quatro fases Fi gura 734 O cloroplasto é descendente de uma relação simbiótica entre uma cianobactéria e uma única célula eucariótica não fotos sintetizante MATERIAL DA INTERNET Tópico 71 Princípios de espectrofotometria A espectros copia é uma técnica essencial para o estudo das reações lumi nosas Tópico 72 A distribuição das clorofilas e outros pigmen tos fotossintéticos O conteúdo de clorofilas e de outros pig mentos fotossintetizantes varia entre os reinos Tópico 73 Produtividade quântica A produtividade quânti ca mede o quão eficientemente a luz impulsiona os processos fotobiológicos Tópico 74 Efeitos antagônicos da luz na oxidação dos ci tocromos Os fotossistemas I e II foram descobertos por alguns experimentos engenhosos Tópico 75 Estrutura de dois centros de reação de bacté rias Estudos de difração de raios X esclareceram a estrutura atômica do centro de reação do PSII Tópico 76 Potenciais médios e reações redox A medição dos potenciais médios é útil para a análise do fluxo de elétrons através do PSII Tópico 77 Liberação de oxigênio O mecanismo dos esta dos S é um modelo valioso para a decomposião da água no PSII Tópico 78 Fotossistema I O centro de reação PSI é um com plexo multiproteico Tópico 79 ATPsintase A ATPsintase funciona como um motor molecular Tópico 710 Modo de ação de alguns herbicidas Alguns herbicidas matam as plantas pelo bloqueio do fluxo de elétrons da fotossíntese Tópico 711 Biossíntese da clorofila Clorofilas e heme parti lham as etapas iniciais de suas rotas biossintéticas Ensaio 71 Uma nova visão da estrutura dos cloroplas tos Estrômulos estendem o alcance dos cloroplastos Taiz07indd 202 Taiz07indd 202 27102016 141808 27102016 141808 8 N o Capítulo 5 foram examinadas as necessidades das plantas em re lação a nutrientes minerais e luz para poderem crescer e completar seu ciclo de vida Uma vez que a quantidade de matéria em nosso plane ta permanece constante a transformação e a circulação de moléculas pela biosfera demandam um fluxo contínuo de energia De outra forma a entro pia aumentaria e o fluxo de matéria em última análise pararia A principal fonte de energia para a sustentação da vida na biosfera é a energia solar que atinge a superfície da Terra Os organismos fotossintetizantes capturam cerca de 3 x 1021 Joules por ano de energia da luz solar e a utilizam para a fixação de aproximadamente 2 x 1011 toneladas de carbono por ano Há mais de 1 bilhão de anos células heterotróficas dependentes de moléculas orgânicas produzidas abioticamente adquiriram a capacidade de converter a luz solar em energia química mediante endossimbiose primária com uma cianobactéria ancestral Comparações recentes das sequências de aminoácidos de proteínas de plastídios cianobactérias e eucariotos permitiram agrupar a progênie desse evento antigo sob a denominação de Archaeplastidae que engloba três linhagens principais Chloroplasti dae Viridiplantae algas verdes plantas terrestres Rhodophyceae algas vermelhas e Glaucophytae algas unicelulares contendo plastídios seme lhantes a cianobactérias chamadas de cianelas A integração genética da cianobactéria com seu hospedeiro reduziu algumas funções pela perda de genes e estabeleceu um mecanismo complexo nas membranas externa e interna para direcionar 1 proteínas codificadas pelo núcleo para o endos simbionte e 2 proteínas codificadas pelo plastídio para o hospedeiro Os eventos endossimbióticos implicaram o ganho de novas rotas metabólicas O endossimbionte ancestral transmitiu a capacidade não apenas de realizar a fotossíntese oxigênica mas também de sintetizar novos compostos assim como amido No Capítulo 7 mostrouse como a energia associada à oxidação fo toquímica da água a oxigênio molecular nas membranas do tilacoide gera ATP ferredoxina reduzida e NADPH Subsequentemente os produtos das reações luminosas ATP e NADPH fluem do tilacoide para a fase fluida circundante estroma e impulsionam a redução catalisada por enzimas do CO2 atmosférico a carboidratos e outros componentes celulares Figu ra 81 Por muito tempo considerouse que essas últimas reações do es troma eram independentes da luz e por isso foram referidas como reações Fotossíntese Reações de Carboxilação Taiz08indd 203 Taiz08indd 203 27102016 142356 27102016 142356 204 Unidade II Bioquímica e Metabolismo escuras dark reactions Entretanto essas reações locali zadas no estroma são mais precisamente denominadas reações de carboxilação da fotossíntese porque os produtos dos processos fotoquímicos não apenas fornecem os subs tratos para as enzimas mas também controlam a taxa ca talítica No início deste capítulo é analisado o ciclo metabóli co que incorpora o CO2 atmosférico em compostos orgâ nicos apropriados para a vida o ciclo de CalvinBenson Na sequência é considerado como o inevitável fenômeno da fotorrespiração libera parte do CO2 assimilado Como uma reação paralela com oxigênio molecular diminui a e ficiência de assimilação fotossintética de CO2 são também examinados os mecanismos bioquímicos para mitigar a perda de CO2 bombas de CO2 ver Tópico 81 na inter net metabolismo C4 e metabolismo ácido das crassulá ceas CAM crassulacean acid metabolism Por fim é consi derada a formação dos dois principais produtos da fixação fotossintética de CO2 amido o polissacarídeo de reserva que se acumula transitoriamente em cloroplastos e saca rose o dissacarídeo que é exportado a partir das folhas para os órgãos de armazenamento e em desenvolvimento da planta O ciclo de CalvinBenson Um requisito para a manutenção da vida na biosfera é a fixação de CO2 da atmosfera em esqueletos de compos tos orgânicos que são compatíveis com as necessidades da célula Essas transformações endergônicas são movidas pela energia proveniente de fontes físicas e químicas A rota autotrófica de fixação do CO2 predominante é o ci clo de CalvinBenson encontrado em muitos procariotos e em todos os eucariotos fotossintetizantes das algas mais primitivas até a angiospermas mais avançadas Essa rota diminui o estado de oxidação do carbono a partir do valor mais elevado encontrado no CO2 4 para níveis encon trados em açúcares p ex 2 em grupos ceto CO 0 em alcoóis secundários CHOH Em vista de sua notável capacidade de diminuir o estado de oxidação de carbo no o ciclo de CalvinBenson é também apropriadamente chamado de ciclo redutor das pentoses e de ciclo de redução de carbono fotossintético Nesta seção é examinado como o CO2 é fixado pelo ciclo de CalvinBenson por meio do uso do ATP e do NADPH gerados pelas reações luminosas ver Figura 81 e como o ciclo é regulado O ciclo de CalvinBenson tem três fases carboxilação redução e regeneração Na década de 1950 uma série de experimentos criativos realizados por M Calvin A Benson J A Bassham e seus colegas forneceu evidências convincentes para o ciclo de CalvinBenson ver Tópico 82 na internet O ciclo de CalvinBenson acontece em três fases altamente coorde nadas no cloroplasto Figura 82 1 Carboxilação da molécula aceptora de CO2 A primeira etapa enzimática executada no ciclo é a reação de CO2 e água com uma molécula aceptora de cinco átomos de carbono ribulose15bifosfato gerando duas mo léculas de um intermediário de três carbonos 3fos foglicerato 2 Redução do 3fosfoglicerato O 3fosfoglicerato é con vertido em carboidratos de 3 carbonos trioses fosfato por reações enzimáticas acionados por ATP e NADPH gerados fotoquimicamente 3 Regeneração do aceptor de CO2 ribulose15bifosfato O ciclo é finalizado pela regeneração da ribulose15 NADP ADP Pi NADPH ATP PSII PSI CLOROFILA CICLO DE CALVINBENSON Membrana dos tilacoides H2O CO2 H2O CH2On Luz O2 CLOROPLASTO Reações luminosas Reações de carboxilação estroma Figura 81 Reações luminosas e de carboxilação da fotossíntese em cloroplastos de plantas terrestres Nas membranas dos tilacoi des a excitação da clorofila no sistema de transporte de elétrons fotossistema II PSII fotossistema I PSI pela luz induz a forma ção de ATP e NADPH ver Capítulo 7 No estroma tanto o ATP como o NADPH são consumidos pelo ciclo de CalvinBenson em uma série de reações catalisadas por enzimas que reduzem o CO2 atmosférico a carboidratos trioses fosfato Taiz08indd 204 Taiz08indd 204 27102016 142356 27102016 142356 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 205 bifosfato por uma série de dez reações catalisadas por enzimas uma das quais necessita de ATP A saída de carbono na forma de trioses fosfato equili bra a entrada de carbono fornecido pelo CO2 atmosférico As trioses fosfato geradas pelo ciclo de CalvinBenson são convertidas em amido no cloroplasto ou exportadas para o citosol para a formação de sacarose A sacarose é transportada no floema para órgãos heterotróficos da planta para sustentar o crescimento e a síntese de produ tos de reserva Figura 82 O ciclo de CalvinBenson opera em três fases 1 carboxilação em que o carbono atmosférico CO2 é covalentemen te ligado a um esqueleto de carbono 2 redução que forma um carboidrato triose fosfato às custas do ATP formado fotoquimica mente e de agentes redutores na forma de NADPH e 3 regene ração que reconstitui a ribulose15bifosfato aceptora do CO2 Em situação de equilíbrio a entrada de CO2 igualase à saída de trioses fosfato Essas últimas servem como precursores da biossíntese do amido no cloroplasto ou fluem para o citosol para a biossíntese de sacarose e outras reações metabólicas A sacarose é carregada na seiva do floema e utilizada para crescimento ou biossíntese de polissacarídeos em outras partes da planta ADP NADPH ATP ATP NADP ADP Pi CO2 H2O 3fosfoglicerato Ribulose15 bifosfato Trioses fosfato gliceraldeído 3fosfato Dihidroxia cetona fosfato Sacarose citosol Sacarose floema Crescimento polissacarídeos de reserva Amido cloroplastos Regeneração Carboxilação Redução Entrada de carbono Saída de carbono Pi TABELA 81 Reações do ciclo de CalvinBenson Enzima Reação 1 Ribulose15bifosfatocarboxilaseoxigenase rubisco Ribulose15bifosfato CO2 H2O 2 3fosfoglicerato 2 3fosfoglicerato quinase 3fosfoglicerato ATP 13bifosfoglicerato ADP 3 NADPgliceraldeído3fosfatodesidrogenase 13Bifosfoglicerato NADPH H gliceraldeído3fosfato NADP Pi 4 Triose fosfato isomerase Gliceraldeído3fosfato dihidroxiacetona fosfato 5 Aldolase Gliceraldeído3fosfato dihidroxiacetona fosfato frutose16 bifosfato 6 Frutose16bifosfatase Frutose16bifosfato H2O frutose6fosfato Pi 7 Transcetolase Frutose6fosfato gliceraldeído3fosfato eritrose4fosfato xilulose 5fosfato 8 Aldolase Eritrose4fosfato dihidroxiacetona fosfato Sedoheptulose17 bifosfato 9 Sedoheptulose17bifosfatase Sedoheptulose17bifosfato H2O sedoheptulose7fosfato Pi 10 Transcetolase Sedoheptulose7fosfato gliceraldeído3fosfato ribose5fosfato xilulose5fosfato 11a Ribulose5fosfatoepimerase Xilulose5fosfato ribulose5fosfato 11b Ribose5fosfatoisomerase Ribose5fosfato ribulose5fosfato 12 Fosforribuloquinase ribulose5fosfatoquinase Ribulose5fosfato ATP ribulose15bifosfato ADP H Nota Pi simboliza fosfato inorgânico Taiz08indd 205 Taiz08indd 205 27102016 142356 27102016 142356 206 Unidade II Bioquímica e Metabolismo A fixação do CO2 via carboxilação da ribulose15bifosfato e redução do produto 3fosfoglicerato gera trioses fosfato Na etapa de carboxilação do ciclo de CalvinBenson uma molécula de CO2 e uma molécula de H2O reagem com uma molécula de ribulose15bifosfato para produzir duas moléculas de 3fosfoglicerato Figura 83 e Tabe la 81 reação 1 Essa reação é catalisada pela enzima do cloroplasto ribulose15bifosfatocarboxilaseoxigenase referida como rubisco ver Tópico 83 na internet Na primeira reação parcial um H é removido do carbono 3 Figura 83 Ciclo de CalvinBenson A carboxilação de três mo léculas de ribulose15bifosfato produz seis moléculas de 3fos foglicerato fase de carboxilação Após a fosforilação do grupo carboxila o 13bifosfoglicerato é reduzido a seis moléculas de gliceraldeído3fosfato com a liberação concomitante de seis mo léculas de fosfato inorgânico fase de redução Desse total de seis moléculas de gliceraldeído3fosfato uma representa a assimilação líquida das três moléculas de CO2 enquanto as outras cinco passam por uma série de reações que ao final regeneram as três moléculas de ribulose15bifosfato iniciais fase de regeneração Ver Tabela 81 para uma descrição de cada uma das reações numeradas H C C OH O H OH C H2COP H2COP H2COP H C C OH O H C OH H OH C O C H2COP H2C OP H2C OP H2COH CO2H C H OH C H OH PO O C 3 CO2 3 H2O NADPH NADP ADP 6 ATP 6 6 6 H 6 6 6 6 6 H2C OP C H OH H O C H2C OP 3 ATP H C OH H C OH O C H2C OP H2COH H C OH H C HO O C H2C OP H2COH H C OH H C HO O C H2C OP H2COH H C OH H C HO O C H2C OP H2C OP H2COH O C H2COH H2C OP O C H2COH H C OH H C OH H C HO O C H2C OP H C OH H O C H2C OP H C OH H O C H2C OP H C OH H H C HO O C H2C OP H2COP H C OH H C OH H C HO O C H2C OP H2COP H C OH H C OH H C OH H C HO O C H2C OP H2COH H C OH H C OH H C OH H C OH O C O C H2C OP H2COH H C OH H C OH H2C OP H C OH H H C OH H2O H2O 11 112 12 13 111a 17 111b 16 15 18 19 110 14 3 5 Pi Pi Pi 3 Fase de carboxilação Fase de redução Fase de regeneração P PO3 2 fosfato inorgânico Pi Taiz08indd 206 Taiz08indd 206 27102016 142356 27102016 142356 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 207 da ribulose15bifosfato Figura 84 A adição de CO2 ao enediol intermediário instável ligado à rubisco impulsio na a segunda reação parcial para a formação irreversível do 2carbóxi3cetoarabinitol15bifosfato cuja hidrata ção produz duas moléculas de 3fosfoglicerato Na fase de redução do ciclo de CalvinBenson duas reações sucessivas reduzem o carbono do 3fosfoglicerato produzido pela fase de carboxilação ver Figura 83 e Tabe la 81 reações 2 e 3 1 Em primeiro lugar o ATP formado pelas reações de luz fosforila o 3fosfoglicerato no grupo carboxila produ zindo um 13bifosfoglicerato misto anidrido em uma reação catalisada pela 3fosfoglicerato quinase 2 Em seguida NADPH também gerado pelas reações de luz reduz o 13bifosfoglicerato a gliceraldeído3 fosfato em uma reação catalisada pela enzima de cloroplasto NADPgliceraldeído3fosfatodesidro genase A operação de três fases de carboxilação e redução produz seis moléculas de gliceraldeído3fosfato 6 moléculas x 3 carbonosmolécula 18 carbonos no total quando três moléculas de ribulose15bifosfato 3 moléculas x 5 car bonosmolécula 15 carbonos no total reagem com três moléculas de CO2 3 carbonos no total e as seis moléculas de 3fosfoglicerato são reduzidas ver Figura 83 A regeneração da ribulose15bifosfato assegura a assimilação contínua do CO2 Na fase de regeneração o ciclo de CalvinBenson facilita a absorção contínua do CO2 atmosférico pelo restabeleci mento do aceptor de CO2 ribulose15bifosfato Para esse fim três moléculas de ribulose15bifosfato 3 moléculas Ribulose15 bifosfato Enediol 2hidroperóxi3 cetoarabinitol 15bifosfato 2fosfoglicolato Fotorrespiração Isomerização do cetoenol Condensação Hidratação protonação Fotossíntese Fotossíntese Fotossíntese 3fosfoglicerato 3fosfoglicerato 3fosfoglicerato H C C OH O H OH H C C OP H C H OP H C OH O OH H C OP H C H H H OP C C H C OP HO C OO O2 CO2 H C H OP H O C H OH C H OH C H C OP COOH H H C OP H H COOH H C OP HO C COO H C H OP H O C H OH C H OH C H HO C C OP COOH H H C OP H COOH H2O H2O 2carbóxi3 cetoarabinitol 15bifosfato H Figura 84 Carboxilação e oxigenação da ribulose15bifosfato catalisadas pela rubisco A ligação da ribulose15bifosfato à rubis co facilita a formação de um enediol intermediário ligado à enzima que pode ser atacado pelo CO2 ou pelo O2 no carbono 2 Com CO2 o produto é um intermediário de seis carbonos 2carboxil3cetoa rabinitol15bifosfato com O2 o produto é um intermediário reati vo de cinco carbonos 2hidroperóxi3cetoarabinitol15bifosfato A hidratação desses intermediários no carbono 3 desencadeia a cli vagem da ligação carbonocarbono entre os carbonos 2 e 3 produ zindo duas moléculas de 3fosfoglicerato atividade de carboxilase ou uma molécula de 2fosfoglicolato e uma molécula de 3fosfo glicerato atividade de oxigenase O importante efeito fisiológico da atividade de oxigenase é descrito na seção O ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono Taiz08indd 207 Taiz08indd 207 27102016 142356 27102016 142356 208 Unidade II Bioquímica e Metabolismo 5 carbonosmolécula 15 carbonos no total são forma das por reações que reposicionam os carbonos de cinco moléculas de gliceraldeído3fosfato 5 moléculas 3 car bonosmolécula 15 carbonos ver Figura 83 A sexta molécula de gliceraldeído3fosfato 1 molécula 3 carbo nosmolécula 3 carbonos no total representa a assimila ção líquida de três moléculas de CO2 e fica disponível para o metabolismo do carbono da planta A reorganização das outras cinco moléculas de gliceraldeído3fosfato para produzir três moléculas de ribulose15bifosfato ocorre por meio das reações 4 a 12 na Tabela 81 e na Figura 83 Duas moléculas de gliceraldeído3fosfato são conver tidas em dihidroxiacetona fosfato na reação catalisa da pela triose fosfato isomerase ver Tabela 81 reação 4 O gliceraldeído3fosfato e a dihidroxiacetona fosfato são chamados coletivamente de trioses fosfato Uma molécula de dihidroxiacetona fosfato passa por uma condensação aldólica com uma terceira molécula de gliceraldeído3fosfato uma reação catalisada pela aldolase gerando frutose16bifosfato ver Tabela 81 reação 5 A frutose16bifosfato é hidrolisada a frutose6fos fato em uma reação catalisada por uma frutose16 bifosfatase específica do cloroplasto ver Tabela 81 reação 6 Uma unidade de 2 carbonos da molécula de fruto se6fosfato carbonos 1 e 2 é transferida via enzima transcetolase para uma quarta molécula de gliceral deído3fosfato para formar xilulose5fosfato Os outros quatro carbonos da molécula de frutose6fos fato carbonos 3 4 5 e 6 formam eritrose4fosfato ver Tabela 81 reação 7 A eritrose4fosfato combinase então via aldolase com a molécula remanescente de dihidroxiacetona fosfato produzindo o açúcar de sete carbonos sedo heptulose17bifosfato ver Tabela 81 reação 8 A sedoheptulose17bifosfato é então hidrolisada a sedoheptulose7fosfato por uma sedoheptulo se17bifosfatase específica do cloroplasto ver Tabela 81 reação 9 A sedoheptulose7fosfato doa uma unidade de dois carbonos carbonos 1 e 2 para a quinta e última molécula de gliceraldeído3fosfato via transcetola se produzindo xilulose5fosfato Os cinco carbonos restantes carbonos 37 da molécula de sedoheptu lose7fosfato tornamse ribose5fosfato ver Tabela 81 reação 10 As duas moléculas de xilulose5fosfato são converti das em duas moléculas de ribulose5fosfato por uma ribulose5fosfatoepimerase ver Tabela 81 reação 11a enquanto uma terceira molécula de ribulose5 fosfato é formada a partir da ribose5fosfato pela ri bose5fosfatoisomerase ver Tabela 81 reação 11b Finalmente a fosforribuloquinase também chamada de ribulose5fosfato quinase catalisa a fosforilação de três moléculas de ribulose5fosfato com ATP re generando assim as três moléculas de ribulose15 bifosfato necessárias para reiniciar o ciclo ver Tabela 81 reação 12 Em resumo trioses fosfato são formadas nas fases de carboxilação e de redução do ciclo de CalvinBenson usando energia ATP e equivalentes redutores NADPH gerados pelos fotossistemas iluminados das membranas dos tilacoides dos cloroplastos 3 CO2 3 ribulose15bifosfato 3 H2O 6 NADPH 6 H 6 ATP 6 trioses fosfato 6 NADP 6 ADP 6 Pi Dessas seis trioses fosfato cinco são usadas na fase de regeneração que restaura o aceptor de CO2 ribulose15 bifosfato para o funcionamento contínuo do ciclo de CalvinBenson 5 trioses fosfato 3 ATP 2 H2O 3 ribulose15bifosfato 3 ADP 2 Pi A sexta triose fosfato representa a síntese líquida de um composto orgânico a partir de CO2 que é utilizado como um constituinte estrutural para o carbono armazenado ou para outros processos metabólicos Assim a fixação de três CO2 em uma triose fosfato usa 6 NADPH e 9 ATP 3 CO2 5 H2O 6 NADPH 9 ATP Gliceraldeído3fosfato 6 NADP 9 ADP 8 Pi O ciclo de CalvinBenson utiliza duas moléculas de NADPH e três moléculas de ATP para assimilar uma úni ca molécula de CO2 Um período de indução antecede o estado de equilíbrio da assimilação fotossintética do CO2 No escuro tanto a atividade das enzimas fotossintéticas quanto a concentração dos intermediários do ciclo de CalvinBenson são baixas Por isso as enzimas do ciclo de CalvinBenson e a maior parte das trioses fosfato estão encarregadas de restaurar as concentrações adequadas dos intermediários metabólicos quando as folhas recebem luz A taxa de fixação de CO2 aumenta com o tempo nos pri meiros minutos após o início da iluminação um intervalo chamado de período de indução A aceleração da taxa de fotossíntese é devida tanto à ativação de enzimas pela luz discutida mais tarde neste capítulo quanto a um aumen to na concentração dos intermediários do ciclo de Calvin Benson Em suma as seis trioses fosfato formadas nas fases de carboxilação e redução do ciclo de CalvinBenson durante o período de indução são usadas principalmen te para a regeneração do aceptor de CO2 a ribulose15 bifosfato Quando a fotossíntese atinge um estado estacionário cinco das seis trioses fosfato formadas contribuem para a regeneração do aceptor de CO2 ribulose15bifosfato en Taiz08indd 208 Taiz08indd 208 27102016 142357 27102016 142357 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 209 quanto uma sexta triose fosfato é utilizada no cloroplasto para a formação do amido e no citosol para a síntese de sacarose e outros processos metabólicos ver Figura 82 Para uma análise mais detalhada da eficiência do uso da energia no ciclo de CalvinBenson ver Tópico 84 na in ternet Muitos mecanismos regulam o ciclo de CalvinBenson O uso eficiente da energia no ciclo de CalvinBenson re quer a existência de mecanismos reguladores específicos que garantem não só que todos os intermediários do ciclo estejam presentes em concentrações adequadas na luz mas também que o ciclo esteja desligado no escuro Para produzir os metabólitos necessários em resposta a estímu los ambientais os cloroplastos atingem as taxas apropria das de transformações bioquímicas mediante alteração dos níveis de enzimas μmoles de enzimacloroplastos e atividade catalítica μmoles de substrato convertidominu toμmol de enzima A expressão gênica e a biossíntese de proteínas de terminam as concentrações de enzimas em comparti mentos celulares As quantidades de enzimas presentes no estroma do cloroplasto são reguladas pela expressão conjunta dos genomas nucleares e dos cloroplastos En zimas codificadas no núcleo são traduzidas nos ribosso mos 80S no citosol e subsequentemente transportadas para o plastídio Proteínas codificadas no plastídio são traduzidas no estroma em ribossomos 70S semelhantes a procarióticos A luz modula a expressão das enzimas do estroma codificadas pelo genoma nuclear via fotorreceptores es pecíficos p ex fitocromo e receptores de luz azul En tretanto a expressão dos genes nucleares necessita ser sincronizada com a expressão de outros componentes do aparato fotossintético na organela A maior parte da sina lização reguladora entre o núcleo e os plastídios é anteró grada isto é os produtos dos genes nucleares controlam a transcrição e a tradução dos genes dos plastídios Esse é o caso por exemplo na montagem da rubisco estromal a partir de oito subunidades pequenas codificadas no nú cleo S de small e oito subunidades grandes codificadas no plastídio L de large Contudo em alguns casos p ex a síntese das proteínas associadas às clorofilas a regula ção pode ser retrógrada isto é o sinal flui do plastídio para o núcleo Ao contrário das alterações lentas nas taxas catalíti cas causadas por variações na concentração de enzimas modificações na póstradução alteram rapidamente a ati vidade específica das enzimas dos cloroplastos μmoles de substrato convertidominutoμmol de enzima Dois me canismos gerais realizam a modificação mediada por luz das propriedades cinéticas das enzimas do estroma 1 Mudança em ligações covalentes que resultam em uma enzima modificada quimicamente como a carbamilação de grupos amino EnzNH2 CO2 EnzNHCO2 H ou a redução das ligações dissulfeto EnzS2 ProtSH2 EnzSH2 ProtS2 2 Modificação de interações não covalentes causadas por alterações 1 na composição iônica do meio ce lular p ex pH Mg2 2 na ligação de efetores da enzima 3 na estreita associação com proteínas re guladoras em complexos supramoleculares ou 4 na interação com as membranas dos tilacoides Em uma discussão mais aprofundada da regulação são examinados os mecanismos dependentes de luz que regulam a atividade específica de cinco enzimas cruciais dentro de minutos da transição luzescuro Rubisco Frutose16bifosfatase Sedoheptulose17bifosfatase Fosforribuloquinase NADPgliceraldeído3fosfatodesidrogenase A rubisco ativase regula a atividade catalítica da rubisco A maioria das formas de vida na biosfera depende de orga nismos fotossintetizantes que capturam carbono inorgâ nico do meio ambiente pelo ciclo de CalvinBenson Isso entendido o número máximo de moléculas de CO2 que a rubisco converte em produtos por sítio catalítico taxa de reciclagem é extremamente baixo 112 CO2 fixadoss Ge orge Lorimer e colaboradores descobriram que a rubisco deve ser ativada antes de atuar como um catalisador Mo dificações químicas mutagênese sítiodirecionada cálcu los de dinâmica molecular e estruturas cristalinas de alta resolução mostraram que a molécula de CO2 desempenha um papel duplo na atividade da rubisco o CO2 transfor ma a enzima de uma forma inativa para uma forma ativa ativação e é também o substrato para a reação de carbo xilação catálise As atividades catalíticas da rubisco carboxilação e oxigenação requerem a formação de um lisilcarbamato rubiscoNH2CO2 por uma molécula de CO2 chamada CO2 de ativação ver Ativação da rubisco na Figura 85 A ligação subsequente de Mg2 ao carbamato estabiliza a rubisco carbamilada rubiscoNH2CO2 Mg2 e con verte a rubisco em enzima cataliticamente competente Outra molécula de CO2 CO2 substrato pode então rea gir com ribulose15bifosfato no sítio ativo da rubisco ver Ciclo catalítico na Figura 85 liberando duas moléculas de 3fosfoglicerato ver Produtos na Figura 85 Açúcares fosfato como xilulose15bifosfato e o ini bidor de ocorrência natural 2carboxiarabinitol1fosfato e o substrato ribulose15bifosfato evitam a ativação e inibem a catálise ligandose firmemente à rubisco não carbamilada e à rubisco carbamilada respectivamente As plantas e as algas verdes superam essa inibição com a pro teína rubisco ativase que remove os açúcares fosfato da rubisco não carbamilada e da carbamilada permitindo as Taiz08indd 209 Taiz08indd 209 27102016 142357 27102016 142357 210 Unidade II Bioquímica e Metabolismo sim que a rubisco seja ativada por carbamilação e ligação do Mg2 ver Rubisco ativase na Figura 85 ver também Tópico 85 na internet A rubisco ativase requer a hidró lise de ATP para liberar os inibidores fortemente ligados RUBISCO ATIVASE Em muitas espécies vegetais o splicing alternativo de um prémRNA único produz duas rubiscos ativase idênticas que diferem apenas na extremi dade carboxil a forma longa 46 kDa e a forma curta 42 kDa A extensão C da forma longa carrega duas cis teínas que modulam a sensibilidade da atividade ATPase à razão ATPADP pela troca tioldissulfeto Dessa forma a regulação da rubisco ativase está ligada à luz pelo sis tema ferredoxinatiorredoxina descrito na próxima seção No entanto outros componentes ainda desconhecidos podem estar envolvidos porque a luz também estimula a atividade da rubisco em espécies que produzem natural mente apenas a forma curta sem as cisteínas regulado ras p ex tabaco A luz regula o ciclo de CalvinBenson via sistema ferredoxinatiorredoxina A luz regula a atividade catalítica de quatro enzimas do ciclo de CalvinBenson diretamente pelo sistema ferre doxinatiorredoxina Esse mecanismo utiliza ferredoxina reduzida pela cadeia de transporte de elétrons da fotos síntese em conjunto com duas proteínas do cloroplasto ferredoxinatiorredoxina redutase e tiorredoxina para regular frutose16bifosfatase sedoheptulose17bifos fatase fosforribuloquinase e NADPgliceraldeído3fosfa todesidrogenase Figura 86 A luz transfere elétrons da água para a ferredoxina pelo sistema de transporte de elétrons da fotossíntese ver Capítulo 7 A ferredoxina reduzida converte a ligação dis sulfeto da proteína reguladora tiorredoxina SS para o estado reduzido SH HS com a enzima ferrosulfurosa ferredoxinatiorredoxina redutase Subsequentemente a tiorredoxina reduzida cliva uma ponte dissulfeto es pecífica cisteínas oxidadas da enzimaalvo formando cisteínas livres reduzidas A clivagem das ligações dis sulfeto da enzima provoca uma alteração conformacional que aumenta a atividade catalítica ver Figura 86 e Tópico 86 na internet A desativação de enzimas ativadas pela tiorredoxina ocorre quando o escuro alivia a pressão de elétrons do transporte de elétrons da fotossíntese No entanto os detalhes do processo de desativação são des conhecidos Avanços em estudos estruturais e de bioinformática levaram ao reconhecimento de que enzimas reguladas por tiorredoxina não exibem uma sequência de consenso contendo cisteína As enzimasalvo podem transportar as cisteínas reguladoras no núcleo do polipeptídeo fruto se16bifosfatase Cys155Cys174 no Cterminal gli ceraldeído3fosfatodesidrogenase Cys349Cys358 ou no sítio ativo fosforribuloquinase Cys16Cys55 Estudos de proteômica têm demonstrado que o sis tema ferredoxinatiorredoxina regula o funcionamento de enzimas em vários outros processos do cloroplasto além da fixação de carbono A tiorredoxina também protege as proteínas contra danos causados por espécies reativas de oxigênio como o peróxido de hidrogênio H2O2 o ânion superóxido O2 e o radical hidroxila OH Figura 85 O CO2 atua tanto como ativador quanto como subs trato na reação catalisada pela rubisco Ativação A reação do CO2 ativador com a rubisco E causa a formação do adutor Ecarba mato ENHCO2 cuja estabilização pelo Mg2 produz o adutor Ecarbamato ENHCO2 Mg2 no sítio ativo da enzima Ati vação da rubisco painel inferior No estroma de cloroplastos sob iluminação aumentos de pH concentração mais baixa de H e da concentração de Mg2 facilitam a formação do complexo ENH CO2 Mg2 que representa a forma cataliticamente ativa da rubis co A forte ligação dos açúcares fosfato SugP como ribulose15 bifosfato RuBP ou impede a produção do adutor Ecarbamato ou bloqueia a ligação de substratos à enzima carbamilada No ciclo mediado pela rubisco ativase Rubisco ativase painel à esquerda a hidrólise do ATP pela rubisco ativase elicita uma alteração confor macional da rubisco que reduz sua afinidade por açúcares fosfato Catálise Quando da formação do complexo ENHCO2 Mg2 no sítio ativo da enzima a rubisco combinase com a ribulose15 bifosfato e subsequentemente com o outro substrato CO2 ou O2 iniciando as atividades de carboxilase ou oxigenase respectivamen te ver Figura 84 Ciclo catalítico painel à direita Produtos Os produtos do ciclo catalítico são duas moléculas de 3fosfoglicerato atividade de carboxilase ou uma molécula de 3fosfoglicerato e uma de 2fosfoglicolato atividade de oxigenase ADP ATP Rubisco ativase Ativação da rubisco Rubisco ativase ENH3 SugP ENH3 ENH2 ENHCO2 ENHCO2 Mg2 H Mg2 H CO2 Produtos SugP Ciclo catalítico ENHCO2 Mg2 RuBP CO2 O2 RuBP Taiz08indd 210 Taiz08indd 210 27102016 142357 27102016 142357 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 211 Movimentos iônicos dependentes da luz modulam as enzimas do ciclo de CalvinBenson No momento em que a iluminação inicia o efluxo de pró tons do estroma para o lume dos tilacoides é acoplado à liberação do Mg2 do espaço intratilacoide para o estroma Esses fluxos de íons ativados pela luz diminuem a con centração de prótons no estroma o pH aumenta de 7 para 8 e aumentam a concentração de Mg2 de 2 para 5 mM O aumento do pH e da concentração de Mg2 mediado pela luz ativa enzimas do ciclo de CalvinBenson que re querem Mg2 para a catálise e são mais ativas em pH 8 do que em pH 7 rubisco frutose16bifosfatase sedohep tulose17bifosfatase e fosforribuloquinase As modifica ções da composição iônica do estroma do cloroplasto são revertidas rapidamente após escurecer A luz controla o arranjo das enzimas do cloroplasto em complexos supramoleculares A formação de complexos supramoleculares com pro teínas reguladoras também tem efeitos importantes so bre a atividade catalítica de enzimas do cloroplasto Por exemplo a gliceraldeído3fosfatodesidrogenase ligase não covalentemente a fosforribuloquinase e CP12 uma proteína de cerca de 85 kDa contendo quatro cisteínas conservadas capazes de formar duas pontes dissulfeto Figura 87 As três proteínas formam um complexo ter nário CP12fosforribuloquinasegliceraldeído3fosfato desidrogenase em que a gliceraldeído3fosfatode sidrogenase e a fosforribuloquinase são cataliticamente inativas A luz regula a estabilidade do complexo ternário através do sistema ferredoxinatiorredoxina A tiorredoxi na reduzida cliva as pontes dissulfeto da fosforribuloqui nase e da CP12 liberando a gliceraldeído3fosfatodesi drogenase e a fosforribuloquinase em suas conformações cataliticamente ativas O ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono A rubisco catalisa tanto a carboxilação como a oxigenação da ribulose15bifosfato ver Figura 84 A carboxilação produz duas moléculas de 3fosfoglicerato e a oxigenação produz uma molécula de 3fosfoglicerato e uma de 2fos foglicolato A atividade oxigenase da rubisco provoca a perda parcial do carbono fixado pelo ciclo de CalvinBen son e produz 2fosfoglicolato um inibidor de duas enzi mas do cloroplasto triose fosfato isomerase e fosfofruto quinase Para evitar tanto o dreno de carbono do ciclo de CalvinBenson quanto a inibição de enzimas o 2fosfogli colato é metabolizado pelo ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono Essa rede de reações enzimáticas coordena das também conhecida como fotorrespiração ocorre nos cloroplastos nos peroxissomos foliares e nas mitocôndrias Figura 88 Tabela 82 ver Tópico 87 na internet 2H 2 ferredoxinas oxidadas 2 ferredoxinas reduzidas O2 O2 S S Ferredoxina tiorredoxina redutase S S Trx SH SH Trx S S Enzima inativa SH SH Enzima ativa SH SH Ferredoxina tiorredoxina redutase Substratos Produtos Chl Escuro Luz H2O Luz Figura 86 Sistema ferredoxinatiorredoxina O sistema ferredo xinatiorredoxina liga o sinal luminoso percebido pelas membranas do tilacoide à atividade das enzimas no estroma do cloroplasto A ativação das enzimas do ciclo de CalvinBenson inicia na luz com a redução da ferredoxina pela cadeia transportadora de elétrons Chl ver Capítulo 7 A ferredoxina reduzida junto com dois pró tons é utilizada para reduzir a ligação dissulfeto cataliticamente ativa SS da enzima ferrosulfurosa ferredoxinatiorredoxina redutase que por sua vez reduz a dissulfeto ímpar SS da pro teína reguladora tiorredoxina Trx ver Tópico 86 na internet para detalhes A forma reduzida da tiorredoxina SH HS reduz en tão a ligação dissulfeto reguladora da enzimaalvo desencadeando sua conversão para um estado cataliticamente ativo que catalisa a transformação dos substratos em produtos O escuro interrompe o fluxo de elétrons da ferredoxina para a enzima e a tiorredoxina tornase oxidada Embora o mecanismo para a desativação de en zimas ativadas por tiorredoxina no escuro não esteja completamen te esclarecido parece que as oxidações ativadas por O2 causam a formação de tiorredoxina oxidada Em seguida a ligação dissulfeto ímpar SSda tiorredoxina traz a forma reduzida SH HS da enzima de volta à forma oxidada SS com a perda concomi tante da capacidade catalítica Diferente das enzimas ativadas pela tiorredoxina uma enzima do ciclo oxidativo das pentoses fosfato do cloroplasto glicose6fosfatodesidrogenase não opera na luz mas é funcional no escuro porque a tiorredoxina reduz o dissulfeto crítico para a atividade da enzima A capacidade da tiorredoxina de regular as enzimas funcionais em diferentes rotas minimiza o ciclagem fútil Taiz08indd 211 Taiz08indd 211 27102016 142357 27102016 142357 212 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Estudos recentes mostraram que o ciclo fotossinté tico oxidativo C2 do carbono é um componente auxiliar da fotossíntese que não só recupera parte do carbono assimilado mas também se conecta a outras rotas de plantas terrestres contemporâneas Nesta seção são apresentadas as características relevantes do ciclo fotos sintético oxidativo C2 do carbono em plantas terrestres e cianobactérias A seguir é descrita a integração da fo torrespiração no metabolismo da planta e em seguida são mostradas as diferentes abordagens para aumentar o rendimento de biomassa das culturas pela modificação da fotorrespiração da folha Escuro Luz Fosforribu loquinase CP12 A4 A4 Gliceraldeído3P desidrogenase A2B2 A2B2 A8B8 Gliceraldeído3P desidrogenase TrxSH2 TrxS2 NADPH NADP Ligação dissulfeto Atividade enzimática Completamente ativa Atividade da gliceraldeído3Pdesidrogenase dependente de CP12 Atividade da gliceraldeído3Pdesidrogenase dependente da extensão do Cterminal Fortemente inibida Extensão do Cterminal Figura 87 Regulação da fosforribuloquinase e da gliceraldeí do3fosfatodesidrogenase do cloroplasto Os cloroplastos contêm duas isoformas de gliceraldeído3fosfatodesidrogenases deno minadas A4 e A2B2 A isoforma A4 é um tetrâmero cataliticamente ativo Os polipeptídeos A e B da isoforma A2B2 são semelhantes exceto que uma extensão Cterminal da subunidade B possui dois resíduos de cisteína capazes de formar uma ponte dissulfeto Além disso a A2B2 gliceraldeído3fosfatodesidrogenase pode formar o oligômero A8B8 Sob condições de escuro a interação da fosfor ribuloquinase oxidada com a A4 gliceraldeído3fosfatodesidroge nase e a CP12 oxidada estabiliza o complexo A4gliceraldeído3 fosfatodesidrogenase2 fosforribuloquinase2 CP124 Tanto a A4gliceraldeído3fosfatodesidrogenase quanto a fosforribuloqui nase são cataliticamente inativas no complexo ternário Em con dições de luz a tiorredoxina reduzida corta as ligações dissulfeto da CP12 e fosforribuloquinase A redução da fosforribuloquinase e da CP12 separa os componentes do complexo ternário liberando a fosforribuloquinase e a A4B4gliceraldeído3fosfatodesidrogenase ativas A tiorredoxina reduzida Trx cliva a ligação dissulfeto na su bunidade B da A8B8gliceraldeído3fosfatodesidrogenase A redu ção converte o oligômero inativo em A2B2gliceraldeído3fosfato desidrogenase ativa Taiz08indd 212 Taiz08indd 212 27102016 142357 27102016 142357 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 213 A oxigenação da ribulose15bifosfato coloca em marcha o ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono Em termos evolutivos a rubisco parece ter evoluído a par tir de uma enolase antiga na rota de recuperação da metio nina das arqueias Há bilhões de anos atrás a oxigenação da ribulose15bifosfato era insignificante em procariotos não oxigênicos devido à falta de O2 e aos altos níveis de CO2 na atmosfera de então As concentrações altas de O2 e os níveis baixos de CO2 na atmosfera atual aumentam a atividade de oxigenase da rubisco tornando inevitável a formação do 2fosfoglicolato tóxico Todas as rubiscos catalisam a incorporação de O2 na ribulose15bifosfato Mesmo homólogos de bactérias autotróficas anaeróbias TABELA 82 Reações do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono Reaçãoa Enzima 1 2 ribulose15bifosfato 2 O2 2 2fosfoglicolato 2 3fosfoglicerato Rubisco 2 2 2fosfoglicolato 2 H2O 2 glicolato 2 Pi Fosfoglicolato fosfatase 3 2 glicolato 2 O2 2 glioxilato 2 H2O2 Glicolato oxidase 4 2 H2O2 2 H2O O2 Catalase 5 2 glioxilato 2 glutamato 2 glicina 2 2oxoglutarato Glutamatoglioxilato aminotransferase 6 Glicina NAD GDC CO2 NH4 NADH GDCTHFCH2 Complexo glicina descarboxilase GDC 7 GDCTHFCH2 glicina H2O serina GDC Serinahidroximetil transferase 8 Serina 2oxoglutarato hidroxipiruvato glutamato Serina2oxoglutarato aminotransferase 9 Hidroxipiruvato NADH H glicerato NAD Hidroxipiruvato redutase 10 Glicerato ATP 3fosfoglicerato ADP Glicerato quinase 11 Glutamato NH4 ATP glutamina ADP Pi Glutamina sintetase 12 2oxoglutarato glutamina 2 Fdred 2 H 2 glutamato 2 Fdoxid Glutamato sintase dependente de ferredoxina GOGAT Reações líquidas do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 2 Ribulose15bifosfato 3 O2 H2O Glutamato reações 1 a 9 Glicerato 2 3fosfoglicerato NH4 CO2 2 Pi 2oxoglutarato Duas reações no cloroplasto regeneram a molécula de glutamato 2oxoglutarato NH4 2 Fdred 2 H ATP reações 11 e 12 Glutamato H2O 2 Fdoxid ADP Pi e a molécula de 3fosfoglicerato Glicerato ATP reação 10 3Fosfoglicerato ADP Assim o consumo de três moléculas de oxigênio atmosférico no ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono dois na atividade oxigenase da rubisco e um nas oxidações do peroxissomo provoca a liberação de uma molécula de CO2 e o consumo de duas moléculas de ATP e duas moléculas de equivalentes redutores 2 Fdred 2 H para a incorporação de um esqueleto de 3 carbonos de volta no ciclo de CalvinBenson e a regeneração do glutamato a partir de NH4 e 2oxoglutarato aLocalizações cloroplastos peroxissomos e mitocôndrias Fd ferredoxina Taiz08indd 213 Taiz08indd 213 27102016 142357 27102016 142357 214 Unidade II Bioquímica e Metabolismo 2 POCH2 CO CHOH2 CH2OP Ribulose15bifosfato 2 POCH2 CHOH CO2 3fosfoglicerato 3fosfoglicerato Glutamato HOCH2 HOCH CO2 Glicerato HOCH2 CO CO2 Hidroxipiruvato Serina HOCH2 H2 NCH CO2 Serina 2 POCH2 CO2 2fosfoglicolato 2 HOCH2 CO2 Glicolato 2 glicolato 2 H2NCH2 CO2 Glicina 2 glicina 2 HO2C CH22 CHNH2 CO2 Glutamato H2NOC CH22 CHNH2 CO2 Glutamina HO2C CH22 CO CO2 2oxoglutarato 2 ferredoxina reduzida HO2C CH22 CO CO2 2oxoglutarato 2oxoglutarato Ciclo de CalvinBenson 2 O2 2 H2O 2 OCH CO2 Glioxilato NADH NAD ATP ATP ADP Pi 2 2 O2 2 H2O2 2 H2O H2O CO2 O2 O2 NADH NAD PEROXISSOMO MITOCÔNDRIA CLOROPLASTO 21 22 212 210 211 23 24 25 29 28 26 27 NH4 NH4 Glicerato HO2C CH22 CHNH2 CO2 Glutamato 2 glutamato Glutamato 2 2oxoglutarato Taiz08indd 214 Taiz08indd 214 27102016 142357 27102016 142357 Figura 88 Funcionamento do ciclo fotossintético oxidativo C7 As reações enzimáticas estão distribuídas entre três organelas cloroplastos peroxissomos e mitocôndrias Nos cloroplastos a ativação de oxigênio para oxidar duas moléculas de 2fosfoglicerato que sob a ação da fosfoglicerato quinafase forma duas moléculas de glicolato quatro carbonos junto com uma molécula de diglicolato dos cloroplastos para peroxissomos 216 Unidade II Bioquímica e Metabolismo de ATP do NH4 em glutamato produzindo glutamina ADP e fosfato inorgânico ver Figura 88 e Tabela 82 rea ção 11 Subsequentemente a glutamina e o 2oxoglutara to são substratos da glutamato sintase dependente de fer redoxina GOGAT para a produção de duas moléculas de glutamato ver Tabela 82 reação 12 A reassimilação do NH4 no ciclo fotorrespiratório restaura o glutamato para a ação da glutamatoglioxilato aminotransferase peroxis sômica na conversão de glioxilato em glicina ver Tabela 82 reação 5 Átomos de carbono nitrogênio e oxigênio circulam pela fotorrespiração Figura 89 No ciclo do carbono os cloroplastos transferem duas moléculas de glicolato quatro átomos de carbono aos peroxissomos e recuperam uma molécula de glicera to três átomos de carbono As mitocôndrias liberam uma molécula de CO2 um átomo de carbono No ciclo do nitrogênio os cloroplastos transferem uma molécula de glutamato um átomo de nitrogênio e recuperam uma molécula de NH4 um átomo de ni trogênio No ciclo do oxigênio a rubisco e a glicolato oxidase ca talisam a incorporação de duas moléculas de O2 cada oito átomos de oxigênio quando duas moléculas de ribulose15bifosfato entram no ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono ver Tabela 82 reações 1 e 3 No entanto a catalase libera uma molécula de O2 a partir de duas moléculas de H2O2 dois átomos de oxi gênio ver Tabela 82 reação 4 Assim três moléculas de O2 seis átomos de oxigênio são reduzidas no ciclo fotorrespiratório In vivo três aspectos regulam a distribuição de metabóli tos entre o ciclo de CalvinBenson e o ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono um inerente à planta as proprie dades cinéticas da rubisco e dois ligados ao ambiente a concentração de CO2 e O2 atmosféricos e a temperatura O fator de especificidade Ω estima a preferência da rubisco por CO2 em relação ao O2 Ω VCKCVoKo Onde VC e Vo são as velocidades máximas de carboxilação e oxigenação respectivamente e KC e Ko são as constantes de MichaelisMenten para o CO2 e o O2 respectivamente O Ω ajusta a razão entre a velocidade de carboxilação vC e a velocidade de oxigenação vo em concentrações ambien tais de CO2 e O2 Ω vCvo O2 CO2 Figura 89 Dependência do ciclo oxidativo fotossintético C2 do carbono no metabolismo do cloroplasto O fornecimento de ATP e equivalentes redutores a partir das reações da luz nas membra nas tilacoides é necessário para o funcionamento do ciclo oxidativo fotossintético C2 em três compartimentos cloroplastos mitocôn drias e peroxissomos O ciclo do carbono utiliza 1 NADPH e ATP para manter um nível adequado de ribulose15bifosfato no ciclo de CalvinBenson e 2 ATP para converter o glicerato a 3fosfogli cerato no ciclo oxidativo fotossintético C2 do carbono O ciclo do nitrogênio emprega ATP e equivalentes redutores para recuperar glutamato a partir de NH4 e 2oxoglutarato vindo do ciclo fotor respiratório No peroxissomo o ciclo do oxigênio contribui para a remoção do H2O2 formado na oxidação do glicolato pelo O2 Ciclo de CalvinBenson Ciclo oxidativo C2 CO2 2 O2 3fosfoglicerato Ribulose15bifosfato 2fosfoglicolato Glicerato PSII PSI H2O O2 Luz Ciclo do nitrogênio Cloroplasto Fd ATP ATP ATP NADPH 3 CO2 O2 Ciclo do oxigênio Peroxissomo Mitocôndria 2 Taiz08indd 216 Taiz08indd 216 27102016 142357 27102016 142357 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 217 O fator de especificidade Ω calcula a capacidade relativa da rubisco para carboxilação e oxigenação vCvo quando a concentração de CO2 em torno do sítio ativo é igual à de O2 O2CO2 1 Ω é uma constante para cada rubisco que indica a eficiência relativa com a qual o O2 compete com o CO2 em certa temperatura Rubiscos de diferentes organismos exibem variações no valor de Ω o Ω da rubisco de cianobactérias Ω 40 é menor que o de plantas C3 Ω 8290 e de espécies C4 Ω 7082 A temperatura ambiente exerce uma influência signi ficativa sobre o Ω e as concentrações de CO2 e O2 em torno do sítio ativo da rubisco Ambientes mais quentes têm o efeito de Aumentar a atividade de oxigenase da rubisco mais do que a atividade de carboxilase O maior aumento de KC para o CO2 do que de Ko para o O2 diminui o Ω da rubisco Diminuir mais a solubilidade do CO2 em relação à do O2 O aumento de O2CO2 diminui a razão vcvo isto é a atividade de oxigenase da rubisco prevalece sobre a atividade de carboxilase ver Tópico 88 na in ternet Reduzir a abertura estomática para conservar água O fechamento dos estômatos reduz a absorção de CO2 atmosférico diminuindo assim o CO2 no sítio ativo da rubisco Em geral ambientes mais quentes limitam significa tivamente a eficiência da assimilação fotossintética do carbono porque o aumento progressivo da temperatura inclina o equilíbrio para longe da fotossíntese carboxi lação e em direção à fotorrespiração oxigenação ver Capítulo 9 A fotorrespiração está ligada ao sistema de transporte de elétrons da fotossíntese O metabolismo do carbono na fotossíntese em folhas in tactas reflete a competição por ribulose15biofosfato entre dois ciclos mutuamente opostos o ciclo de Calvin Benson e o ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono Esses ciclos estão interligados com o sistema de transporte de elétrons na fotossíntese para o fornecimento de ATP e equivalentes redutores ferredoxina reduzida e NADPH ver Figura 89 Para reabilitar duas moléculas de 2fosfo glicolato pela conversão em uma molécula de 3fosfoglice rato a fosforilação fornece uma molécula de ATP necessá ria para a transformação do glicerato em 3fosfoglicerato ver Tabela 82 reação 10 enquanto o consumo de NADH pela hidroxipiruvato redutase ver Tabela 82 reação 9 é contrabalançado por sua produção pela glicina descarbo xilase ver Tabela 82 reação 6 Na fotorrespiração o nitrogênio entra no peroxissomo pela etapa de transaminação catalisada pela glutamatoglioxilato aminotransferase dois átomos de nitrogênio ver Tabela 82 reação 5 e deixa o peroxissomo 1 na forma de NH4 um áto mo de nitrogênio na reação catalisada pelo complexo glicina descarboxilaseserina hidroximetiltransferase ver Tabela 82 reações 6 e 7 e 2 na etapa de transa minação catalisada pela serina2oxoglutarato amino transferase um átomo de nitrogênio ver Tabela 82 reação 8 O sistema fotossintético de transporte de elétrons forne ce uma molécula de ATP e duas moléculas de ferredoxina reduzida necessárias para a recuperação de uma molécula de NH4 por sua incorporação em glutamato via glutami na sintetase ver Tabela 82 reação 11 e glutamato sinta se dependente de ferredoxina GOGAT ver Tabela 82 reação 12 Em resumo 2 ribulose15bifosfato 3 O2 H2O ATP 2 ferredoxinared 2 H ATP 3 3fosfoglicerato CO2 2 Pi ADP 2 ferredoxinaoxid ADP Pi Devido ao suprimento adicional de ATP e ao poder redutor para a operação do ciclo fotorrespiratório a neces sidade quântica para a fixação de CO2 em condições de fotorrespiração alta O2 e baixa CO2 é maior do que em condições não fotorrespiratórias baixa O2 e alta CO2 As enzimas do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono das plantas derivam de diferentes ancestrais Os genomas completos de diferentes organismos de monstraram que todas as enzimas fotorrespiratórias es tão presentes nas plantas e nas algas vermelhas e verdes Além disso esses estudos filogenéticos sugerem que a distribuição de enzimas nas plantas se correlaciona com a origem de compartimentos envolvidos no ciclo fotossinté tico oxidativo C2 do carbono As enzimas dos cloroplastos evoluíram de uma cianobactéria endossimbionte enquan to as enzimas mitocondriais têm um ancestral proteobac teriano Por exemplo a glicerato quinase do cloroplasto é de origem de cianobactérias e a glicina descarboxilase mitocondrial vem de uma antiga proteobactéria As cianobactérias usam uma rota proteobacteriana para trazer os átomos de carbono do 2fosfoglicolato de volta ao ciclo de CalvinBenson Genomas de cianobactérias codificam todas as enzimas do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono das plantas A presença de fotorrespiração nos primeiros produtores de O2 indica um mecanismo antigo estreitamente ligado à fotossíntese oxigênica que surgiu como uma adaptação para lidar com o O2 intracelular Apesar de todas as enzi mas fotorrespiratórias semelhantes às das plantas esta rem presentes as cianobactérias existentes usam enzimas Taiz08indd 217 Taiz08indd 217 27102016 142357 27102016 142357 218 Unidade II Bioquímica e Metabolismo de antepassados proteobacterianos para a recuperação do carbono perdido no ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono Figura 810 e Tabela 83 reações 1 e 2 Inicialmente a enzima glicolato desidrogenase ver Tabela 83 reação 13 converte glicolato fotorrespiratório em glioxilato glicolato NAD glioxilato NADH H A seguir duas enzimas catalisam a conversão de glio xilato em glicerato Semialdeído tartrônico sintase glioxilato semial deído tartronato CO2 ver Tabela 83 reação 14 Semialdeído tartrônico redutase semialdeído tartro nato NADH H glicerato NAD ver Tabela 83 reação 15 Finalmente a glicerato quinase de cianobactérias fos forila o glicerato dando origem a 3fosfoglicerato que en tra novamente no ciclo de CalvinBenson glicerato ATP 3fosfoglicerato ADP ver Tabela 83 reação 10 Como em plantas terrestres o ciclo fotorrespiratório alternativo de cianobactérias libera um átomo de carbono ver Tabela 83 reação 14 e incorpora um esqueleto de três carbonos de volta ao ciclo de CalvinBenson ver Tabela 83 reação 10 As necessidades de ATP e redutores para essa via alternativa são diferentes das usadas por plantas terrestres no ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono porque cianobactérias contornam a liberação e a refixação de NH4 comparar o saldo da reação do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono nas Tabelas 82 e 83 O ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono interage com muitas rotas metabólicas As primeiras pesquisas sugeriam que o ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono servia para recuperar o carbono desviado pela atividade oxigenase da rubisco e proteger as plantas de condições estressantes como luz alta seca e estresse salino O impacto negativo da fotorrespiração na assimilação fotossintética de CO2 originouse de plantas mutantes que não sobrevivem no ar 21 de O2 004 de CO2 mas que retomam seu crescimento normal em am bientes com concentração alta de CO2 2 de CO2 Essa característica chamada de fenótipo fotorrespiratório serve para a identificação de componentes desconhecidos do ci clo oxidativo C2 do carbono Por exemplo os mutantes de Ciclo de CalvinBenson Ribulose15bifosfato 2 POCH2COCHOH2CH2OP 3fosfoglicerato 2fosfoglicolato 2 POCH2CO2 Cloroplasto ATP NADH 2 NADH NAD 2 NAD ADP Pi 2 O2 2 H2O 31 32 2 310 315 314 313 CO2 Glioxilato 2 OCHCO2 Glicolato 2 HOCH2CO2 3fosfoglicerato 2 POCH2CHOHCO2 Glicerato HOCH2CHOHCO2 Semialdeído tartrônico OCHCHOHCO2 Figura 810 Ciclo oxidativo fotossintético C2 do carbono de cia nobactérias De modo semelhante às plantas o metabolismo fotor respiratório de cianobactérias iniciase com a atividade oxigenase da rubisco seguida pela atividade hidrolítica da 2fosfoglicolato fosfa tase reações 31 e 32 Nesta fase a glicolato desidrogenase une a oxidação do glicolato ao glioxilato com a redução do NAD reação 313 A seguir a semialdeído tartrônico sintase catalisa a conver são de duas moléculas de glioxilato em semialdeído tartrônico e CO2 reação 314 Finalmente a semialdeído tartrônico redutase cata lisa a redução de semialdeído tartrônico a glicerato reação 315 A fosforilação do glicerato catalisada pela glicerato quinase traz o 3fosfoglicerato de volta para o ciclo de CalvinBenson reação 310 Taiz08indd 218 Taiz08indd 218 27102016 142357 27102016 142357 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 219 Arabidopsis que carecem de glicerato quinase acumulam glicerato e são simultaneamente incapazes de crescer em atmosfera normal mas são viáveis em atmosferas com ní veis elevados de CO2 No entanto o ciclo fotossintético oxidativo C2 do car bono requer a participação de três organelas cloroplas tos mitocôndrias e peroxissomos que estão integradas ao metabolismo total das células Estudos recentes reve laram uma conexão estreita entre fotorrespiração e outras rotas metabólicas das plantas O ciclo fotossintético oxida tivo C2 do carbono interage com Metabolismo do nitrogênio em múltiplos níveis A fotor respiração reassimila NH4 formado nas mitocôn drias usa glutamato em transaminações peroxissômi cas e produz aminoácidos serina glicina para outras rotas metabólicas Homeostase redox celular O H2O2 formado pela glico lato oxidase peroxissômica regula o estado redox de folhas A formação de H2O2 induz programas de sui cídio em indivíduos de cevada deficientes em catala se que exibem o fenótipo fotorrespiratório Embora o H2O2 danifique moléculas celulares importantes tais como DNA e lipídeos a visão atual reconhece essa espécie reativa de oxigênio como uma molécula sina lizadora ligada a respostas hormonais e de estresse Metabolismo C1 510metilenotetrahidrofolato é o cofator requerido pela glicina descarboxilaseserina hidroximetiltransferase na conversão de glicina em serina nas mitocôndrias As reações mediadas por fo latos transferem unidades de um carbono na síntese de precursores de proteínas ácidos nucleicos lignina e alcaloides Expressão de fatores de transcrição Mais de 200 fatores de transcrição são diferencialmente expressos quando as plantas são transferidas de atmosferas com níveis elevados de CO2 para a atmosfera normal A fotorres piração aumenta a expressão de genes que codificam os componentes das rotas cíclicas do fluxo de elétrons de acordo com a demanda de energia adicional da rota fotorrespiratória A fotorrespiração diminui os trans critos que codificam proteínas envolvidas na síntese de amido e sacarose e no metabolismo do nitrogênio e do enxofre A produção de biomassa pode ser aumentada por engenharia na fotorrespiração Soluções para a atual escassez de alimentos e energia de pendem do grau em que as plantas terrestres podem ser adaptadas a uma maior assimilação de CO2 Quando o O2 vence a competição com o CO2 a atividade oxigenase da TABELA 83 Reações do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono em cianobactérias Reaçãoa Enzima 1 2 ribulose15bifosfato 2 O2 2 2fosfoglicolato 2 3fosfoglicerato Rubisco 2 2 2fosfoglicolato 2 H2O 2 glicolato 2 Pi Fosfoglicolato fosfatase 13 2 glicolato 2 NAD 2 glioxilato 2 NADH 2 H Glicolato desidrogenase 14 2 glioxilato H semialdeído tartrônico CO2 Semialdeído tartrônico sintase 15 Semialdeído tartrônico NADH H glicerato NAD Semialdeído tartrônico redutase 10 Glicerato ATP 3fosfoglicerato ADP Glicerato quinase Reações líquidas do ciclo oxidativo fotossintético C2 do carbono em cianobactérias 2 Ribulose15bifosfato 2 O2 2 H2O NAD reações 1 2 13 14 e 15 Glicerato 2 3fosfoglicerato CO2 2 Pi NADH A fosforilação do glicerato catalisada pela glicerato quinase recupera a molécula de 3fosfoglicerato para o ciclo de CalvinBenson Glicerato ATP reação 10 3Fosfoglicerato ADP Assim o consumo de duas moléculas de O2 na atividade oxigenase da rubisco começa em cianobactérias uma rota do glicerato do tipo bacteriana que libera uma molécula de CO2 forma uma molécula do redutor NADH e consome uma molécula de ATP para a recuperação de um esqueleto de três carbonos de volta para o ciclo de CalvinBenson aLocalização cloroplastos Taiz08indd 219 Taiz08indd 219 27102016 142358 27102016 142358 220 Unidade II Bioquímica e Metabolismo rubisco reduz a quantidade de carbono que entra no ciclo de CalvinBenson Portanto para entender como manipu lar células foliares para melhorar a eficiência fotossintéti ca os cientistas estão abordando vários aspectos do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono desde a modifica ção do sítio ativo da rubisco até a introdução de rotas fo torrespiratórias paralelas por engenharia genética Apesar dos esforços consideráveis a modificação da rubisco para aliviar a fotorrespiração ainda não obteve sucesso Uma vez que o ciclo fotossintético oxidativo C2 do car bono é essencial para as plantas terrestres uma possibili dade atrativa é a incorporação de diferentes mecanismos para a recuperação dos átomos de carbono do 2fosfogli colato Duas abordagens diminuem o fluxo de metabóli tos fotorrespiratórios através dos peroxissomos e das mi tocôndrias liberando CO2 fotorrespirado no cloroplasto onde ele pode ser diretamente refixado Uma abordagem introduz uma rota catabólica bacteriana Escherichia coli do glicolato nos cloroplastos de plantas terrestres Ara bidopsis ver Figura 810 Os cloroplastos dessas plantas transgênicas têm um ciclo fotorrespiratório totalmente funcional ao mesmo tempo em que acomodam adicio nalmente as enzimas bacterianas glicolato desidrogenase semialdeído tartrônico sintase e semialdeído tartrônico redutase ver Tabela 83 reações 13 14 e 15 As plantas modificadas crescem mais rápido têm a biomassa aumen tada e contêm níveis mais elevados de açúcares solúveis Alternativamente a superexpressão de três enzimas no estroma do cloroplasto de Arabidopsis glicolato oxi dase catalase e malato sintetase provoca a liberação de CO2 a partir do glicolato Em primeiro lugar a oxidação do glicolato pela nova glicolato oxidase do cloroplasto pro duz glioxilato e H2O2 e a catalase catalisa a decomposição subsequente de H2O2 2 glicolato 2 O2 2 glioxilato 2 H2O2 2 H2O2 2 H2O O2 A seguir a ação sucessi va de duas enzimas converte duas moléculas de glioxilato dois átomos de carbono em piruvato três átomos de car bono e CO2 um átomo de carbono A malato sintase catalisa a condensação do glioxila to com a acetilCoA CoASCOCH3 produzindo malato 2 glioxilato CoASCOCH3 malato CoASH A enzima NADPmálico do cloroplasto catalisa a des carboxilação de malato para piruvato com a formação concomitante de NADPH malato NADP piru vato CO2 NADPH H Finalmente a piruvato desidrogenase do cloroplasto ca talisa a conversão do piruvato em acetilCoA produzindo NADH e outra molécula de CO2 piruvato CoASH NAD CoASCOCH3 CO2 NADH H Como resultado desse ciclo alternativo uma molécula de glico lato dois átomos de carbono é convertida em duas molé culas de CO2 dois átomos de carbono A oxidação de áto mos de carbono gera poder redutor na forma de NADPH e NADH Essas novas rotas se afastam da fotorrespiração das plantas em evitação das reações mitocondriais e pero xissômicas Como consequência a mudança do glicolato da fotorrespiração das plantas para as rotas modificadas libera CO2 na proximidade imediata da rubisco permi tindo uma rápida fixação de CO2 e ao mesmo tempo evita o uso de energia ATP e redutor necessária para recuperar o NH4 Mecanismos de concentração de carbono inorgânico Exceto por algumas bactérias fotossintetizantes organis mos fotoautotróficos na biosfera usam o ciclo de Calvin Benson para assimilar CO2 atmosférico A pronunciada redução nos níveis de CO2 e o aumento dos níveis de O2 que começaram há aproximadamente 350 milhões de anos desencadearam uma série de adaptações nos organismos fotossintetizantes para suportar um ambiente que promo veria a fotorrespiração Essas adaptações incluem várias estratégias para a captação ativa de CO2 e HCO3 do am biente e a acumulação de carbono inorgânico próximo da rubisco A consequência imediata de níveis mais elevados de CO2 próximo da rubisco é uma diminuição na reação de oxigenação Bombas de CO2 e HCO3 na membrana plas mática têm sido extensivamente estudadas em cianobac térias procarióticas algas eucarióticas e plantas aquáticas ver Tópico 81 na internet Em plantas terrestres a difusão do CO2 da atmosfera para o cloroplasto desempenha um papel crucial na fo tossíntese líquida Para ser incorporado em compostos de açúcar o carbono inorgânico tem de atravessar quatro barreiras parede celular membrana plasmática citoplas ma e envoltório do cloroplasto Evidências recentes reve laram que as proteínas de membrana que formam poros aquaporinas atuam como facilitadores da difusão para várias moléculas pequenas reduzindo a resistência do mesofilo para o transporte de CO2 As plantas terrestres desenvolveram dois mecanismos de concentração de carbono para aumentar a concentração de CO2 no sítio de carboxilação da rubisco Fixação fotossintética do carbono via C4 C4 Metabolismo ácido das crassuláceas CAM A absorção de CO2 atmosférico por esses mecanismos de concentração de carbono precede a assimilação do CO2 pelo ciclo de CalvinBenson Mecanismos de concentração de carbono inorgânico o ciclo C4 do carbono A fotossíntese C4 evoluiu como um dos principais meca nismos de concentração de carbono utilizados por plantas terrestres para compensar as limitações associadas a baixos níveis de CO2 atmosférico Algumas das culturas vegetais mais produtivas do planeta p ex milho canadeaçúcar Taiz08indd 220 Taiz08indd 220 27102016 142358 27102016 142358 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 221 sorgo usam esse mecanismo para aumentar a capacidade catalítica da rubisco Nesta seção são examinados Os atributos bioquímicos e anatômicos da fotossínte se C4 que minimizam a atividade oxigenase da rubis co e a perda concomitante de carbono pelo ciclo fotor respiratório A ação conjunta de diferentes tipos de células para a incorporação de carbono inorgânico em esqueletos de carbono A regulação mediada pela luz de atividades enzimá ticas e A importância da fotos síntese C4 para sustentar o crescimento vegetal em muitas áreas tropicais Malato e aspartato são os produtos primários da carboxilação no ciclo C4 No final da década de 1950 a H P Kortschack e Y Karpilov observaram que o marcador 14C apareceu inicialmente nos ácidos de quatro carbonos malato e aspartato quando 14CO2 foi fornecido às folhas de canadeaçúcar e milho na presença da luz Essa des coberta foi inesperada porque um ácido com três carbonos 3fosfoglicerato é o primeiro produto marcado no ciclo de CalvinBenson M D Hatch e C R Slack explicaram essa distribuição particular de car bono radiativo sugerindo um mecanismo alternativo ao ci clo de CalvinBenson Essa HCO3 Fosfoenol piruvato C3 Piruvato fosfato diquinase Piruvato C3 Piruvato C3 Malato Malato C4 PEPCase Enzima NADPmálica CO2 CO2 Região externa Barreira de difusão Conexões vasculares Atmosfera externa Região interna Membrana plasmática Parede celular Cloroplasto Metabólitos exportados 1 2 3 4 5 Cloroplasto Mitocôndria Ciclo de CalvinBenson Figura 811 O ciclo fotossintético C4 do carbono envolve cinco estágios sucessivos em dois compartimentos diferentes 1 Na peri feria das células foliares região externa a enzima fosfoenolpiruva to carboxilase PEPCase catalisa a reação do HCO3 fornecido pela captura de CO2 atmosférico com fosfoenolpiruvato um compos to de três carbonos Dependendo da planta o produto da reação oxaloacetato um composto de quatro carbonos é ainda transfor mado em malato ou aspartato pela ação das enzimas NADPmalato desidrogenase ou aspartato aminotransferase respectivamente ver Tabela 84 Por simplicidade o malato é mostrado nesta figura para as diferenças entre espécies nas reações que sustentam as rotas fo tossintéticas C4 ver Tópico 89 na internet 2 O ácido de quatro carbonos flui através de uma barreira de difusão para a região in terna próxima de conexões vasculares 3 A enzima de descarboxi lação p ex enzima NADmálica libera o CO2 do ácido de quatro carbonos produzindo um ácido de três carbonos p ex piruvato A captura do CO2 liberado pelos cloroplastos na região vascular for ma um grande excesso de CO2 relativo ao O2 ao redor da rubisco facilitando assim a assimilação do CO2 pelo ciclo de CalvinBenson 4 O ácido de três carbonos residual flui de volta à região externa 5 Fechando o ciclo C4 a enzima piruvato fosfato diquinase catalisa a regeneração do fosfoenolpiruvato o aceptor de HCO3 para outra volta do ciclo O consumo de duas moléculas de ATP por molécula de CO2 fixado ver Tabela 84 reações 7 e 8 impulsiona o ciclo C4 na direção das setas bombeando desse modo CO2 da atmosfera para o ciclo de CalvinBenson O carbono assimilado deixa o cloroplasto e após ser convertido em sacarose no citoplasma entra no floema para translocação a outras partes da planta rota é denominada ciclo fotossintético C4 do carbono tam bém conhecido como ciclo de HatchSlack ou ciclo C4 Hatch e Slack verificaram que 1 malato e aspartato são os primeiros intermediários estáveis da fotossíntese e 2 que o carbono 4 desses ácidos de quatro carbonos sub sequentemente se tornou o carbono 1 do 3fosfoglicerato Essas transformações ocorrem em dois tipos de células morfologicamente distintas células do mesofilo e células da bainha do feixe vascular que são separadas por suas respectivas paredes e membranas Barreira de difusão na Figura 811 Taiz08indd 221 Taiz08indd 221 27102016 142358 27102016 142358 222 Unidade II Bioquímica e Metabolismo No ciclo C4 a enzima fosfoenolpiruvato carboxila se PEPCase em vez da rubisco catalisa a carboxilação inicial nas células do mesofilo perto da atmosfera exter na Tabela 84 reação 1 ver Ensaio 81 na internet Ao contrário da rubisco o O2 não compete com o HCO3 na carboxilação catalisada pela PEPCase Os ácidos de quatro carbonos formados nas células do mesofilo fluem através da barreira de difusão às células da bainha do feixe vascu lar onde são descarboxilados liberando CO2 que é refixa do pela rubisco por meio do ciclo de CalvinBenson Em bora todas as plantas C4 partilhem a carboxilação primária pela PEPCase as outras enzimas usadas para concentrar o CO2 na vizinhança da rubisco variam entre diferentes espécies C4 ver Tópico 89 na internet Desde os estudos pioneiros das décadas de 1950 e 1960 o ciclo C4 tem sido associado a uma estrutura es pecial da folha chamada de anatomia Kranz Kranz é a palavra alemã para grinalda A anatomia Kranz típica apresenta um anel interno de células da bainha ao redor de tecidos vasculares e uma camada externa de células do mesofilo Essa anatomia foliar específica gera uma barrei ra de difusão que 1 separa a absorção de carbono atmos férico em células do mesofilo da assimilação de CO2 pela rubisco em células da bainha do feixe vascular e 2 limita o vazamento de CO2 da bainha para as células do mesofi lo No entanto já existem exemplos claros de fotossíntese C4 em célula única em algumas algas verdes diatomáceas e plantas aquáticas e terrestres Figura 812A ver Tópico 810 na internet Em resumo os gradientes de difusão não somente entre mas também dentro das células orien tam o vaivém de metabólitos entre os dois compartimen tos que operam o ciclo C4 O ciclo C4 assimila CO2 por uma ação combinada de dois tipos diferentes de células As principais características do ciclo C4 foram inicialmente descritas em folhas de plantas como o milho cujos tecidos vasculares são circundados por dois tipos de células fo tossintéticas característicos Nesse contexto anatômico o transporte de CO2 da atmosfera externa para as células da bainha do feixe vascular segue através de cinco estágios sucessivos ver Figura 811 e Tabela 84 1 Fixação do HCO3 no fosfoenolpiruvato pela PEPCa se nas células do mesofilo ver Tabela 84 reação 1 O produto da reação oxalacetato é subsequentemen te reduzido a malato por NADPmalato desidrogenase nos cloroplastos do mesofilo ver Tabela 84 reação 2 ou convertido em aspartato por transaminação com o glutamato no citosol ver Tabela 84 reação 3 2 Transporte dos ácidos de quatro carbonos malato ou aspartato para as células da bainha do feixe vascular 3 Descarboxilação dos ácidos de quatro carbonos e ge ração de CO2 que é então reduzido a carboidratos pelo ciclo de CalvinBenson Antes dessa reação uma aspartato aminotransferase catalisa a conversão do aspartato de volta a oxalacetato em algumas plantas C4 Tabela 84 reação 3 Diferentes tipos de plantas C4 fazem uso de diferentes descarboxilases para libe rar o CO2 para a supressão efetiva da reação oxigenase da rubisco ver Tabela 84 reações 4a 4b e 5 ver Tó pico 89 na internet 4 Transporte do esqueleto de três carbonos piruvato ou alanina formado pela etapa de descarboxilação de volta às células do mesofilo 5 Regeneração do fosfoenolpiruvato o aceptor de HCO3 ATP e fosfato inorgânico convertem piruva to em fosfoenolpiruvato liberando AMP e pirofosfato ver Tabela 84 reação 7 Duas moléculas de ATP são consumidas na conversão de piruvato em fosfoenolpi ruvato uma na reação catalisada por piruvato fosfato diquinase ver Tabela 84 reação 7 e outra na trans formação de AMP a ADP catalisada por adenilato quinase ver Tabela 84 reação 8 Quando alanina é o composto de três carbonos exportado pelas células da TABELA 84 Reações da fotossíntese C4 Enzima Reação 1 PEPCase Fosfoenolpiruvato HCO3 oxaloacetato Pi 2 NADPmalato desidrogenase Oxalacetato NADPH H malato NADP 3 Aspartato aminotransferase Oxalacetato glutamato aspartato 2oxoglutarato Enzimas de descarboxilação 4a Enzima NADPmálica Malato NADP piruvato CO2 NADPH H 4b Enzima NADmálica Malato NAD piruvato CO2 NADH H 5 Fosfoenolpiruvato carboxiquinase Oxalacetato ATP fosfoenolpiruvato CO2 ADP 6 Alanina aminotransferase Piruvato glutamato alanina 2oxoglutarato 7 Piruvato fosfato diquinase Piruvato Pi ATP fosfoenolpiruvato AMP PPi 8 Adenilato quinase AMP ATP 2 ADP 9 Pirofosfatase PPi H2O 2 Pi Nota Pi e PPi significam fosfato inorgânico e pirofosfato respectivamente Taiz08indd 222 Taiz08indd 222 27102016 142358 27102016 142358 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 223 Citosol região externa C Ciclo C4 em célula única A Anatomia Kranz B Anatomia Kranz Citosol barreira de difusão Citosol região interna Citosol região externa Citosol região interna CO2 CO2 CO CO2 CO2 CO CO2 CO2 C3 C3 C3 C3 C3 C3 C4 C4 C3 C4 C4 C4 C4 C4 Feixe vascular Célula da bainha do feixe vascular Célula do mesofilo Célula da bainha do feixe vascular Tecidos vasculares Membranas plasmáticas Célula do mesofilo Lado externo Gradientes de difusão Lado interno CO2 atmosférico CO2 Assimilação de car bono p ex sacarose Sacarose C3 C3 C4 C4 Ciclo C4 em célula única CO2 atmosférico CO2 Assimilação de carbono Crescimento em organismos unicelulares p ex diatomáceas Transporte para tecidos vasculares em organismos pluricelulares p ex plantas terrestres C3 C3 C4 C4 Figura 812 Rota fotossintética C4 em fo lhas de diferentes plantas A Em quase todas as espécies C4 conhecidas a assimilação fotos sintética do CO2 requer o desenvolvimento da anatomia Kranz painel à esquerda Essa carac terística anatômica compartimentaliza as reações fotossintéticas em dois tipos distintos de células que são organizadas concentricamente ao re dor das nervuras células do mesofilo e células da bainha do feixe vascular As células da bainha do feixe vascular circundam os tecidos vascu lares enquanto um anel externo de células do mesofilo fica na periferia da bainha e adjacente aos espaços intercelulares As membranas que separam as células designadas para fixação do CO2 das células destinadas a reduzir o carbono são essenciais para o funcionamento eficiente da fotossíntese C4 em plantas terrestres Alguns organismos unicelulares p ex diatomáceas e poucas plantas terrestres tipificadas pela Suae da aralocaspica anteriormente conhecida como Borszczowia aralocaspica e duas espécies de Bienertia contêm os equivalentes da compar timentalização C4 em uma única célula painel à direita Estudos das enzimaschave dessas plantas também revelam dois tipos dismórficos de cloroplastos localizados em diferentes com partimentos citoplasmáticos possuindo funções análogas às células do mesofilo e da bainha do feixe vascular na anatomia Kranz Os produtos da assimilação de CO2 sustentam o crescimento em organismos unicelulares e deixam o citosol para os tecidos vasculares em organismos multicelula res B Anatomia Kranz Imagem ao microscópio óptico de um corte transversal da lâmi na foliar de Flaveria australasica tipo de fotossíntese C4 enzima NADmálica C Fotossíntese C4 em célula única Diagra mas do ciclo C4 estão superpostos em micrografias eletrônicas de Suaeda aralo caspica esquerda e Bienertia cycloptera direita B cortesia de Athena McKown C de Edwards et al 2004 Taiz08indd 223 Taiz08indd 223 27102016 142358 27102016 142358 224 Unidade II Bioquímica e Metabolismo bainha do feixe vascular a formação de piruvato pela alanina aminotransferase precede a fosforilação pela piruvato fosfato diquinase ver Tabela 84 reação 6 A compartimentalização das enzimas garante que o carbono inorgânico da atmosfera possa ser assimilado ini cialmente pelas células do mesofilo e fixado subsequente mente pelo ciclo de CalvinBenson das células da bainha e finalmente exportado para o floema ver Figura 811 O ciclo C4 utiliza mecanismos diferentes para a descarboxilação dos ácidos de quatro carbonos transportados para as células da bainha do feixe vascular A fotossíntese C4 transporta diferentes ácidos de quatro carbonos do mesofilo para as células da bainha vascular emprega diferentes mecanismos para descarboxilar os áci dos de quatro carbonos nas células da bainha vascular e recupera nas células do mesofilo diferentes ácidos de três carbonos a partir de células da bainha vascular Tabela 85 O malato e o aspartato produzidos nos cloroplastos e no citosol de células do mesofilo respectivamente são transportados para as células da bainha vascular No tipo de fotossíntese C4 que utiliza a enzima NADPmálica NADPME o malato entra no cloroplasto das células da bainha vascular onde é descarboxilado pela NADPME ver Tabela 84 reação 4a Nos tipos de fotossíntese C4 que utilizam as enzimas NADmálica NADME e PEPcarboxiquinase PEPCK a aspartato aminotransferase citosólica das células da bai nha vascular catalisa a conversão do aspartato de volta a oxalacetato aspartato piruvato oxalacetato alanina A descarboxilação do oxalacetato em ambos os casos tem lugar nas mitocôndrias de células da bainha vascular pela NADME ver Tabela 84 reação 4b e pela PEPCK ver Ta bela 84 reação 5 O CO2 liberado difundese das mitocôn drias para os cloroplastos das células da bainha vascular Nos cloroplastos das células da bainha vascular o CO2 liberado pelas três descarboxilações aumenta a con centração de CO2 em torno do sítio ativo da rubisco mi nimizando assim a inibição por O2 Piruvato do tipo NADPME de fotossíntese C4 e alanina dos tipos NAD ME e PEPCK são transportados das células da bainha vascular para as células do mesofilo para a regeneração do fosfoenolpiruvato As células da bainha vascular e as células do mesofilo apresentam diferenças anatômicas e bioquímicas Originalmente descrito para gramíneas tropicais e Atriplex o ciclo C4 agora é conhecido por ocorrer em pelo menos 62 linhagens independentes de angiospermas distribuídas em 19 famílias diferentes As plantas C4 evoluíram a partir de ancestrais C3 há cerca de 30 milhões de anos em resposta a vários estímulos ambientais como mudanças atmosféricas queda de CO2 aumento de O2 modificação do clima glo bal períodos de seca e radiação solar intensa A transição de plantas C3 para plantas C4 requer a modificação coor denada de genes que afetam a anatomia foliar a ultraes trutura celular o transporte de metabólitos e a regulação de enzimas metabólicas As análises de i genes específi cos e elementos que controlam sua expressão ii mRNA e as sequências de aminoácidos deduzidas e iii genomas e transcriptomas C3 e C4 indicam que a evolução convergente está na base das múltiplas origens das plantas C4 Salvo em três plantas terrestres ver a seguir a anato mia Kranz característica aumenta a concentração de CO2 nas células da bainha vascular em quase 10 vezes mais do que a atmosfera externa Figura 812B e C A acumulação eficiente de CO2 nos arredores da rubisco no cloroplasto re duz a taxa de fotorrespiração para 2 a 3 da fotossíntese As células do mesofilo e da bainha do feixe vascular apre sentam grandes diferenças bioquímicas A PEPCase e a ru bisco estão localizadas nas células do mesofilo e nas células da bainha do feixe vascular respectivamente enquanto as descarboxilases são encontradas em diferentes com partimentos intracelulares das células da bainha vascular NADPME nos cloroplastos NADME nas mitocôndrias e PEPCK no citosol Além disso as células do mesofilo con têm cloroplastos arranjados aleatoriamente com tilacoides empilhados enquanto os cloroplastos das células da bainha vascular estão dispostos de forma concêntrica e exibem ti lacoides não empilhados Esses cloroplastos correlacionam se com necessidades energéticas da fotossíntese do tipo C4 Por exemplo espécies C4 do tipo NADPME em que o ma lato é enviado dos cloroplastos do mesofilo para as células TABELA 85 Mecanismos de descarboxilação do ácido C4 nos cloroplastos das células da bainha do feixe vascular Enzima de descarboxilação Ácido C4 transportado mesofilo bainha vascular para descarboxilação Ácido C3 movido bainha vascular mesofilo para carboxilação Planta Enzima NADPmálica NADPME Malato Piruvato Sorghum bicolor Zea mays Enzima NADmálica NADME Aspartato Alanina Cleome Atriplex PEPcarboxiquinase PEPCK Aspartato Alanina piruvato fosfoenolpiruvato Panicum maximum Taiz08indd 224 Taiz08indd 224 27102016 142358 27102016 142358 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 225 da bainha vascular exibem fotossistemas II e I funcionais nos cloroplastos do mesofilo enquanto os cloroplastos da bainha vascular são deficientes em fotossistema II Espécies NADPME requerem NADPH nos cloroplastos do mesofilo para a redução do oxalacetato para malato O ciclo C4 também concentra CO2 em células individuais A descoberta de fotossíntese C4 em organismos despro vidos de anatomia Kranz desvendou uma diversidade muito maior de modos de fixação C4 do carbono do que inicialmente se havia pensado existirver Tópico 810 na internet Três plantas que crescem na Ásia Suaeda ara locaspica anteriormente Borszczowia aralocaspica e duas espécies de Bienertia realizam a fotossíntese C4 completa nas células individuais do clorênquima ver Figura 812A e C A região externa próxima ao ambiente externo realiza a carboxilação inicial e a regeneração do fosfoenolpiruva to enquanto a região interna opera na descarboxilação dos ácidos de quatro carbonos e na refixação pela rubisco do CO2 liberado O citosol dessas espécies de Chenopodiaceae abriga cloroplastos dismórficos com diferentes subconjun tos de enzimas Diatomáceas algas eucarióticas fotossintéticas en contradas em sistemas marinhos e de água doce tam bém realizam a fotossíntese C4 dentro de uma única cé lula A importância da rota C4 na fixação de carbono foi confirmada pela utilização de inibidores específicos para PEPCase e pela identificação de sequências de nucleotí deos que codificam enzimas essenciais para o metabo lismo C4 PEPCase PEPCK e piruvato fosfato diquinase nos genomas de duas diatomáceas Thalassiosira pseudo nana e Phaeodactylum tricornutum Embora a descoberta desses genes sugira que o carbono é assimilado pela rota C4 as diatomáceas também possuem transportadores de bicarbonato e anidrases carbônicas que podem funcionar para elevar a concentração de CO2 no sítio ativo da rubis co Análises bioquímicas de enzimas essenciais das C4 e transportadores de HCO3 serão necessárias para avaliar a importância funcional dos diferentes mecanismos de con centração de CO2 nas diatomáceas A luz regula a atividade de enzimaschave das C4 Além do fornecimento de ATP e NADPH para o funcio namento do ciclo C4 a luz é fundamental para a regulação de várias enzimas participantes Variações na densidade de fluxo de fótons promovem alterações nas atividades da NADPmalato desidrogenase da PEPCase e da piruvato fosfato diquinase por dois mecanismos diferentes troca dos grupos tioldissulfeto EnzCysS2 EnzCysSH2 e fosforilaçãodesfosforilação de resíduos de aminoácidos específicos p ex serina EnzSerOH EnzSerOP A NADPmalato desidrogenase é regulada por inter médio do sistema ferredoxinatiorredoxina como nas plan tas C3 ver Figura 86 A enzima é reduzida ativada pela tiorredoxina quando as folhas são iluminadas mas é oxida da inativada no escuro A fosforilação diurna da PEPCase por uma quinase específica chamada de PEPCase quinase aumenta a absorção de CO2 do ambiente e a desfosforila ção noturna pela proteína fosfatase 2A traz a PEPCase de volta à atividade baixa Uma enzima altamente incomum regula a atividade claroescuro da piruvato fosfato diqui nase Esta é modificada por uma treonina quinase fosfatase bifuncional que catalisa tanto a fosforilação dependente de ADP quanto a desfosforilação dependente de Pi da piruvato fosfato diquinase O escuro promove a fosforilação da piru vato fosfato diquinase PPDK de pyruvatephosphate diki nase pela quinase fosfatase reguladora PPDKativa ADP PPDKPinativa AMP causando a perda de atividade da enzima A clivagem fosforolítica do grupo fosforil na luz pela mesma enzima restabelece a capacidade catalítica da PPDK PPDKPinativa Pi PPDKativa PPi A assimilação fotossintética de CO2 nas plantas C4 demanda mais processos de transporte do que as plantas C3 Os cloroplastos exportam parte do carbono fixado para o citosol durante a fotossíntese ativa enquanto importam o fosfato liberado de processos biossintéticos para repor ATP e outros metabólitos fosforilados no estroma Em plantas C3 os principais fatores que modulam a partição de car bono assimilado entre o cloroplasto e o citosol são as con centrações relativas de trioses fosfato e fosfato inorgânico Trioses fosfato isomerase rapidamente interconvertem a dihidroxiacetona fosfato e o gliceraldeído3fosfato no plastídio e no citosol Tabela 86 reação 1 O translocador de triose fosfato um complexo proteico na membrana in terna do envoltório do cloroplasto troca trioses fosfato do cloroplasto por fosfatos do citosol ver Tabela 86 reação 2 ver Tópico 811 na internet Assim plantas C3 necessi tam de um processo de transporte através do envoltório do cloroplasto para exportar trioses fosfato três moléculas de CO2 assimiladas dos cloroplastos para o citosol Nas plantas C4 a distribuição da assimilação fotos sintética do CO2 em mais de duas células diferentes en volve um fluxo expressivo de metabólitos entre as células do mesofilo e as células da bainha vascular Além disso três rotas diferentes realizam a assimilação de carbono inorgânico na fotossíntese C4 Nesse contexto diferentes metabólitos fluem do citosol de células da folha para os cloroplastos as mitocôndrias e os tecidos de condução Portanto a composição e a função de translocadores em organelas e na membrana plasmática de plantas C4 de pendem da rota utilizada para a assimilação do CO2 Por exemplo células do mesofilo do tipo fotossintético C4 NADPME utilizam quatro etapas de transporte através do envoltório do cloroplasto para fixar uma molécula de CO2 atmosférico 1 importação de piruvato citosólico transportador desconhecido 2 exportação de fosfoe nolpiruvato do estroma translocador de fosfoenolpiruvato Taiz08indd 225 Taiz08indd 225 27102016 142358 27102016 142358 226 Unidade II Bioquímica e Metabolismo TABELA 86 Reações na conversão de trioses fosfato produzidas fotossinteticamente em sacarose 1 Triose fosfato isomerase Dihidroxiacetona fosfato gliceraldeído3fosfato C O CH2OPO3 2 CH2OH CHOH CH2OPO3 2 CHO 2 Transportador fosfatotriose fosfato Triose fosfato cloroplasto Pi citosol triose fosfato citosol Pi cloroplasto 3 Frutose16bifosfato aldolase Dihidroxiacetona fosfato gliceraldeído3fosfato frutose16bifosfato C O CH2OPO3 2 CH2OH C C HO O H H CH2OPO3 2 CH2OPO3 2 2O3POH2C HO HO OH H H H O 4 Frutose16bifosfatase Frutose16bifosfato H2O frutose6fosfato Pi CH2OPO3 2 2O3POH2C HO HO OH H H H O CH2OH 2O3POH2C HO HO OH H H H O 5a Frutose6fosfato 1quinase fosfofrutoquinase Frutose6fosfato ATP frutose16bifosfato ADP CH2OH 2O3POH2C OH OH OH H H H H H H CH2OPO3 2 2O3POH2C OH OH OH O O 5b Fosfofrutoquinase ligada ao PPi Frutose6fosfato PPi frutose16bifosfato Pi CH2OPO3 2 2O3POH2C HO HO OH H H H O CH2OH 2O3POH2C HO HO OH H H H O 5c Frutose6fosfato 2quinase Frutose6fosfato ATP frutose26bifosfato ADP CH2OH 2O3POH2C OH OH OH H H H H H H CH2OH 2O3POH2C OH OH OPO3 2 O O 6 Frutose26bifosfatase Frutose26bifosfato H2O frutose6fosfato Pi CH2OH 2O3POH2C HO HO OH H H H O H H H CH2OH 2O3POH2C OH OH OPO3 2 O Taiz08indd 226 Taiz08indd 226 27102016 142358 27102016 142358 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 227 TABELA 86 Continuação 7 Hexose fosfato isomerase Frutose6fosfato glicose6fosfato OH CH2OH 2O3POH2C HO HO OH H H H O CH2OPO3 2 OH OH HO H H H H H O 8 Fosfoglicomutase Glicose6fosfato glicose1fosfato OH CH2OPO3 2 OH OH HO H H H H H OPO3 2 CH2OH HO OH HO H H H H H O O 9 UDPglicose pirofosforilase Glicose1fosfato UTP UDPglicose PPi CH2OH HO OPO3 2 OH HO H H H H H O O P O O O O P O O O O P O Uridina CH2OH OH OH HO H H H H H O P O O O O O P O O Uridina 10 Sacarose6Ffosfatosintase UDPglicose frutose6fosfato UDP sacarose6Ffosfato CH2OH OH OH HO H H H H H O O P O O O O O P O Uridina CH2OH 2O3PO CH2 HO HO OH H H H O CH2OH HO HO O H H H O CH2OH OH OH HO H H H H H 2O3PO CH2 O 11 Sacarose6Ffosfato fosfatase Sacarose6Ffosfato H2O sacarose Pi CH2OH HO HO O H H H O CH2OH OH OH HO H H H H H O 2O3PO CH2 CH2OH HO HO O H H H O CH2OH OH OH HO H H H H H O HOH2C Nota A triose fosfato isomerase reação 1 catalisa o equilíbrio entre dihidroxiacetona fosfato e gliceraldeído3fosfato no estroma do cloroplasto enquanto o transportador de Pi reação 2 facilita a troca entre trioses fosfato e Pi através da membrana interna do envoltório do cloroplasto Todas as outras enzimas catalisam reações no citosol Pi e PPi significam fosfato inorgânico e pirofosfato respectivamente Taiz08indd 227 Taiz08indd 227 27102016 142358 27102016 142358 228 Unidade II Bioquímica e Metabolismo fosfato 3 importação de oxalacetato citosólica trans portador de dicarboxilato e 4 exportação de malato do estroma transportador dicarboxilato A adaptação dos envoltórios dos cloroplastos às exi gências da fotossíntese C4 foi revelada quando membranas dessas organelas em células do mesofilo de ervilha uma planta C3 e milho uma planta C4 foram analisadas por cromatografia líquida seguida de espectroscopia de mas sa Os cloroplastos das células do mesofilo das plantas C3 e C4 exibiram proteomas qualitativamente similares porém quantitativamente diferentes nas membranas do envol tório Em particular os translocadores que participam no transporte de trioses fosfato e fosfoenolpiruvato são mais abundantes nos envoltórios de plantas C4 do que nos en voltórios de plantas C3 Essa maior abundância garante que os fluxos de intermediários metabólicos através do envoltório do cloroplasto de plantas C4 sejam maiores do que os fluxos em plantas C3 Em climas quentes e secos o ciclo C4 reduz a fotorrespiração Como visto anteriormente neste capítulo temperaturas elevadas limitam a taxa de assimilação fotossintética de CO2 em plantas C3 pela redução da solubilidade do CO2 e da razão entre as reações de carboxilação e oxigenação da rubisco Devido à diminuição da atividade fotossintética da rubisco a demanda de energia associada com a fotor respiração aumenta nas áreas mais quentes do mundo Em plantas C4 duas características contribuem para superar os efeitos deletérios da alta temperatura Em primeiro lugar o CO2 atmosférico entra no cito plasma das células do mesofilo onde a anidrase carbô nica converte rápida e reversivelmente CO2 em bicar bonato CO2 H2O HCO3 H Keq 17 104 Climas quentes diminuem os níveis de CO2 porém essas baixas concentrações citosólicas de HCO3 satu ram a PEPCase porque a afinidade da enzima por seu substrato é suficientemente alta Assim essa alta ati vidade da PEPCase permite às plantas C4 reduzir sua abertura estomática em altas temperaturas e assim conservar água enquanto fixam CO2 em taxas iguais ou maiores do que as plantas C3 Em segundo lugar a elevada concentração de CO2 em cloroplastos da bainha do feixe vascular minimiza o funcionamento do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono A resposta da assimilação líquida de CO2 à tempera tura controla a distribuição de espécies C3 e C4 na Terra A eficiência fotossintética ótima das espécies C3 geral mente ocorre em temperaturas inferiores à temperatura das espécies C4 cerca de 20 a 25C e 25 a 35C respecti vamente Ao permitirem a assimilação mais eficiente de CO2 em temperaturas mais altas as espécies C4 tornam se mais abundantes nas regiões tropicais e subtropicais e menos abundantes quando as latitudes se afastam da linha do Equador Embora a fotossíntese C4 comumente seja dominante em ambientes quentes um grupo de gra míneas perenes Miscanthus Spartina é de C4 cultivadas tolerantes ao resfriamento que se desenvolvem bem em áreas onde o clima é moderadamente frio Mecanismos de concentração de carbono inorgânico metabolismo ácido das crassuláceas CAM Outro mecanismo para concentrar CO2 em torno da rubis co está presente em muitas plantas que habitam ambien tes áridos com disponibilidade de água sazonal incluin do plantas comercialmente importantes como o abacaxi Ananas comosus o agave Agave spp os cactos Cactace ae e as orquídeas Orchidaceae Essa variante importan te da fixação fotossintética do carbono foi historicamente chamada de metabolismo ácido das crassuláceas CAM para reconhecer sua observação inicial em Bryophyllum calycinum um membro suculento das Crassulaceae Como o mecanismo C4 o CAM parece ter se originado durante os últimos 35 milhões de anos para conservar a água em hábitats onde a precipitação é insuficiente para o cresci mento das culturas As folhas das plantas CAM têm carac terísticas que minimizam a perda de água como cutícu las grossas grandes vacúolos e estômatos com pequenas aberturas O arranjo compactado das células do mesofilo melho ra o desempenho do CAM restringindo a perda de CO2 durante o dia Em todas as plantas CAM a captura ini cial de CO2 em ácidos de quatro carbonos ocorre durante a noite e a posterior incorporação do CO2 em esqueletos de carbono ocorre durante o dia Figura 813 À noite a PEPCase citosólica fixa CO2 atmosférico e respiratório em oxalacetato usando o fosfoenolpiruvato formado pela de composição glicolítica de carboidratos armazenados ver Tabela 84 reação 1 Uma NADPmalato desidrogenase citosólica converte o oxalacetato em malato que é arma zenado na solução ácida dos vacúolos durante o resto da noite ver Tabela 84 de reação 2 Durante o dia o malato armazenado sai do vacúolo para descarboxilação por me canismos semelhantes aos das plantas C4 isto é por uma NADPME citosólica ou NADME mitocondrial ver Ta bela 84 reações 4a e 4b O CO2 liberado é disponibilizado para os cloroplastos para a fixação pela rubisco enquan to o ácido de três carbonos coproduzido é convertido em trioses fosfato e posteriormente em amido ou sacarose via gliconeogênese ver Figura 813 Mudanças na taxa de captura de carbono e na regu lação da enzima ao longo do dia criam um ciclo CAM de 24 horas Quatro fases distintas abrangem o controle tem poral das carboxilações C4 e C3 dentro do mesmo ambien te celular fase I noite fase II início da manhã fase III durante o dia e fase IV final da tarde Tópico 812 na Taiz08indd 228 Taiz08indd 228 27102016 142358 27102016 142358 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 229 internet Durante a fase I noturna quando os estômatos estão abertos o CO2 é captado e armazenado como malato no vacúolo A captura do CO2 pela PEPCase domina a fase I Na fase III diurna quando os estômatos estão fecha dos e as folhas estão fotossintetizando o malato estocado é descarboxilado Isso resulta em altas concentrações de CO2 ao redor do sítio ativo da rubisco aliviando assim os efeitos adversos da fotorrespiração As fases transientes II e IV alteram o metabolismo em preparação para as fases III e I respectivamente Na fase II a atividade da rubisco aumenta mas decresce na fase IV Por outro lado a ativi dade da PEPCase aumenta na fase IV porém decai na fase II A contribuição de cada fase para o equilíbrio global de carbono varia consideravelmente entre diferentes plantas CAM e é sensível às condições ambientais Plantas CAM constitutivas usam a captação noturna de CO2 em todos os momentos enquanto seus homólogos facultativos re correm à via CAM somente quando induzidos por estresse hídrico ou salino Se as trioses fosfato produzidas pelo ciclo de Calvin Benson serão estocadas como amido no cloroplasto ou utilizadas para a síntese de sacarose vai depender da espécie vegetal Entretanto esses carboidratos em últi ma análise garantem não apenas o crescimento vegetal mas também o suprimento de substratos para a próxima fase de carboxilação noturna Para resumir a separação temporal da carboxilação inicial noturna da descarboxi lação diurna aumenta a concentração de CO2 próximo da rubisco e reduz a ineficiência inevitável da atividade oxigenase Epiderme foliar Escuro estômatos abertos Luz estômatos fechados O estômato aberto permite a captura do CO2 e a perda de H2O transpiração CO2 atmosférico CO2 atmosférico CO2 respiratório O estômato fechado impede captura do CO2 e a perda de H2O transpiração HCO3 Fosfoenol piruvato PEPCase Oxalacetato Malato Ácido málico Trioses fosfato Amido NADmalato desidrogenase CO2 Malato Amido Piruvato Ciclo de Calvin Benson Enzima NADmálica NADH NAD NADH NAD 41 42 44b Pi Cloroplasto Citosol Citosol Vacúolo Ácido málico Vacúolo Cloroplasto Mitocôndria Figura 813 Metabolismo ácido das crassuláceas CAM No CAM a captura do CO2 está separada temporalmente da fixação pelo ciclo de CalvinBenson A captura do CO2 atmosférico ocorre à noite quando os estômatos estão abertos Nesse estágio o CO2 gasoso no citosol vindo tanto da atmosfera externa como da res piração mitocondrial aumenta os níveis de HCO3 CO2 H2O HCO3 H Então a PEPCase citosólica catalisa a reação entre o HCO3 e o fosfoenolpiruvato fornecido pela decomposição noturna de amido do cloroplasto O ácido de 4 carbonos resultante oxa lacetato é reduzido a malato que por sua vez prossegue para o ambiente ácido do vacúolo Durante o dia o ácido málico que fora armazenado no vacúolo à noite flui de volta ao citosol A ação da enzima NADmálica transforma o malato liberando CO2 o qual é refixado em esqueletos de carbono pelo ciclo de CalvinBenson Em essência a acumulação diurna do amido no cloroplasto constitui o ganho líquido da captura noturna de carbono inorgânico A vanta gem adaptativa do fechamento estomático durante o dia é que ele evita não apenas a perda de água por transpiração mas também a troca do CO2 interno com a atmosfera externa Ver Tabela 84 para a descrição das reações numeradas Taiz08indd 229 Taiz08indd 229 27102016 142358 27102016 142358 230 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Diferentes mecanismos regulam a PEPCase C4 e a PEPCase CAM A análise comparativa das PEPCases fotossintéticas for nece um exemplo notável da adaptação da regulação da enzima a metabolismos específicos A fosforilação de PEPCases vegetais por PEPCasequinase converte a for ma não fosforilada inativa em sua contrapartida fosfori lada ativa PEPCaseinativa ATP PEPCasequinase PEPCasePativa ADP A desfosforilação da PEPCase pela proteína fosfatase 2A traz a enzima de volta para a forma inativa A PEPCase C4 é funcional durante o dia e inativa durante a noite e a PEPCase CAM opera durante a noite e reduz a atividade durante o dia Assim a PEPCase C4 diurna e a PEPCase CAM noturna são fosforiladas As respostas contras tantes das PEPCases fotossintéticas à luz são conferidas pelos elementos reguladores que controlam a síntese e a degradação das PEPCasequinases A síntese de PEP Casequinase é mediada por mecanismos de detecção de luz nas folhas C4 e por ritmos circadianos endógenos nas folhas CAM O metabolismo ácido das crassuláceas é um mecanismo versátil sensível a estímulos ambientais A alta eficiência do uso da água nas plantas CAM prova velmente seja responsável por sua ampla diversificação e especiação em ambientes limitados em água As plantas CAM que crescem em desertos como os cactos abrem seus estômatos durante as noites frias e os fecham durante os dias quentes e secos A vantagem potencial das plantas CAM terrestres em ambientes áridos é bem ilustrada pela introdução acidental da pera espinhosa africana Opuntia stricta no ecossistema australiano De umas poucas plan tas em 1840 a população de O stricta expandiuse pro gressivamente para ocupar 25 milhões de hectares em menos de um século O fechamento dos estômatos durante o dia minimi za a perda de água em plantas CAM mas como H2O e CO2 compartilham a mesma rota de difusão o CO2 deve então ser capturado pelos estômatos abertos à noite ver Figura 813 A disponibilidade de luz mobiliza as reservas de malato vacuolar para a ação de enzimas específicas de descarboxilação NADPME e PEPCK e a assimilação do CO2 resultante pelo ciclo de CalvinBenson O CO2 li berado pela descarboxilação não escapa da folha porque os estômatos estão fechados durante o dia Como conse quência o CO2 gerado internamente é fixado pela rubisco e convertido em carboidratos pelo ciclo de CalvinBen son Assim o fechamento estomático não apenas auxilia na conservação da água mas também assiste na acumu lação da elevada concentração interna de CO2 que melho ra a carboxilação fotossintética da ribulose15bifosfato Atributos genotípicos e fatores ambientais modulam a extensão na qual as capacidades bioquímicas e fisiológicas das plantas CAM são expressas Embora muitas espécies de plantas suculentas ornamentais na família Crassulace ae p ex Kalanchoë sejam plantas CAM obrigatórias que exibem ritmo circadiano outras p ex Clusia mostram fotossíntese C3 e CAM simultaneamente em folhas distin tas A proporção de CO2 capturada pela PEPCase à noite ou pela rubisco durante o dia assimilação líquida de CO2 é ajustada 1 pelo comportamento estomático 2 pelas flutuações na acumulação dos ácidos orgânicos e carboi dratos de reserva 3 pela atividade das enzimas primária PEPCase e secundária rubisco de carboxilação 4 pela atividade das enzimas de descarboxilação e 5 pela sínte se e decomposição dos esqueletos de três carbonos Muitos representantes das plantas CAM são capa zes de ajustar seu padrão de captação de CO2 em respos ta a variações de longo prazo das condições ambientais A ervadegelo Mesembryanthemum crystallinum L a agave e a Clusia estão entre as plantas que utilizam o CAM quando a água é escassa mas fazem uma transição gradual para C3 quando a água se torna abundante Ou tras condições ambientais como salinidade temperatura e luz também contribuem para a extensão na qual o CAM é induzido nessas plantas Essa forma de regulação requer a expressão de numerosos genes CAM em resposta aos sinais de estresse O fechamento dos estômatos para conservação de água em zonas áridas pode não ser a única base da evolu ção de CAM porque paradoxalmente as espécies CAM também são encontradas entre plantas aquáticas Talvez esse mecanismo também aumente a obtenção de carbono inorgânico como HCO3 em hábitats aquáticos onde a alta resistência à difusão gasosa restringe a disponibilida de do CO2 Acumulação e partição de fotossintatos amido e sacarose Metabólitos acumulados na luz fotossintatos tornam se a melhor fonte de energia para o desenvolvimento da planta A assimilação fotossintética de CO2 pela maioria das folhas produz sacarose no citosol e amido nos cloro plastos Durante o dia a sacarose flui continuamente a partir do citosol da folha para tecidosdreno heterotrófi cos enquanto o amido se acumula como grânulos densos nos cloroplastos Figura 814 Tópico 813 na internet O escurecimento não somente cessa a assimilação de CO2 mas também dá início à degradação do amido dos cloro plastos O conteúdo de amido nos cloroplastos cai durante a noite porque os produtos de degradação fluem para o citosol para sustentar a exportação de sacarose para ou tros órgãos A grande flutuação do amido do estroma na luz versus no escuro é a razão pela qual o polissacarídeo armazenado nos cloroplastos é chamado de amido transitó rio O amido transitório funciona como 1 um mecanismo Taiz08indd 230 Taiz08indd 230 27102016 142358 27102016 142358 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 231 de transbordamento que armazena fotossintato quando a síntese e o transporte de sacarose são limitados durante o dia e 2 uma reserva de energia para proporcionar uma fonte adequada de carboidratos durante a noite quando os açúcares não são formados pela fotossíntese As plan tas variam muito na magnitude em que acumulam amido e sacarose nas folhas Figura 814 Em algumas espécies p ex soja beterraba Arabidopsis a proporção de ami do para sacarose na folha é quase constante ao longo do dia Em outras p ex espinafre feijoeiro francês o ami do acumulase quando a sacarose excede a capacidade de armazenagem da folha ou a demanda dos tecidosdreno O metabolismo de carbono das folhas também respon de às necessidades de energia e de crescimento dos tecidos dreno Mecanismos de regulação asseguram que os pro cessos fisiológicos no cloroplasto sejam sincronizados não somente com o citoplasma da célula da folha mas também com outras partes da planta durante o ciclo dianoite Uma abundância de açúcares nas folhas promove o crescimento da planta e a armazenagem de carboidratos em órgãos de reserva enquanto níveis baixos de açúcares nos tecidos dreno estimulam a taxa de fotossíntese O transporte de sacarose liga a disponibilidade de carboidratos nas folhas fonte ao uso de energia e à formação de polissacarídeos de reserva nos tecidosdreno ver Capítulo 11 Formação e mobilização do amido do cloroplasto O amido é o principal carboidrato de reserva em plantas sendo superado apenas pela celulose como o polissacarí deo mais abundante Na luz os cloroplastos armazenam parte do carbono assimilado como grânulos de amido in solúveis que são degradados durante a noite O ritmo de 24 horas da reciclagem turnover de amido ajustase à situação do ambiente Por exemplo plantas de Arabidopsis cultivadas em dias curtos dia de 6 hnoite de 18 h alocam mais fotossintatos em amido do que plantas cultivadas Trioses fosfato Trioses fosfato Hexoses fosfato Hexoses fosfato Sacarose Sacarose Sacarose Amido Amido Maltose Translocadores de maltose glicose Glicose CO2 Ciclo de Calvin Benson Pi Translocador de Pi Citosol Tecidos vasculares Raízes caules Grãos tubérculos Crescimento Armazenagem de carboidratos p ex amido frutanos ADPglicose ADPglicose Frutose ADP Cloroplasto Citosol Cloroplasto Células foliares DIA NOITE Figura 814 Mobilização do carbono em plantas terrestres Du rante o dia o carbono assimilado fotossinteticamente é utilizado para a formação de amido no cloroplasto ou é exportado para o ci tosol para a síntese de sacarose Estímulos externos e internos con trolam a partição entre amido e sacarose Trioses fosfato do ciclo de CalvinBenson podem ser utilizadas para 1 a síntese de ADPglico se o doador de glicosil para a síntese do amido no cloroplasto ou 2 a translocação para o citosol para a síntese de sacarose Durante a noite a clivagem das ligações glicosídicas do amido libera malto se e glicose que fluem através do envoltório do cloroplasto para suplementar o pool de hexoses fosfato e contribuir para a síntese de sacarose O transporte através do envoltório do cloroplasto rea lizado por translocadores para fosfato maltose e glicose transmite informações entre os dois compartimentos Como consequência da síntese diurna e da degradação noturna os níveis de amido do cloroplasto são máximos durante o dia e mínimos durante a noite Esse amido de transição serve como a reserva de energia noturna que proporciona um suprimento adequado de carboidratos para as plantas terrestres e também como uma válvula de escape diurna que aceita o excesso de carbono quando a assimilação fotossintéti ca de CO2 prossegue mais rapidamente do que a síntese de sacaro se Diariamente a sacarose liga a assimilação de carbono inorgânico CO2 nas folhas à utilização de carbono orgânico para o crescimen to e a armazenagem em partes não fotossintetizantes da planta Taiz08indd 231 Taiz08indd 231 27102016 142358 27102016 142358 232 Unidade II Bioquímica e Metabolismo α14 α16 CH2OH OH O O CH2OH n O O CH2OH O CH2OH OH OH O O CH2OH n O O CH2OH O O Amilose Amilopectina O CH2OH O O CH2OH O O CH2OH O OH m CH2OH O O CH2OH O O CH2 O O CH2OH O OH m A B C Cristalino Amorfo Agregado de amilopectina 011 nm Lamela 10 nm Blocklet 20250 nm Blocklets defeituosos Blocklets normais Grânulo de amido 1000 nm 10 μm Taiz08indd 232 Taiz08indd 232 27102016 142358 27102016 142358 em dias longos dia de 18 hnoite de 6 h mas em ambos os casos o amido transcristalino é considerado ao amanhecer Nas seções a seguir serão considerados os processos dos cloroplastos associados ao acúmulo diurno e à degradação noturna do amido O estroma do cloroplasto acumula amido como grânulos insolúveis durante o dia O amido assim como glicogênio é um polissacarídeo complexo estruturado a partir de um único monossacarídeo glicose que consiste em dois componentes principais amilopectina e amilo se Figura 815A As unidades αDglicóisicos glicosídicas em longas cadeias lineares ligadas por ligações glicosídicas αD14 onde as ligações glicosídicas αD16 são formadas como pontos de ramificação A contribuição das ligações glicosídicas αD16 ao total de ligações é menor em amilopectina cerca de 1 do total do que na amilopectina cerca de 66 assim a primeira é essencialmente linear e a última é ramificada O peso molecular da amilope 500200000 unidades de glicose é menor do que o da amilopectina cerca de 106 unidades de glicose A estrutura o tamanho e as proporções da amilo se da amilopectina variam entre as espécies de plantas Os cloroplastos armazenam granulações de amido de carbono redundante em várias formas como grânulos insolúveis e na forma de grânulos lineares e globulares O conteúdo de amido e a razão entre cadeias ramificadas longas e curtas na amilopectina regulam a estrutura e o tamanho do grânulo de amido Além disso a associação dos componentes do estroma monómeros de fosfato lipídios folfose e proteínas com o grânulo também controla a arquitetura molecular Figura 815C A medida que a acumulação de grânulos de amido no estroma exerce tensão sobre o envoltório os canais iônicos percebem os estímulos mecânicos e rapidamente ajustam o volume e a forma dos cloroplastos A flutuação de amido transitório originase de alterações no tamanho de um número fixo de grânulos de amido A biossíntese de amilo e amilopectina progresa por etapas sucessivas iniciação alongamento ramificação e terminação da cadeia de polissacarídeos Números extensos têm mostrado nosso compreensão do alongamento da ramificação mas o conceito de iniciação e da terminação permanece limitado A atividade nucleotídica ADPglucose proporciona a porção glicosilar para a biossíntese das ligações glicosídicas αD14 de amilo Embora a ação ADPglicose do cloroplasto seja controversa a enzima ADPglicose pirofosforilase AGPase do cloroplasto catalisa a síntese até maior parte desse precursor do amido Figura 816A reação 1 O aumento da amilo se progressivamente através da enzima indicada endereça a razão aguda de produção do amido em estudos de função Figura 816A reação 2 O aumento da amilo se e da resistência pressionada por essa enzima leva a formação do produto formado a partir da síntese do amido ver figura 816B reações 1 e 2 234 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Figura 816 Rota de síntese do amido A biossíntese do ami do em plantas é um processo complexo que inclui a biossíntese do açúcar nucleotídeo ADPglicose a formação do primer o alon gamento do glucano ligado linearmente D14 e a ramificação da molécula de amilose para a biossíntese de amilopectina A Alon gamento e ramificação do amido 1 A primeira etapa empenhado na biossíntese do amido é a formação de ADPglicose A enzima ADPglicose pirofosforilase catalisa a formação de ADPglicose a partir de ATP e glicose1fosfato com a liberação simultânea de pi rofosfato 2 A próxima etapa na formação do amido é a adição sucessiva de porções glicosil por meio de ligações D14 que alon gam o polissacarídeo Amidos sintase transferem a porção glicosil da ADPglicose para a extremidade não redutora de um primer pre existente de glucano D14 mantendo a configuração anomérica da glicose na ligação glicosídica A rota biossintética de formação do primer permanece indefinível As múltiplas isoformas da amido Glicose1P Biossíntese de ADPglicose A Alongamento do amido Ramificação do amido Enzima de ramificação ADPglicose ADPglicose Primer Amilose via amido sintase ligada ao grânulo Amilopectina via amido sintase solúvel ADPglicose pirofosforilase 1 Amido sintase solúvel Amido sintase ligada ao grânulo α14 α16 3 2 ADP ATP CH2OH O OH OH OH O Pi PPi CH2OH OH OH OH O O ADP ADP CH2OH OH OH OH O O CH2OH OH OH OH O O O CH2OH OH n OH O CH2OH OH OH OH O O O CH2OH OH n 1 OH O CH2OH OH O O CH2OH n O O CH2OH O O CH2OH O O CH2OH O O CH2OH O OH CH2OH OH OH O O CH2OH n O O CH2OH O m CH2OH O O CH2OH O O CH2OH O O CH2 O OH m 1 Taiz08indd 234 Taiz08indd 234 27102016 142359 27102016 142359 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 235 sintase encontrada nos tecidos das plantas são as amidos sintase ligadas ao grânulo localizadas essencialmente no interior da ma triz do grânulo e as amidos sintase solúveis que estão divididas entre as frações granulares e estromais de acordo com a espécie os tecidos e os estágios de desenvolvimento 3 Enzimas de ramifica ção catalisam a formação de pontos de ramificação nas cadeias de glucano por meio de clivagem das ligações D14 e a transferên cia do oligossacarídeo liberado para um glucano linear formando uma ligação D16 B Biossíntese de amilopectina As reações 2 e 3 são como em A 4 A unidade amarela ilustra a extremidade redutora do polissacarídeo isto é a porção glicose cujos grupos aldeído não formam uma ligação glicosídica Enzimas de desramifi cação clivam as ligações D16 dos polissacarídeos hidrossolúveis aleatoriamente ramificados produzindo pequenos glucanos D 14 lineares maltooligossacarídeos Dependendo de suas neces sidades de substrato essas enzimas são isoamilases ou pululanases As primeiras são ativas na direção dos ramos de amilopectina frou xamente espaçados enquanto as últimas exibem alta atividade na direção dos ramos estreitamente espaçados do polímero de gluca no Maltooligossacarídeos liberados podem por sua vez constituir primers adequados para as amidos sintase ligadas aos grânulos ou servir como substrato para a enzima dismutadora enzima D 5 A enzima D altera desproporciona a distribuição do comprimento da cadeia dos pools de maltooligossacarídeos 14glucanom D14glucanon D14glucanomx D14glucanonx Em essência a enzimaD catalisa a clivagem e a subsequente trans ferência das porções ligadas de glucano D14 x de um doador maltooligossacarídeo D14glucanom a um aceptor D14 glucanon Nesse estágio o maltooligossacarídeo encurtado pode servir como substrato ou primer para o alongamento 2 enquanto o maltooligossacarídeo alongado pode servir como polissacarídeo hidrossolúvel nos processos de ramificação 3 ADPglicose B ADP Amido sintase ligada ao grânulo Amido sintase solúvel Extremidade redutora Maltooligossacarídeos Polissacarídeo hidrossolúvel Glcα14Glcn Polissacarídeo hidrossolúvel Glcα14Glcn 1 Enzimas de ramificação Enzima D Biossíntese de amilopectina Isoamilases Pululanases Polissacarídeos hidrossolúveis aleatoriamente ramificados Grânulo de amido 2 3 5 4 Taiz08indd 235 Taiz08indd 235 27102016 142359 27102016 142359 236 Unidade II Bioquímica e Metabolismo A degradação do amido à noite requer a fosforilação da amilopectina Abordagens moleculares criativas para a construção de plantas transgênicas análises bioquímicas e informa ções de sequências genômicas têm concebido uma nova imagem da rota envolvida na degradação noturna do amido transitório Figura 817 Durante a noite o ami do tem de ser fosforilado para a formação de maltose a forma predominante de carbono exportado a partir do cloroplasto para o citosol A glucanoágua diquinase e a fosfoglucanoágua diquinase incorporam grupos fosforil no amido transitório Ao contrário da maioria das quina ses a glucanoágua diquinase libera fosfato inorgânico e transfere o fosfato do ATP indicado por um P azul na equação a seguir ao carbono 6 das porções glicosil da amilopectina AdenosinaPPP ATP glucano OH H2O adenosinaP AMP glucanoOP Pi Embora os grupos fosforil ocorram com pouca fre quência no amido das folhas 1 grupo fosforil para cada 2000 resíduos de glicosil em Arabidopsis as atividades di minuídas de glucanoágua diquinase em plantas transgê nicas reduzem a degradação do amido Como consequên cia o conteúdo de amido em folhas maduras de linhas transgênicas de Arabidopsis chamado excesso de amido 1 ou sex1 é até sete vezes maior do que em folhas do tipo selvagem Processos dependentes de tiorredoxina regu Maltose Maltotriose Maltose Glicose Glicose Amido Amido Grânulo de amido Glucano αD14ramificado Glucano αD14linear AMP Pi AMP Pi ATP ATP Pi Amido Pi Pi Enzimas desramificadoras Glucano água diquinase Fosfoglucano água diquinase Enzima D Transglicosidase Hexoquinase Glucano fosforilase βamilase Pi Glicose1fosfato Glicose6fosfato Citosol Estroma do cloroplasto Triose fosfato Triose fosfato Heteroglicano Hexoses fosfato Ciclo oxidativo da pentose fosfato Figura 817 Degradação noturna do amido em folhas de Ara bidopsis A liberação de glucanos solúveis do grânulo de amido durante a noite requer a fosforilação a priori do polissacarídeo via glucanoágua diquinase e fosfoglucanoágua diquinase Nesse es tágio as enzimas desramificadoras transformam o amido ramifica do em glucanos lineares que por sua vez podem ser convertidos em maltose via amilose catalisada pela amilase do cloroplasto A maltotriose residual é transformada em maltopentaose e glico se pela enzima D A maltopentaose produzida é adequada para a hidrólise pela amilase do cloroplasto enquanto a glicose pode ser exportada para o citosol Em condições de estresse a clivagem fosforolítica dos glucanos D14 catalisados pela glucano fosfori lase do cloroplasto produz glicose1fosfato que pode ser clivada a triose fosfato e trocada por fosfato ou incorporada ao ciclo oxi dativo das pentoses fosfato Dois transportadores no envoltório do cloroplasto um para maltose e outro para glicose facilitam o fluxo de produtos da degradação do amido para o citosol A utilização de maltose no citosol da folha prossegue via uma transglicosidase que transfere uma porção glicosil a um heteroglicano e simultanea mente libera uma molécula de glicose A glicose citosólica pode ser fosforilada pela hexoquinase a glicose6fosfato para incorporação ao pool de hexoses fosfato Taiz08indd 236 Taiz08indd 236 27102016 142359 27102016 142359 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 237 lam 1 a atividade catalítica e 2 a distribuição da enzima entre o estroma e o grânulo de amido As plantas terrestres contêm uma segunda enzima fosfoglucanoágua diquinase que catalisa uma reação se melhante à glucanoágua diquinase mas requer estrita mente um glicano fosforilado como substrato A glucano água diquinase adiciona o fosfato do ATP ao carbono 3 de porções glicosil da amilopectina e libera fosfato inorgâ nico ver Figura 817 AdenosinaPPP ATP Pglucano OH H2O adenosinaP AMP Pglucano OP Pi Mutantes que não possuem a fosfoglucanoágua diquina se também contêm níveis aumentados de amido porém de modo diferente dos mutantes sex1 não exibem um con teúdo alterado de amilopectina fosforilada A exportação de maltose prevalece na decomposição noturna do amido transitório Dois mecanismos realizam a clivagem da ligação glicosí dica D14 do amido fosforilado ver Figura 817 1 Hidrólise catalisada pelas amilases Glicosen H2O glicosenm glicosem amilase Glicosen H2O linear glicosen2 maltose amilase 2 Fosforólise catalisada por glucanos fosforilase Glicosen Pi glicosen1 glicose1fosfato Como a maltose é o principal produto de decomposição do amido que cloroplastos exportam para o citoplasma du rante a noite amilases formam o dissacarídeo pela ação sobre o grânulo de amido ou em oligossacarídeos libera dos a partir do grânulo por amilases No entanto nem amilases nem amilases hidrolisam a ligação glicosí dica D16 que constitui 4 a 5 das ligações glicosídicas em amilopectina ver Figura 817 Duas enzimas desra mificadoras pululanase dextrinase limite e isoamilase são essenciais para a decomposição total dos grânulos de amido em glucanos lineares ver Figura 817 Os glucanos lineares fornecidos pelas pululanases e isoamilases são degradados ainda mais durante a noite pela amilase do cloroplasto A produção de maltose conduz inevitavelmente à formação de baixas quantidades de maltotriose porque a ação exaustiva da amilase não pode continuar a proces sar o trissacarídeo ver Figura 817 A enzima D catalisa a seguinte transformação 2 glicose3 glicose5 glicose maltotriose maltopentaose A formação de maltopentaose que é processada por amilases e a exportação de glicose para o citosol por meio do transportador de glicose na membrana interna do cloroplasto impedem a acumulação da maltotriose à me dida que o amido é decomposto durante a noite O transportador de maltose uma proteína da mem brana interna do cloroplasto transporta maltose seletiva mente através do envoltório A utilização de maltose no citosol da folha segue uma rota bioquímica não suspeitada antes do advento de plantas transgênicas As linhas trans gênicas desprovidas de uma transglicosidase citosólica degradam mal o amido e acumulam maltose em níveis muito mais elevados do que em plantas de tipo selvagem A reação de transglicosilação catalisada por essa enzima transfere uma porção glicosil da maltose para heterogli canos citosólicos constituídos de arabinose galactose e glicose heteroglicanos maltose heteroglicanos glicose glicose A fosforilação da glicose restante pela hexoquinase adiciona glicose6fosfato ao pool de hexose fosfato para a conversão à sacarose A síntese e a degradação do grânulo de amido são reguladas por múltiplos mecanismos Numerosos mecanismos regulam a atividade de enzimas envolvidas no metabolismo do amido CONTROLE REDOX A importância das condições de re dução e oxidação no controle da degradação do amido vem de experimentos bioquímicos AGPase glucanoágua di quinase fosfoglucano fosfatase e amilase 1 e potenciais alvos de tiorredoxina em triagens proteômicas amilase glucano fosforilase translocador de ADPglicose e a enzima ramificadora de amido IIa FOSFORILAÇÃO DE PROTEÍNAS A resposta rápida é a característica distintiva da sinalização por fosforilação de proteínas No plastídio quinases proteicas específicas ca talisam a transferência do fosfato do ATP para aminoá cidos específicos geralmente serina treonina e tirosina de enzimas relacionadas com o metabolismo do amido fosfoglicoisomerase fosfoglicomutase AGPase glucano água diquinase transglicosidase dpe2 amilase 3 amilases dextrinase limite enzimas ramificadoras de amido amidos sintase amido sintase ligada ao grânulo glucano fosforilase transportador de glicose e transpor tador de maltose O papel fisiológico dessas fosforilações é desconhecido FORMAÇÃO DE COMPLEXOS COM PROTEÍNAS Mui tas enzimas envolvidas na formação do grânulo sintases de amido solúveis e ligadas aos grânulos amilases e glucanoágua diquinase ligamse a proteínas de suporte que possuem domínios de ligação de amido A formação desses heterocomplexos altera marcadamente a atividade das enzimas EFETORES ALOSTÉRICOS METABÓLITOS DE BAIXO PESO MOLECULAR Moléculas pequenas interagem com sítios de enzimas distais ao sítio ativo e assim per turbam a atividade catalítica ao longo de uma distância isto é têm um efeito alostérico Dessa forma metabólitos Taiz08indd 237 Taiz08indd 237 27102016 142359 27102016 142359 238 Unidade II Bioquímica e Metabolismo de baixo peso molecular participam ativamente na síntese de amido Por exemplo o dissacarídeo trealose DGlic 11DGlic não se acumula muito na grande maioria das plantas mas a trealose6fosfato aumenta significa tivamente a ativação redutiva da ADPglicose pirofosfo rilase Biossíntese da sacarose e sinalização A produção de sacarose no citosol da folha acoplada ao carregamento e à translocação no floema assegura um fornecimento adequado de carboidratos para o desenvol vimento ótimo da planta Além disso a sacarose participa do status de carbono e energia dos tecidos que sustentam a assimilação autotrófica folhas para os compartimen tos que realizam o consumo heterotrófico p ex raízes tubérculos e grãos Assim a sacarose não só fornece es queletos de carbono para o crescimento e a biossíntese de polissacarídeos mas também é uma moléculachave de sinalização que regula a partição de carbono entre as folhasfonte e os tecidosdreno Esta seção descreve prin cipalmente os mecanismos que distribuem os produtos da assimilação fotossintética de CO2 para o citosol para a sín tese de sacarose Trioses fosfato do ciclo de CalvinBenson constroem o pool citosólico de três importantes hexoses fosfato na luz Durante a fotossíntese ativa a acumulação de dihidroxia cetona fosfato e gliceraldeído3fosfato no citosol aumenta a formação de frutose16bifosfato catalisada pela aldola se citosólica ΔG0 24 kJmol Figura 818 ver também CH2OH 61 63 64 67 65c 66 62 Gliceraldeído 3fosfato Dihidroxiacetona fosfato Trioses fosfato Trioses fosfato Pool de hexoses fosfato Frutose16 bifosfato Frutose26 bifosfato Frutose6 fosfato Glicose6 fosfato 68 Glicose1 fosfato Cloroplasto Citosol CHO CHOH CH2OP CO CH2OP CH2OH ADP ATP Pi Pi Pi Pi 65a 65b ADP ATP Pi PPi POH2C O HO OH OH CH2OP CH2OP POH2C O HO OH OP CH2OH POH2C O O HO OH OH OH OH OH OH CH2OH O OP OH OH OH Figura 818 Interconversão de hexoses fosfato A frutose16 bifosfato formada a partir das trioses fosfato pela ação da aldola se é clivada na posição do carbono 1 pela frutose16bifosfatase citosólica que difere estrutural e funcionalmente de sua contra partida do cloroplasto A frutose6fosfato constitui o substrato inicial para três transformações Primeiro plantas terrestres em pregam duas diferentes reações de fosforilação da frutose6 fosfato na posição do carbono 1 do anel de furanose a clássica fosfofrutoquinase dependente de ATP ver glicólise no Capítulo 12 e uma fosfofrutoquinase dependente de pirofosfato que catalisa a fosforilação rapidamente reversível da frutose6fosfato utilizando pirofosfato como substrato Segundo a frutose6fosfato 2qui nase catalisa a fosforilação dependente de ATP da frutose6fos fato a frutose26bifosfato por sua vez a frutose26bifosfato fosfatase catalisa a hidrólise da frutose26bifosfato liberando o grupo fosforil e novamente produzindo frutose6fosfato Ter ceiro a hexose fosfato isomerase e a glicose6fosfato isomerase respectivamente favorecem a isomerização da frutose6fosfato a glicose6fosfato e da glicose6fosfato a glicose1fosfato Cole tivamente frutose6fosfato glicose6fosfato e glicose1fosfato constituem o pool de hexoses fosfato Ver Tabela 86 para uma descrição das reações numeradas Taiz08indd 238 Taiz08indd 238 27102016 142359 27102016 142359 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 239 Tabela 86 reação 3 Dado que a aldolase citosólica catali sa a reação de duas trioses fosfato o Keq para esta reação é Keq dihidroxiacetona fosfato gliceraldeído3 fosfato frutose16bifosfato trioses fosfato2 frutose16bifosfato sugerindo que a concentração de frutose16bifosfato va ria exponencialmente em resposta a alterações na concen tração de trioses fosfato Assim uma entrada constante de trioses fosfato dos cloroplastos ativos fotossinteticamente desvia a reação da aldolase no citosol de células das folhas em direção à formação de frutose16bifosfato A reação reversa a clivagem do aldol da frutose16bifosfato para dihidroxiacetona fosfato e gliceraldeído3fosfato tem lugar quando a proporção de frutose16bifosfato é alta em relação às trioses fosfato por exemplo na glicólise A frutose16bifosfatase citosólica subsequentemente catalisa a hidrólise de frutose16bifosfato na posição do carbono 1 produzindo frutose6fosfato e fosfato ΔG0 167 kJmol ver Figura 818 e Tabela 86 reação 4 A frutose6fosfato citosólica pode avançar para dife rentes destinos por meio de 1 Fosforilação do carbono 1 que restaura a frutose16 bifosfato catalisada por duas enzimas fosfofrutoqui nase e fosfofrutoquinase dependente de pirofosfato ver Tabela 86 reações 5a e b 2 Fosforilação do carbono 2 que produz frutose26bi fosfato catalisada por uma enzima ímpar bifuncional exclusiva do citosol Frutose6fosfato 2quinasefru tose26bifosfato fosfatase catalisa tanto a incorpora ção quanto a hidrólise do grupo fosforil ver Tabela 86 reação 5c e 6 3 Isomerização que produz glicose6fosfato cata lisada pela hexose fosfato isomerase ver Tabela 86 reação 7 A concentração citosólica de frutose6fosfato é mantida próxima do equilíbrio com a glicose6fosfato e a glico se1fosfato por meio de reações prontamente reversíveis catalisadas pela hexose fosfato isomerase ΔG0 87 kJ mol e fosfoglicomutase ΔG0 73 kJmol ver Tabela 86 reações 7 e 8 Esses três açúcares fosfato são chamados coletivamente de hexoses fosfato ver Figura 818 A frutose26bifosfato regula o pool de hexose fosfato na luz O metabólito regulador frutose26bifosfato citosólica re gula a troca de trioses fosfato e fosfato para a formação do pool de hexose fosfato Uma alta razão de trioses fosfato para fosfato no citosol típica de folhas fotossinteticamente ativas suprime a formação de frutose26bifosfato por que as trioses fosfato inibem fortemente a atividade qui nase da enzima bifuncional frutose6fosfato 2quinase frutose26bifosfato fosfatase Por outro lado uma baixa razão de trioses fosfato para fosfato típica da fotossínte se limitada promove a síntese de frutose26bifosfato porque o fosfato estimula a atividade da frutose6fosfato 2quinase e inibe a atividade da frutose26bifosfatase Concentrações mais elevadas de frutose26bifosfato ini bem a atividade da frutose16bifosfatase citosólica e ao fazêlo esgotam o nível de hexoses fosfato do citosol Por sua vez a frutose6fosfato inibe a atividade da bifosfatase e ativa a atividade de quinase da enzima bifun cional frutose6fosfato 2quinasefrutose26bifosfato fosfatase e assim aumenta a concentração de frutose26 bifosfato Como a frutose26bifosfato inibe a fruto se16bifosfatase a concentração de frutose6fosfato diminui Assim a frutose26bifosfato modula o pool de hexoses fosfato em resposta não só à fotossíntese mas também às demandas do próprio pool de hexose fosfato citosólico A sacarose é continuamente sintetizada no citosol O fotossintato produzido nas folhas é transportado prin cipalmente como sacarose aos meristemas e órgãos em desenvolvimento como folhas em crescimento raízes flo res frutos e sementes ver Figura 814 A concentração de sacarose no citosol das folhas depende de dois processos 1 Importação de carbono que transporta trioses fosfa to diurnas e maltose noturna do cloroplasto ao citosol das folhas para a síntese de sacarose 2 Exportação de carbono das folhas que transfere a sa carose do citosol da folha aos outros tecidos para as demandas de energia e a síntese de polissacarídeos O fracionamento celular a separação física de or ganelas para análise de suas atividades enzimáticas in trínsecas tem mostrado que a sacarose é sintetizada no citoplasma a partir do pool de hexose fosfato como repre sentado na Figura 819 utilizando as reações descritas na Tabela 86 A conversão de hexose em nucleotídeos de açúcar pre cede a formação de sacarose No citosol glicose1fosfato reage com UTP para produzir UDPglicose e pirofosfato em uma reação catalisada pela UDPglicose pirofosfori lase ver Tabela 86 reação 9 Duas reações consecutivas completam a síntese da sacarose a partir da UDPglicose A sacarose6Ffosfato sintase o sobrescrito F indica que a sacarose é fosforilada no carbono 6 da porção de frutose primeiro catalisa a formação de sacarose 6Ffosfato a partir de sacarose6fosfato e UDPglicose ver Tabela 86 rea ção 10 Subsequentemente sacarose6Ffosfato fosfatase libera fosfato inorgânico a partir de sacarose6Ffosfato produzindo sacarose ver Tabela 86 reação 11 A formação reversível de sacarose6Ffosfato ΔG0 57 kJmol seguida de sua hidrólise irreversível ΔG0 165 kJmol torna a síntese de sacarose essencialmente Taiz08indd 239 Taiz08indd 239 27102016 142359 27102016 142359 240 Unidade II Bioquímica e Metabolismo irreversível in vivo Além disso a associação dessas enzi mas em complexos macromoleculares facilita a transferên cia direta de sacarose6Ffosfato para sacarose6Ffosfato fosfatase sem se misturar com outros metabólitos A sacarose6Ffosfato sintase é regulada por modifi cações póstradução fosforilação de proteínas e metabó litos controle alostérico ver Figura 819 No escuro a fosforilação de sacarose6Ffosfato sintase por uma qui nase específica reduz sua atividade catalítica A quinase SnRK1 sucrose nonfermenting1related protein kinase é um centro dentro de uma rede de rotas de sinalização que fosforila e inativa outras enzimas nitrato redutase trealose fosfato sintetase e frutose6fosfato 2quinase frutose26bifosfato fosfatase Na luz a sacarose6Ffos fato sintase inativa é ativada por desfosforilação via uma proteína fosfatase A fosforilação de sacarose6Ffosfato sintase também é regulada por metabólitos citosólicos a glicose6fosfato inibe a quinase SnRK1 e o fosfato ini be a fosfatase Figura 820 Além de sua regulação por fosforilaçãodesfosforilação a forma ativa de sacaro se6Ffosfato sintase é estimulada pela glicose6fosfato e inibida pelo fosfato Assim os níveis aumentados de he xoses fosfato e os níveis diminuídos de fosfato no citosol causados por altas taxas de fotossíntese aumentam a sín tese de sacarose Por outro lado a sacarose6Ffosfato sin tase é ineficiente quando o aumento dos níveis de fosfato no citosol causado por taxas mais baixas de fotossíntese diminuem as hexoses fosfato A sacarose sintetizada no citosol das células da fo lha é carregada para o floema transportada para desti nos distantes e descarregada em tecidos como folhas em desenvolvimento meristemas apicais e diferentes órgãos caules tubérculos grãos Proteínas de membrana espe cíficas chamadas de transportadores de sacarose impul sionam o fluxo de massa de sacarose para partes distantes da planta O transporte de sacarose atua combinado com outros mecanismos de sinalização específicos de tecido e célula como um sinal de longa distância que promove respostas de desenvolvimento pela regulação das respos tas hormonais ao nível de dreno Assim o carregamento e o descarregamento de elemetos crivados floema com sacarose transmitem informação bidirecional sobre nu trientes e energia entre as folhasfonte e os tecidosdreno ADP Pi Pi Pi PPi ATP Frutose6fosfato UDPglicose UTP glicose1P Sacarose6Ffosfato Sacarose6F fosfato sintase ativa Sacarose6F fosfato sintase inativa Sacarose fosfato fosfatase Sacarose6Ffosfato sintase fosfatase SnRK1 69 Sacarose 610 611 HOH2C POH2C O O OH OH CH2OH OUDP OH OH OH HO HOH2C HOH2C O O HO OH CH2OP OH OH OH O HOH2C HOH2C O O HO OH CH2OH OH OH OH O UDP Figura 819 Síntese de sacarose A sacarose6Ffosfato sinteta se catalisa a transferência da porção glicosil da UDPglicose para frutose6fosfato produzindo sacarose6Ffosfato A desfosforila ção da sacarose6Ffosfato pela enzima sacarose6Ffosfatofos fatase libera o dissacarídeo sacarose Modificações póstradução via fosforilaçãodesfosforilação e interações não covalentes via efetores alostéricos regulam a atividade da sacarose6Ffosfato sintase A fosforilação de um resíduo de serina específico na en zima pela ação em concerto de ATP e de uma quinase específi ca SnRK1 produz uma enzima inativa A liberação do fosfato da sacarose6Ffosfatosintase fosforilada por uma sacarose6F fosfatosintasefosfatase específica recupera a atividade basal A notação 6F na sacarose6Ffosfato indica que essa sacarose é fosforilada no carbono 6 da porção frutose Ver Tabela 86 para a descrição das reações numeradas Taiz08indd 240 Taiz08indd 240 27102016 142359 27102016 142359 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 241 SnRK1 ADP P ATP Glicose6fosfato Glicose6fosfato Síntese de sacarose Efeito de Fosfato Aumenta a síntese de sacarose Sacarose6F fosfato sintase ativa Sacarose 6F fosfato sintase ativa Estimula a sacarose6F fosfato sintase Inativa SnRK1 Pi Diminui a síntese de sacarose SnRK1 Sacarose6F fosfato sintase inativa ADP P P ATP Sacarose 6F fosfato sintase inativa Sacarose6F fosfato sintase fosfatase Inativa a sacarose6F fosfato sintase fosfatase Inibe a sacarose6F fosfato sintase ca osf tas a e 6 at nt a R nR nRR Figura 820 Glicose6fosfato e fosfato regulam a síntese de sa carose A glicose6fosfato aumenta a síntese de sacarose pela mo dulação da atividade de duas enzimas associadas A glicose6fos fato intensifica a atividade da própria sacarose6Ffosfato sintase e também impede a formação da forma inativa da sacarose6Ffos fato sintase mediante inibição da quinase SnRK1 que fosforila e desativa a enzima O fosfato diminui a síntese de sacarose de uma maneira inversa Ele inibe a atividade da sacarose6Ffosfato sinta se e desativa a sacarose6Ffosfato sintase fosfatase a enzima que converte sacarose6Ffosfato sintase em sua forma ativa A tran sição de folhas do escuro para a luz aumenta a concentração de glicose6fosfato e simultaneamente diminui a concentração de fos fato no citosol Assim o nível mais elevado de glicose6fosfato e o nível baixo de fosfato aumentam em conjunto a síntese de sacarose na luz Os Xs vermelhos indicam enzimas inativas RESUMO A luz solar em última análise fornece energia para a assimilação de carbono inorgânico em material orgânico autotrofia O ciclo de CalvinBenson é a rota predominante para essa conversão em muitos procariotos e em todas as plantas O ciclo de CalvinBenson NADPH e ATP gerados pela luz nos tilacoides dos cloroplastos acionam a fixação endergônica de CO2 atmosférico pelo ciclo de CalvinBenson no estroma do cloroplasto Figura 81 O ciclo de CalvinBenson tem três fases 1 carboxilação da ribulose15bifosfato com CO2 catalisada pela rubisco produ zindo 3fosfoglicerato 2 redução do 3fosfoglicerato a trioses fosfato usando ATP e NADPH e 3 regeneração da molécula aceptora do CO2 ribulose15bifosfato Figuras 82 83 CO2 e O2 competem nas reações de carboxilação e de oxigena ção catalisadas pela rubisco Figura 84 A rubisco ativase controla a atividade da rubisco em que o CO2 funciona como ativador e substrato Figura 85 A luz regula a atividade da rubisco ativase e quatro enzimas do ciclo de CalvinBenson via sistema ferredoxinatiorredoxina e al terações na concentração de Mg2 e pH Figuras 86 87 O ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono O ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono fotorrespiração minimiza a perda de CO2 fixado mediante atividade de oxigena se da rubisco Tabela 82 Taiz08indd 241 Taiz08indd 241 27102016 142359 27102016 142359 242 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Cloroplastos peroxissomos e mitocôndrias participam no mo vimento do carbono do nitrogênio e dos átomos de oxigênio pela fotorrespiração Figuras 88 89 As propriedades cinéticas da rubisco a temperatura e as con centrações de CO2 e O2 atmosféricos controlam o equilíbrio en tre o ciclo de CalvinBenson e o ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono As cianobactérias têm mecanismos alternativos para recuperar os átomos de carbono do 2fosfoglicolato para utilização no ciclo de CalvinBenson Figura 810 Tabela 83 Mecanismos de concentração de carbono inorgânico As plantas terrestres têm dois mecanismos de concentração de carbono que precedem a assimilação de CO2 pelo ciclo de CalvinBenson fixação fotossintética C4 do carbono C4 e me tabolismo ácido das crassuláceas CAM Mecanismos de concentração de carbono inorgânico o ciclo C4 do carbono O ciclo fotossintético C4 do carbono fixa o CO2 atmosférico via PEPCase em esqueletos de carbono em um compartimento Os produtos ácidos de quatro carbonos fluem para outro compar timento onde o CO2 é liberado e refixado via rubisco Figura 811 Tabela 84 O ciclo C4 pode ser acionado por gradientes de difusão dentro de uma única célula bem como pelos gradientes entre mesofilo e células da bainha do feixe vascular anatomia Kranz Figura 812 Tabela 85 A luz regula a atividade de enzimaschave do ciclo C4 NADP malato desidrogenase PEPCase e piruvato fosfato diquinase O ciclo C4 reduz a fotorrespiração e a perda de água em climas secos e úmidos Mecanismos de concentração de carbono inorgânico metabolismo ácido das crassuláceas CAM Em ambientes áridos a fotossíntese CAM captura CO2 atmosfé rico e reaproveita CO2 respiratório O CAM geralmente está associado a características anatômicas que minimizam a perda de água Nas plantas CAM a captura inicial de CO2 e sua incorporação final em esqueletos de carbono estão separadas temporalmen te Figura 813 Fatores genéticos e ambientais determinam a expressão CAM Acumulação e partição de fotossintatos amido e sacarose Na maioria das folhas sacarose no citosol e amido nos cloro plastos são os produtos finais da assimilação fotossintética de CO2 Figura 814 Tabela 86 Durante o dia a sacarose flui do citosol das folhas para tecidos dreno enquanto o amido se acumula na forma de grânulos nos cloroplastos À noite o conteúdo de amido dos cloroplas tos cai para fornecer esqueletos de carbono para a síntese de sacarose no citosol com a finalidade de nutrir os tecidos hete rotróficos Formação e mobilização do amido do cloroplasto A biossíntese de amido durante o dia prossegue por etapas su cessivas iniciação alongamento ramificação e terminação da cadeia de polissacarídeo Figuras 815 816 A degradação do amido durante a noite requer primeiro a fos forilação do polissacarídeo Glucanoágua diquinase e fosfoglu canoágua diquinase catalisam a transferência do fosfato do ATP para o amido Figura 817 A degradação dos glucanos lineares por amilases dos cloro plastos produz maltose que é exportada para o citosol para a síntese de sacarose Biossíntese da sacarose e sinalização Durante o dia a razão entre trioses fosfato e fosfato inorgânico modula a partição de carbono entre os cloroplastos e o citosol A acumulação de trioses fosfato no citosol aumenta o pool de hexoses fosfato Hexoses fosfato são precursores na síntese ci tosólica de sacarose catalisada por sacarose6Ffosfato sintase e sacarose6Ffosfato fosfatase Figuras 818 819 Fosforilação e interações não covalentes com metabólitos re gulam a atividade da sacarose6Ffosfato sintase Figura 820 Além de fornecer carbono para o crescimento e a biossíntese de polissacarídeo a sacarose atua como um sinal na regulação de genes que codificam enzimas transportadores e proteínas de armazenamento Taiz08indd 242 Taiz08indd 242 27102016 142359 27102016 142359 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 243 Leituras sugeridas Balsera M Uberegui E Schürmann P and Buchanan B B 2014 Evolutionary development of redox regulation in chloroplasts Antioxid Redox Signal 21 13271355 Bordych C Eisenhut M Pick T R Kuelahoglu C and Weber A P M 2013 Coexpression analysis as tool for the discovery of transport proteins in photorespiration Plant Biol 15 686693 Christin P A Arakaki M Osborne C P Bräutigam A Sage R F Hibberd J M Kelly S Covshoff S Wong G S Hancock L et al 2014 Shared origins of a key enzyme during the evolution of C4 and CAM metabolism J Exp Bot 65 36093621 Denton A K Simon R and Weber A P M 2013 C4 photosynthesis From evolutionary analyses to strategies for synthetic reconstruction of the trait Curr Opin Plant Biol 16 315321 Ducat D C and Silver P A 2012 Improving carbon fixation pathways Curr Opin Chem Biol 16 337344 Florian A Araújo W L and Fernie A R 2013 New insights into photorespiration obtained from metabolomics Plant Biol 15 656666 Hagemann M Fernie A R Espie G S Kern R Eisenhut M Reumann S Bauwe H and Weber A P M 2013 Evolution of the biochemistry of the photorespiratory C2 cycle Plant Biol 15 639647 Henderson J N Kuriata A M Fromme R Salvucci M E and Wachter R M 2011 Atomic resolution Xray structure of the substrate recognition domain of higher plant ribulosebisphosphate carboxylaseoxygenase rubisco activase J Biol Chem 286 3568335688 Hibberd J M and Covshoff S 2010 The regulation of gene expression required for C4 photosynthesis Annu Rev Plant Biol 61 181207 Peterhansel C and Offermann S 2012 Reengineering of carbon fixation in plants Challenges for plant biotechnology to improve yields in a highCO2 world Curr Opin Biotechnol 23 204208 Sage R F Christin P A and Edwards E J 2011 The C4 plant lineages of planet Earth J Exp Bot 62 31553169 Sage R F Khoshravesh R and Sage T L 2014 From proto Kranz to C4 Kranz Building the bridge to C4 photosynthesis J Exp Bot 65 33413356 Timm S and Bauwe H 2013 The variety of photorespiratory phenotypes Employing the current status for future research directions on photorespiration Plant Biol 15 737747 Erb T J Evans B S Cho K Warlick B P Sriram J Wood B M Imker H J Sweedler J V Tabita F R and Gerlt J A 2012 A rubisCOlike protein links SAM metabolism with isoprenoid biosynthesis Nat Chem Biol 8 926932 MATERIAL DA INTERNET Tópico 81 Bombas de CO2 As cianobactérias contêm com plexos proteicos bombas de CO2 e complexos supramolecula res para a captura e a fixação de carbono inorgânico Tópico 82 Como foi elucidado o ciclo de CalvinBen son Experimentos realizados na década de 1950 levaram à descoberta da rota de fixação de CO2 Tópico 83 Rubisco uma enzima modelo para o estudo da estrutura e da função Como a enzima mais abundante da Terra a rubisco foi obtida em quantidades suficientes para elucidar sua estrutura e suas propriedades catalíticas Tópico 84 Demandas energéticas para a fotossíntese em plantas terrestres Avaliação do equilíbrio entre NADPH e ATP durante a assimilação de CO2 Tópico 85 Rubisco ativase A rubisco é a única entre as en zimas do ciclo de CalvinBenson regulada por uma proteína es pecífica a rubisco ativase Tópico 86 Tiorredoxinas Conhecidas primeiro por regular as enzimas dos cloroplastos as tiorredoxinas são agora conhe cidas como participantes em processos de regulação em todos os tipos de células Tópico 87 Operação do ciclo oxidativo fotossintético C2 do carbono As enzimas do ciclo oxidativo fotossintético C2 do carbono estão localizadas em três organelas diferentes Tópico 88 Dióxido de carbono algumas propriedades físicoquímicas importantes As plantas adaptaramse às propriedades do CO2 alterando as reações que catalisam sua fixação Tópico 89 Três variações do metabolismo C4 Certas reações da rota fotossintética C4 são diferentes entre espécies vegetais Tópico 810 Fotossíntese C4 em célula única Alguns orga nismos e plantas terrestres realizam a fotossíntese C4 em uma única célula Tópico 811 Translocadores de fosfato do cloroplas to Translocadores de fosfato do cloroplasto são transportado res do tipo antiporte que catalisam a troca estrita 11 de fosfato com outros metabólitos entre o cloroplasto e o citosol Tópico 812 Fotorrespiração em plantas CAM Durante o dia o fechamento estomático e a fotossíntese em folhas CAM provocam concentrações intercelulares muito altas de oxigênio e dióxido de carbono Essas condições incomuns propõem de safios adaptativos interessantes às folhas CAM Tópico 813 Arquitetura do amido A morfologia e a com posição do grânulo de amido influenciam a síntese e a degrada ção dos polissacarídeos Ensaio 81 Modulação da fosfoenolpiruvato carboxilase nas plantas C4 e CAM A enzima de fixação de CO2 fosfoe nolpiruvato carboxilase é regulada diferentemente em espécies C4 e CAM Taiz08indd 243 Taiz08indd 243 27102016 142359 27102016 142359 Taiz08indd 244 Taiz08indd 244 27102016 142359 27102016 142359 Esta página foi deixada em branco intencionalmente 9 A conversão da energia solar em energia química de compostos or gânicos é um processo complexo que inclui transporte de elétrons e metabolismo do carbono fotossintético ver Capítulos 7 e 8 Este capítulo trata de algumas das respostas fotossintéticas da folha intacta a seu ambien te As respostas fotossintéticas adicionais aos diferentes tipos de estresse são estudadas no Capítulo 24 Quando for discutida a fotossíntese neste capítulo será referida a taxa fotossintética líquida ou seja a diferença entre a assimilação fotossintética de carbono e a perda de CO2 via respiração mi tocondrial O impacto do ambiente sobre a fotossíntese é de interesse amplo em especial para fisiologistas ecólogos biólogos evolucionistas especialistas em mudanças climáticas e agrônomos Do ponto de vista fisiológico há in teresse em compreender as respostas diretas da fotossíntese a fatores am bientais como luz concentrações de CO2 do ambiente e temperatura assim como as respostas indiretas mediadas por efeitos do controle estomático a fatores como umidade do ar e umidade do solo A dependência de proces sos fotossintéticos em relação às condições ambientais é também importan te para os agrônomos pois a produtividade vegetal e em consequência a produtividade das culturas agrícolas dependem muito das taxas fotossinté ticas prevalecentes em um ambiente dinâmico Para o ecólogo a variação fotossintética entre ambientes diferentes é de grande interesse em termos de adaptação e evolução No estudo da dependência ambiental surge uma pergunta central como muitos fatores ambientais podem limitar a fotossíntese em determinado mo mento Em 1905 o fisiologista vegetal britânico F F Blackman formulou uma hipótese segundo a qual sob algumas condições especiais a velocidade da fotossíntese é limitada pela etapa mais lenta no processo o chamado fator limitante A implicação dessa hipótese é que em determinado momen to a fotossíntese pode ser limitada pela luz ou pela concentração de CO2 por exemplo mas não por ambos os fatores Essa hipótese tem tido uma influência marcante sobre a abordagem adotada por fisiologistas vegetais no estudo da fotossíntese que consiste em variar um fator e manter constan tes todas as demais condições ambientais Na folha intacta três processos Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas Taiz09indd 245 Taiz09indd 245 27102016 144025 27102016 144025 246 Unidade II Bioquímica e Metabolismo metabólicos principais têm sido identificados como im portantes para o desempenho fotossintético Capacidade da rubisco Regeneração da ribulose bifosfato RuBP de ribulose bisphosphate Metabolismo das trioses fosfato Graham Farquhar e Tom Sharkey acrescentaram uma perspectiva fundamentalmente nova à nossa compreensão da fotossíntese ao destacarem que se deve pensar nos con troles sobre as velocidades globais da fotossíntese líquida de folhas em termos econômicos considerando as funções de suprimento e demanda de dióxido de carbono Os processos metabólicos referidos ocorrem nas células dos parênquimas paliçádico e esponjoso da folha Figura 91 Essas atividades bioquímicas descrevem a demanda por CO2 pelo metabolismo fotossintético nas células Contu do a velocidade de suprimento de CO2 a essas células é determinada em grande parte pelas limitações da difusão resultantes da regulação estomática e subsequente resis tência no mesofilo As ações coordenadas de demanda pelas células fotossintetizantes e suprimento pelas célu lasguarda afetam a velocidade fotossintética foliar medida pela absorção líquida de CO2 Nas seções seguintes será enfocado como a variação de ocorrência natural na luz e na temperatura influencia a fotossíntese nas folhas e como elas por sua vez ajustam se ou aclimatamse a tal variação Será analisado também como o dióxido de carbono atmosférico influencia a fotos síntese uma consideração especialmente importante em um mundo onde as concentrações de CO2 estão crescendo rapidamente à medida que os seres humanos continuam a queimar combustíveis fósseis para produção de energia A fotossíntese é influenciada pelas propriedades foliares A gradação desde o cloroplasto o ponto central dos Capí tulos 7 e 8 até a folha acrescenta novos níveis de comple xidade à fotossíntese Ao mesmo tempo as propriedades estruturais e funcionais da folha possibilitam outros níveis de regulação Inicialmente é examinada a captura da luz e como a anatomia e a orientação foliares maximizam a absorção dela para a fotossíntese A seguir é descrito como as folhas se aclimatam a seu ambiente luminoso Vêse que a resposta fotossintética de folhas sob diferentes condições de luz re flete a capacidade de uma planta de crescer em ambientes luminosos distintos Contudo existem limites dentro dos quais a fotossíntese de uma espécie pode se aclimatar a am bientes luminosos muito diferentes Por exemplo em algu mas situações a fotossíntese é limitada por um suprimento inadequado de luz Em outras situações a absorção de luz em demasia provocaria problemas graves se mecanismos especiais não protegessem o sistema fotossintético do ex cesso de luminosidade Embora as plantas possuam níveis múltiplos de controle sobre a fotossíntese que lhes permi tem crescer com êxito nos ambientes em constante mudan ça existem limites para que isso seja possível Considere as muitas maneiras nas quais as folhas são expostas a espectros qualidades e quantidades diferentes de luz que resultam em fotossíntese As plantas que crescem ao ar livre são expostas à luz solar e o espectro desse fator dependerá de onde for realizada a medição se em plena luz do dia ou à sombra de um dossel As plantas que crescem em ambiente fechado podem receber iluminações incan descente ou fluorescente sendo cada uma delas diferente da luz solar Para explicar essas diferenças em qualidade e quantidade espectrais é necessário uniformizar o modo de medir e expressar a luz que influencia a fotossíntese A luz que chega à planta é um fluxo que pode ser me dido em unidades de energia ou de fótons Irradiância é o montante de energia que incide sobre um sensor plano de área conhecida por unidade de tempo e é expressa em watts por metro quadrado W m2 Lembre que o tempo segundos está contido no termo watt 1 W 1 joule J s1 Fluxo quântico ou densidade de fluxo fotônico PFD de photon flux density é o número de quanta quantum no singular incidentes que atinge a folha expresso em moles por metro quadrado por segundo mol m2 s1 onde moles se referem ao número de fótons 1 mol de luz 602 1023 fótons número de Avogadro As unidades de quanta e de energia para luz solar podem ser interconvertidas com re Folha de sol Folha de sombra A Epiderme Parênquima paliçádico Parênquima esponjoso 100 μm B Epiderme Figura 91 Imagem ao microscópio eletrônico de varredura da anatomia foliar de uma leguminosa Thermopsis montana crescen do sob diferentes ambientes quanto ao fator luz Observe que a folha de sol A é muito mais espessa que a folha de sombra B e que as células do parênquima paliçádico colunares são muito mais longas nas folhas que crescem à luz solar As camadas de células do parênquima esponjoso podem ser vistas abaixo do parênquima paliçádico Cortesia de T Vogelmann Taiz09indd 246 Taiz09indd 246 27102016 144025 27102016 144025 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 247 lativa facilidade desde que o comprimento de onda da luz λ seja conhecido A energia de um fóton está relacionada a seu comprimento de onda conforme a equação E hc λ onde c é a velocidade da luz 3 108 m s1 h é a constante de Planck 663 1034 J s e λ é o comprimento de onda da luz em geral expresso em nanômetros 1 nm 109 m A partir dessa equação é possível demonstrar que um fóton a 400 nm tem duas vezes mais energia que um fóton a 800 nm ver Tópico 91 na internet Quando se considera a fotossíntese e a luz é apropria do expressar a luz como densidade de fluxo fotônico fotos sintético PPFD de photosynthetic photon flux density o fluxo de luz em geral expresso como micromoles por metro quadrado por segundo μmol m2 s1 dentro do espectro fotossinteticamente ativo 400700 nm Qual é a quantida de de luz em um dia ensolarado Sob a luz solar direta em um dia claro a PPFD é de cerca de 2000 μmol m2 s1 no topo do dossel de uma floresta densa mas pode ser de ape nas 10 μmol m2 s1 no chão da floresta devido à absorção de luz pelas folhas dispostas nos estratos superiores A anatomia foliar e a estrutura do dossel maximizam a absorção da luz Em média cerca de 340 W da energia radiante do sol alcan çam cada metro quadrado da superfície da Terra Quando essa luz solar atinge a vegetação apenas 5 da energia são definitivamente convertidos em carboidratos pela fotossín tese Figura 92 O motivo dessa porcentagem tão baixa é que grande parte da luz tem um comprimento de onda demasiadamente curto ou longo para ser absorvido pelos pigmentos fotossintéticos Figura 93 Além disso da ra diação fotossinteticamente ativa 400700 nm que incide sobre uma folha uma porcentagem pequena é transmitida através dela e parte também é refletida a partir de sua su perfície Como a clorofila absorve fortemente nas regiões do azul e do vermelho do espectro ver Figura 73 os com primentos de onda na faixa do verde são dominantes na luz transmitida e refletida ver Figura 93 por isso a cor verde da vegetação Por fim uma porcentagem da radia ção fotossinteticamente ativa inicialmente absorvida pela folha é perdida pelo metabolismo e uma quantidade menor é perdida como calor ver Capítulo 7 A anatomia da folha é altamente especializada para a absorção de luz A camada celular mais externa a epider me normalmente é transparente à luz visível e suas célu las com frequência são convexas As células epidérmicas convexas podem atuar como lentes e concentrar a luz de modo que a intensidade que atinge alguns dos cloroplas tos muitas vezes pode ser maior que a intensidade da luz do ambiente A concentração epidérmica de luz comum em plantas herbáceas é especialmente proeminente em plantas tropicais de subbosque florestal onde os níveis de luz são muito baixos Figura 92 Conversão da energia solar em carboidratos por uma folha Do total de energia incidente apenas 5 são convertidos em carboidratos 20 40 500 600 700 800 400 0 60 80 100 80 100 60 40 20 0 Porcentagem de luz transmitida Porcentagem de luz refletida Comprimento de onda nm Luz absorvida Luz transmitida Luz refletida Radiação fotossinteticamente ativa Figura 93 Propriedades ópticas de uma folha de feijoeiro sen do mostradas as porcentagens de luz absorvida refletida e transmi tida em função do comprimento de onda A luz verde é transmitida e refletida na faixa de 500 a 600 nm conferindo cor verde às folhas Observe que a maior parte da luz acima de 700 nm não é absorvida pela folha De Smith 1986 Energia solar total 100 Comprimentos de onda não absorvidos perda de 50 Reflexão e transmissão perda de 15 Dissipação de calor perda de 10 Metabolismo perda de 20 5 25 35 50 Carboidrato Taiz09indd 247 Taiz09indd 247 27102016 144025 27102016 144025 248 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Sob a epiderme encontramse camadas de células fo tossintetizantes que constituem o parênquima paliçádico elas são semelhantes a pilares dispostos em colunas para lelas de uma a três camadas de profundidade ver Figura 91 Algumas folhas têm várias camadas de células pali çádicas podendo ser questionado se é eficiente para uma planta investir energia no desenvolvimento de múltiplas camadas celulares quando o alto conteúdo de clorofila da primeira camada parece permitir pouca transmissão da luz incidente para o interior da folha De fato mais luz do que pode ser esperado penetra na primeira camada do tecido paliçádico por causa do efeito peneira e da canalização da luz O efeito peneira ocorre porque a clorofila não está distribuída uniformemente pelas células mas sim confi nada aos cloroplastos Essa disposição da clorofila provoca sombreamento entre suas moléculas e cria lacunas entre os cloroplastos onde luz é absorvida por isso a referên cia a uma peneira Devido ao efeito peneira a absorção total de luz por determinada quantidade de clorofila em uma célula do parênquima paliçádico é menor que a luz que seria absorvida pela mesma quantidade de clorofila distribuída uniformemente em uma solução A canalização da luz ocorre quando parte da luz inci dente é propagada pelos vacúolos centrais das células pali çádicas e pelos espaços intercelulares uma disposição que facilita a transmissão da luz para o interior da folha No interior abaixo das camadas paliçádicas localizase o pa rênquima esponjoso cujas células têm formas muito ir regulares e são delimitadas por grandes espaços de ar ver Figura 91 Esses espaços geram muitas interfaces entre ar e água que refletem e refratam a luz o que torna aleatória sua direção de movimento Esse fenômeno é denominado difusão da luz na interface A difusão da luz é especialmente importante nas fo lhas pois as reflexões múltiplas entre as interfaces célula ar aumentam muito o comprimento do caminho de des locamento dos fótons ampliando assim a probabilidade de absorção Na realidade os comprimentos das trajetórias dos fótons dentro das folhas são comumente quatro vezes mais longos do que a espessura foliar Portanto as proprie dades das células do parênquima paliçádico que permitem a passagem direta da luz e as propriedades das células do parênquima esponjoso que servem à dispersão da luz re sultam em absorção de luz mais uniforme por toda a folha Em alguns ambientes como os desertos há muita luz o que é potencialmente prejudicial à maquinaria fo tossintética das folhas Nesses ambientes as folhas com frequência possuem características anatômicas especiais como tricomas glândulas de sal e cera epicuticular que aumentam a reflexão de luz junto à superfície foliar redu zindo desse modo sua absorção Tais adaptações podem diminuir a absorção de luz em 60 reduzindo assim o superaquecimento e outros problemas associados à absor ção de energia solar em demasia Considerando a planta inteira as folhas dispostas no topo de um dossel absorvem a maior parte da luz solar e reduzem a quantidade de radiação que alcança as folhas inferiores As folhas sombreadas por outras folhas estão expostas a níveis mais baixos de luz e a uma qualidade de luz diferente em relação às folhas acima delas e têm taxas fotossintéticas muito mais baixas No entanto como as camadas de uma folha individual a estrutura da maioria das plantas e das árvores especialmente representa uma adaptação notável para interceptação da luz A estrutura elaborada de ramificação de árvores aumenta bastante a intercepção da luz solar Além disso as folhas em níveis diferentes do dossel exibem morfologia e fisiologia varia das o que ajuda a melhorar a captura da luz Em conse quência pouquíssima PPFD penetra até a parte inferior do dossel a PPFD é quase toda absorvida pelas folhas antes de alcançar o chão da floresta Figura 94 A sombra profunda no chão de uma floresta portan to contribui para um ambiente de crescimento desafiador para as plantas Em muitos ambientes sombrios entre tanto as manchas de sol constituem uma característica ambiental comum que permite níveis elevados de luz em estratos profundos do dossel Elas são porções de luz solar que passam por pequenas clareiras no dossel à medida que o sol se desloca as manchas de sol se movem pelas folhas normalmente sombreadas A despeito da natureza curta e efêmera das manchas de sol seus fótons constituem quase 50 da energia luminosa total disponível durante o dia Em uma floresta densa as manchas de sol podem alterar a luz solar que atinge uma folha de sombra em mais de dez ve zes por segundo Essa energia fundamental está disponível por apenas alguns minutes em uma quantidade muito alta Muitas espécies de sombra profunda submetidas a manchas 400 PPFD relativa 500 600 700 800 Comprimento de onda nm Luz do dia Dossel Vapor de H2O Azul Verde Vermelho Vermelho distante Radiação fotossinteticamente ativa Figura 94 Distribuição espectral relativa da luz solar no topo de um dossel e sob ele A maior parte da radiação fotossinteticamente ativa é absorvida pelas folhas do dossel De Smith 1994 Taiz09indd 248 Taiz09indd 248 27102016 144025 27102016 144025 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 249 de sol possuem mecanismos fisiológicos para tirar proveito da ocorrência desse pulso de luz As manchas de sol tam bém exercem um papel no metabolismo do carbono de la vouras densamente cultivadas em que as folhas inferiores da planta são sombreadas pelas folhas superiores O ângulo e o movimento da folha podem controlar a absorção da luz O ângulo da folha em relação ao sol determina a quan tidade de luz solar incidente sobre ela A luz solar inci dente pode atingir uma superfície foliar plana em diversos ângulos dependendo do período do dia e da orientação da folha A radiação incidente máxima ocorre quando a luz solar atinge uma folha perpendicular à sua superfície Quando os raios de luz desviam da perpendicular no en tanto a luz solar incidente sobre uma folha é proporcional ao ângulo em que os raios alcançam a superfície Sob condições naturais as folhas expostas à luz solar plena no topo do dossel tendem a apresentar ângulos ín gremes Desse modo uma quantidade de luz solar menor que o máximo incide sobre a lâmina foliar isso permite que mais luz solar atravesse o dossel Por essa razão é comum constatar que o ângulo das folhas dentro de um dossel decresce tornase mais horizontal com a profun didade crescente no dossel Algumas folhas maximizam a absorção da luz pelo acompanhamento do sol isto é elas ajustam continua mente a orientação de suas lâminas de modo a permanece rem perpendiculares aos raios solares Figura 95 Muitas espécies incluindo alfafa algodoeiro soja feijoeiro e tre moço possuem folhas capazes de acompanhar a trajetória solar As folhas que se posicionam segundo a trajetória so lar apresentam uma posição quase vertical ao nascer do sol voltandose para o leste Após as lâminas foliares começam a acompanhar o nascimento do sol seguindo seu movi mento com uma precisão de 15o até o crepúsculo quando se tornam quase verticais voltadas para o oeste Durante a noite as folhas assumem uma posição horizontal e se reo rientam para o horizonte leste antecipando outro nascer do sol As folhas acompanham o sol somente em dias claros interrompendo o movimento quando uma nuvem obscure ce o sol No caso de uma cobertura intermitente de nuvens algumas folhas conseguem reorientarse rapidamente em 90o por hora podendo assim ajustarse à nova posição do sol quando este emerge por trás de uma nuvem O ajuste das folhas à trajetória solar é uma resposta à luz azul ver Capítulo 16 e a sensação desse tipo de luz ocorre em regiões especializadas da folha ou do caule Em espécies de Lavatera Malvaceae a região fotossensível está localizada nas nervuras foliares principais ou perto delas Porém em muitas espécies em especial de Fabaceae a orientação foliar é controlada por um órgão especializado denominado pulvino encontrado na junção entre a lâmina e o pecíolo Nos tremoços Lupinus Fabaceae por exemplo as folhas consistem em cinco ou mais folíolos e a região fotossensível está em um pulvino localizado na parte basal de cada folíolo ver Figura 95 O pulvino contém células motoras que mudam seu potencial osmótico e geram forças mecânicas determinantes da orientação laminar Em ou tras espécies a orientação foliar é controlada por pequenas mudanças mecânicas ao longo do pecíolo e por movimen tos das partes mais jovens do caule Heliotropismo é outro termo empregado para descre ver a orientação foliar pelo acompanhamento do sol As folhas que maximizam a interceptação da luz mediante ajuste à trajetória do sol são referidas como diaheliotrópi cas Algumas espécies que ajustam sua posição de acordo com a trajetória do sol podem também mover suas folhas de modo a evitar a exposição total à luz solar minimizan do assim o aquecimento e a perda de água Essas folhas que evitam o sol são chamadas de paraheliotrópicas Al gumas espécies vegetais como a soja possuem folhas que podem exibir movimentos diaheliotrópicos quando bem hidratadas e movimentos paraheliotrópicos quando submetidas ao estresse hídrico As folhas aclimatamse a ambientes ensolarados e sombrios Aclimatação é um processo de desenvolvimento em que as folhas expressam um conjunto de ajustes bioquímicos e mor fológicos apropriados ao ambiente particular no qual elas es A B Figura 95 Movimento foliar em plantas que se ajustam à po sição do sol A Orientação foliar inicial no tremoço Lupinus suc culentus sem luz solar direta B Orientação foliar 4 horas após exposição à luz oblíqua As setas indicam a orientação da fonte lu minosa O movimento é gerado por intumescência assimétrica de um pulvino encontrado na junção da lâmina com o pecíolo Em condições naturais as folhas acompanham a trajetória do sol De Vogelmann e Björn 1983 cortesia de T Vogelmann Taiz09indd 249 Taiz09indd 249 27102016 144025 27102016 144025 250 Unidade II Bioquímica e Metabolismo tão expostas A aclimatação pode ocorrer em folhas maduras e naquelas em desenvolvimento recente Plasticidade é o termo utilizado para definir em que extensão o ajuste pode ocorrer Muitas espécies vegetais têm suficiente plasticidade de desenvolvimento para responder a uma gama de regimes de luz crescendo como plantas de sol em áreas ensolaradas e como plantas de sombra em hábitats sombrios A capacidade de aclimatarse é importante visto que os hábitats sombrios podem receber menos de 20 da PPFD disponível em um ambiente exposto e os hábitats profundamente sombrios re cebem menos de 1 da PPFD incidente no topo do dossel Em algumas espécies vegetais as folhas individuais que se desenvolvem em ambientes ensolarados ou profun damente sombrios muitas vezes são incapazes de persistir quando transferidas para outro tipo de hábitat Em tais ca sos a folha madura abscindirá e uma folha nova se desen volverá mais bem ajustada ao novo ambiente Isso pode ser observado se uma planta desenvolvida em ambiente fechado for transferida para o ar livre se ela for o tipo apropriado de planta será desenvolvido um novo conjun to de folhas mais adequadas à luz solar elevada Contudo algumas espécies vegetais não são capazes de se aclimatar quando transferidas de um ambiente ensolarado para um sombrio ou viceversa A falta de aclimatação indica que essas espécies são especializadas para um ambiente en solarado ou um ambiente sombrio Quando plantas adap tadas a situações de sombra profunda são transferidas para um ambiente com luz solar plena as folhas sofrem de fotoinibição crônica descoloração e finalmente morrem A fotoinibição será discutida mais adiante neste capítulo As folhas de sol e as folhas de sombra têm caracterís ticas bioquímicas e morfológicas contrastantes As folhas de sombra aumentam a captura de luz por terem mais clorofila total por centro de reação razão mais alta entre clorofila b e clorofila a e lâminas geral mente mais finas do que as das folhas de sol As folhas de sol aumentam a assimilação de CO2 por terem mais rubisco e conseguem dissipar o excesso de energia luminosa por terem um grande pool de com ponentes do ciclo da xantofila ver Capítulo 7 Mor fologicamente essas folhas são mais espessas e têm camada paliçádica mais espessa em relação às folhas de sombra ver Figura 91 Essas modificações morfológicas e bioquímicas estão as sociadas a respostas específicas de aclimatação à quantida de de luz solar no hábitat da planta mas a qualidade da luz também pode influenciar tais respostas Por exemplo a luz vermelhodistante que é absorvida principalmente pelo fotossistema I PSI de photosystem I é proporcionalmente mais abundante nos hábitats sombrios do que nos enso larados ver Capítulo 18 Para equilibrar melhor o fluxo de energia através de PSII e PSI a resposta adaptativa de algumas plantas de sombra é produzir uma razão mais alta entre os centros de reação de PSII e PSI em compa ração com a encontrada em plantas de sol Outras plantas de sombra em vez de alterar a razão entre os centros de reação de PSII e PSI adicionam mais clorofila de antenas ao PSII para aumentar a absorção por esse fotossistema Essas mudanças parecem intensificar a absorção de luz e a transferência de energia em ambientes sombrios Efeitos da luz na fotossíntese na folha intacta A luz é um recurso fundamental que limita o crescimento vegetal mas eventualmente as folhas podem ser expos tas à luz em demasia em vez de à escassez de luz Nesta seção são descritas as típicas respostas fotossintéticas à luz medidas pelas curvas de resposta à luz Consideram se também que características de uma curva de resposta à luz podem ajudar a explicar as propriedades fisiológicas contrastantes entre plantas de sol e de sombra bem como entre espécies C3 e C4 A seção é concluída com descrições de como as folhas respondem ao excesso de luz As curvas de resposta à luz revelam propriedades fotossintéticas A medição da fixação líquida de CO2 em folhas intactas por níveis variados de PPFD gera curvas de resposta à luz Figura 96 Próximo do escuro há pouca assimilação de 5 0 5 10 15 20 25 200 400 PPFD μmol m2 s1 Assimilação fotossintética de CO2 μmol m2 s1 600 800 1000 0 Limitada pela carboxilação Limitada pela luz Ponto de compensação da luz absorção de CO2 liberação de CO2 Inclinação inicial Produtividade quântica Taxa de respiração no escuro Figura 96 Resposta fotossintética à luz em uma espécie C3 No escuro a respiração causa um efluxo líquido de CO2 oriundo da planta O ponto de compensação da luz é alcançado quando a assi milação fotossintética de CO2 se iguala à quantidade de CO2 libera da pela respiração Aumentando a luz acima do ponto de compen sação a fotossíntese elevase proporcionalmente indicando que ela é limitada pela taxa de transporte de elétrons a qual por sua vez é limitada pela quantidade de luz disponível Essa porção da curva é referida como limitada pela luz Outros aumentos na fotossíntese são posteriormente limitados pela capacidade de carboxilação da rubisco ou pelo metabolismo das trioses fosfato Essa parte da cur va é referida como limitada pela carboxilação Taiz09indd 250 Taiz09indd 250 27102016 144025 27102016 144025 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 251 carbono mas como a respiração mitocondrial continua o CO2 é emitido pela planta ver Capítulo 12 A absorção de CO2 é negativa nessa parte da curva de resposta à luz Sob níveis mais altos de PPFD a assimilação fotossintética de CO2 finalmente alcança um ponto em que a absorção e a liberação de CO2 são exatamente equilibradas Isso é deno minado ponto de compensação da luz A PPFD em que diferentes folhas alcançam o ponto de compensação da luz pode variar entre as espécies e com as condições de desen volvimento Uma das diferenças mais interessantes é en contrada entre espécies que normalmente crescem sob luz solar plena e aquelas que crescem à sombra Figura 97 Os pontos de compensação da luz de espécies de sol variam de 10 a 20 μmol m2 s1 enquanto os valores correspondentes de espécies de sombra são de 1 a 5 μmol m2 s1 Por que os pontos de compensação da luz são mais baixos para espécies de sombra Geralmente isso aconte ce porque as taxas de respiração são baixas em espécies de sombra portanto apenas uma pequena taxa fotossintética líquida é necessária para levar a zero as taxas líquidas de troca de CO2 As taxas de respiração baixas permitem às espécies de sombra sobreviver em ambientes com limita ção de luz por sua capacidade de atingir taxas de absorção de CO2 positivas em valores mais baixos de PPFD do que as espécies de sol Uma relação linear entre a PPFD e a taxa fotossin tética persiste em níveis luminosos acima do ponto de compensação da luz ver Figura 96 Em toda essa porção linear da curva de resposta à luz a fotossíntese é limitada pela luz mais luz estimula proporcionalmente mais fotos síntese Quando corrigida para absorção de luz a incli nação dessa porção linear da curva proporciona a produ tividade quântica máxima de fotossíntese para a folha Folhas de espécies de sol e de sombra exibem produtivida des quânticas muito similares a despeito de seus hábitats de crescimento diferentes Isso acontece porque os proces sos bioquímicos básicos que determinam a produtividade quântica são os mesmos para esses dois tipos de espécies Contudo a produtividade quântica pode variar entre es pécies com rotas fotossintéticas distintas A produtividade quântica é a razão entre determinado produto dependente de luz e o número de fótons absorvi dos ver Equação 75 A produtividade quântica fotossin tética pode ser expressa sobre uma base de CO2 ou uma de O2 conforme explicado no Capítulo 7 a produtivida de quântica da fotoquímica é de cerca de 095 Contudo a produtividade quântica fotossintética máxima de um processo integrado como a fotossíntese é mais baixa que a produtividade teórica quando medida em cloroplastos organelas ou em folhas inteiras Com base na bioquímica discutida no Capítulo 8 a produtividade quântica máxima teórica esperada para a fotossíntese de espécies C3 é de 0125 uma molécula de CO2 fixada por oito fótons absor vidos Porém nas condições atmosféricas atuais 400 ppm de CO2 21 de O2 as produtividades quânticas medidas para CO2 de folhas C3 e C4 variam de 005 a 006 mol de CO2 por mol de fótons Em espécies C3 a redução do máximo teórico é causa da principalmente pela perda de energia pela fotorrespira ção Nas espécies C4 a redução é causada pelas demandas adicionais de energia do mecanismo concentrador de CO2 e pelo custo potencial da refixação de CO2 que se difun diu para fora a partir do interior das células da bainha vas cular Se folhas de espécies C3 forem expostas a concen trações baixas de O2 a fotorrespiração é minimizada e a produtividade quântica máxima aumenta em cerca de 009 mol de CO2 por mol de fótons Por outro lado se folhas de espécies C4 forem expostas a concentrações baixas de O2 as produtividades quânticas para a fixação de CO2 perma necem constantes em cerca de 005 a 06 mol de CO2 por mol de fótons Isso ocorre porque o mecanismo concen trador de carbono na fotossíntese C4 elimina quase toda a liberação de CO2 via fotorrespiração Em PPFD mais alta ao longo da curva de resposta à luz a resposta fotossintética à luz começa a estabilizar se ver Figuras 96 e 97 e por fim alcança a saturação Além do ponto de saturação da luz a fotossíntese líquida não aumenta mais indicando que outros fatores que não a luz incidente como a taxa de transporte de elétrons a atividade de rubisco ou o metabolismo das trioses fosfato tornamse limitantes à fotossíntese Os níveis de satura ção da luz para espécies de sombra são substancialmente mais baixos do que os para espécies de sol ver Figura 97 0 4 4 8 12 16 20 24 28 32 400 800 PPFD μmol m2 s1 Assimilação fotossintética de CO2 μmol m2 s1 1200 1600 2000 0 Atriplex triangularis espécie de sol Asarum caudatum espécie de sombra Figura 97 Curvas de resposta à luz da fixação fotossintética de carbono em espécies de sol e de sombra Armole triangular Atri plex triangularis é uma espécie de sol e o gengibreselvagem Asa rum caudatum é uma espécie de sombra As espécies de sombra em geral têm ponto de compensação da luz baixo e taxas fotossin téticas máximas mais baixas quando comparadas às espécies de sol A linha vermelha tracejada foi extrapolada da parte medida da curva De Harvey 1979 Taiz09indd 251 Taiz09indd 251 27102016 144026 27102016 144026 252 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Isso vale também para folhas da mesma planta quando cultivada ao sol versus sombra Figura 98 Esses níveis em geral refletem a PPFD máxima à qual a folha foi expos ta durante o crescimento A curva de resposta à luz da maioria das folhas satura entre 500 e 1000 μmol m2 s1 bem abaixo da luz solar plena que é de cerca de 2000 μmol m2 s1 Uma exceção é representada pelas folhas de culturas bem fertilizadas que com frequência saturam acima de 1000 μmol m2 s1 Embora as folhas individuais raramente sejam capazes de utilizar a luz solar plena as plantas inteiras em geral con sistem em muitas folhas que fazem sombra umas para as outras Assim em determinado momento do dia apenas uma pequena proporção das folhas está exposta ao sol ple no em especial em plantas com copas densas O resto das folhas recebe fluxos fotônicos subsaturantes oriundos de manchas solares que passam através de clareiras no dos sel luz difusa e luz transmitida por outras folhas Uma vez que a resposta fotossintética da planta intac ta é a soma da atividade fotossintética de todas as folhas raramente a fotossíntese é saturada de luz em nível da planta inteira Figura 99 Por essa razão a produtividade de uma lavoura em geral está relacionada à quantidade to tal de luz recebida durante a estação de crescimento e não à capacidade fotossintética de uma única folha Com água e nutrientes suficientes quanto mais luz a lavoura receber mais alta é a biomassa produzida As folhas precisam dissipar o excesso de energia luminosa Quando expostas ao excesso de luz as folhas precisam dissipar o excedente de energia luminosa absorvido para impedir dano ao aparelho fotossintético Figura 910 Existem várias rotas de dissipação de energia que envol vem o quenching não fotoquímico ver Capítulo 7 o quen ching da fluorescência da clorofila por mecanismos que não os fotoquímicos O exemplo mais importante envolve a transferência de energia luminosa absorvida para longe do transporte de elétrons voltado para a produção de ca lor Embora os mecanismos moleculares ainda não sejam totalmente compreendidos o ciclo das xantofilas parece ser um caminho importante para dissipação do excesso de energia luminosa ver Ensaio 91 na internet CICLO DAS XANTOFILAS O ciclo das xantofilas que compreende os três carotenoides violaxantina anteraxan tina e zeaxantina demonstra uma capacidade de dissipar o excesso de energia luminosa na folha ver Figura 733 Sob luminosidade alta a violaxantina é convertida em an teraxantina e depois em zeaxantina Os dois anéis aromá 0 10 20 30 40 500 1000 PPFD μmol m2 s1 1500 Cultivada sob PPFD de 920 μmol m2 s1 sol Cultivada sob PPFD de 92 μmol m2 s1sombra 2000 2500 0 Atriplex triangularis espécie de sol Assimilação fotossintética de CO2 μmol m2 s1 Figura 98 Curva de resposta à luz da fotossíntese de uma es pécie de sol cultivada sob condições de sol e de sombra A curva superior representa uma folha de A triangularis submetida a uma PPFD 10 vezes maior do que a da curva inferior Na planta sob níveis de luz mais baixos a fotossíntese satura a uma PPFD substancial mente mais baixa indicando que as propriedades fotossintéticas de uma folha dependem de suas condições de crescimento A linha vermelha tracejada foi extrapolada da parte medida da curva De Björkman 1981 0 10 20 30 40 500 1000 1500 0 Dossel Parte aérea caule e folha Acículas individuais PPFD μmol m2 s1 Assimilação fotossintética de CO2 μmol m2 s1 Figura 99 Mudanças na fotossíntese expressas sobre uma base por metro quadrado em acículas individuais uma parte aérea caule e folhas complexa e um dossel de uma floresta de espruce Picea sitchensis em função da PPFD As partes aéreas complexas consis tem em agrupamentos de acículas em que muitas vezes uns som breiam outros similar à situação em um dossel onde os ramos fre quentemente fazem sombra para outros ramos Como consequência do sombreamento são necessários níveis de PPFD muito mais altos para saturar a fotossíntese A porção tracejada da linha do dossel foi extrapolada da parte medida da curva De Jarvis e Leverenz 1983 Taiz09indd 252 Taiz09indd 252 27102016 144026 27102016 144026 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 253 ticos de violaxantina têm um átomo de oxigênio ligado Na anteraxantina apenas um dos dois anéis tem um oxigênio ligado e na zeaxantina nenhum dos dois Das três xanto filas a zeaxantina é a mais eficaz na dissipação do calor e a anteraxantina apresenta apenas a metade da eficácia En quanto os níveis de anteraxantina permanecem relativa mente constantes durante o dia o conteúdo de zeaxantina aumenta sob PPFD alta e diminui sob PPFD baixa Em folhas que crescem sob luz solar plena a zeaxanti na e a anteraxantina representam até 40 do pool total do ciclo da xantofila em níveis máximos de PPFD alcançados ao meiodia Figura 911 Nessas condições uma quanti dade substancial do excesso de energia luminosa absorvida pelos tilacoides pode ser dissipada como calor evitando assim dano à maquinaria fotossintética do cloroplasto ver Capítulo 7 As folhas expostas à luz solar plena contêm um pool de xantofilas substancialmente maior que as folhas de sombra de modo que elas podem dissipar quantidades mais altas do excesso de energia luminosa Todavia o ciclo das xantofilas também opera em plantas que crescem com pouca luz no interior da floresta onde ocasionalmente são expostas a manchas de sol A exposição a uma mancha de sol resulta na conversão de grande quantidade da violaxan tina presente na folha em zeaxantina O ciclo das xantofilas também é importante em espé cies que permanecem verdes durante o inverno quando as taxas fotossintéticas são muito baixas ainda que a absor ção de luz permaneça elevada Diferentemente da ciclagem diurna do pool de xantofilas observada no verão os níveis de zeaxantina permanecem altos o dia inteiro durante o inver no Esse mecanismo maximiza a dissipação da energia lu minosa protegendo assim as folhas contra a fotooxidação quando o frio do inverno impede a assimilação de carbono MOVIMENTOS DOS CLOROPLASTOS Um modo alter nativo de reduzir o excesso de energia luminosa é movi mentar os cloroplastos de maneira que não sejam expostos à luz elevada O movimento de cloroplastos é comum em algas musgos e folhas de plantas superiores Se a orienta ção e a posição dos cloroplastos forem controladas as folhas podem regular o quanto de luz incidente é absorvido No escuro Figura 912A e B os cloroplastos acumulamse nas superfícies celulares paralelamente ao plano da folha de modo a ficarem alinhados perpendicularmente à luz inci dente uma posição que maximiza a absorção de luz Sob luz forte Figura 912C os cloroplastos deslocam se para as superfícies celulares paralelas à luz incidente evitando assim sua absorção em excesso Tal reordena ção dos cloroplastos pode diminuir a quantidade de luz absorvida pela folha em cerca de 15 O movimento de cloroplastos em folhas é uma resposta típica à luz azul ver Capítulo 16 A luz azul também controla a orientação dos cloroplastos em muitas plantas inferiores mas em algu mas algas o movimento dos cloroplastos é controlado por fitocromo Nas folhas o deslocamento dos cloroplastos 0 10 20 30 40 50 60 70 200 400 600 PPFD μmol m2 s1 Evolução fotossintética de oxigênio Evolução fotossintética de O2 μmol m2 s1 Excesso de energia luminosa 20 6 h 12 h 18 h 0 40 60 80 500 0 1000 1500 2000 100 Xantofilas mmol mol Chl a b1 PPFD μmol m2 s1 Período do dia Zeaxantina Anteraxantina Violaxantina Luz Figura 910 Excesso de energia luminosa em relação a uma cur va de evolução fotossintética de oxigênio em resposta à luz em uma folha de sombra A linha tracejada mostra a evolução teórica de oxigênio na ausência de qualquer limitação à fotossíntese Em níveis de PPFD de até 150 μmol m2 s1 uma planta de sombra é capaz de utilizar a luz absorvida No entanto acima de 150 μmol m2 s1 a fotossíntese satura e uma quantidade cada vez maior de energia luminosa absorvida precisa ser dissipada Em níveis de PPFD mais altos existe uma grande diferença entre a fração de luz usada pela fotossíntese em relação à que precisa ser dissipada excesso de energia luminosa As diferenças são muito maiores em uma planta de sombra do que em uma planta de sol De Osmond 1994 Figura 911 Mudanças diurnas no teor de xantofila no girassol Helianthus annuus em função da PPFD À medida que aumenta a quantidade de luz incidente sobre uma folha uma proporção maior de violaxantina é convertida em anteraxantina e zeaxantina dissipan do assim o excesso de energia de excitação e protegendo o apare lho fotossintético De DemmigAdams e Adams 1996 Taiz09indd 253 Taiz09indd 253 27102016 144026 27102016 144026 254 Unidade II Bioquímica e Metabolismo ocorre ao longo de microfilamentos de actina no citoplas ma e o cálcio regula seu movimento MOVIMENTOS DAS FOLHAS As plantas desenvolve ram também respostas que reduzem o excesso da carga de radiação sobre as folhas inteiras durante períodos de luz solar intensa em especial quando a transpiração e seus efeitos refrescantes são diminuídos devido ao estresse hí drico Essas respostas muitas vezes abrangem mudanças na orientação foliar em relação à incidência de luz solar Por exemplo as folhas heliotrópicas da alfafa e do tremo ço ajustamse à trajetória do sol mas ao mesmo tempo podem reduzir os níveis de luz incidente mediante aproxi mação de seus folíolos de modo que as lâminas foliares se tornam quase paralelas aos raios solares paraheliotrópi cas Esses movimentos são acompanhados por alterações na pressão de turgor de células do pulvino na extremidade do pecíolo Outra resposta comum é a murcha como se observa no girassol pela qual a folha fica pendente em uma orientação vertical reduzindo também a carga de ca lor incidente e diminuindo a transpiração e os níveis de luz incidente Muitas gramíneas são efetivamente capazes de se enrolar mediante perda de turgor nas células buli formes resultando na redução da PPFD incidente A absorção de luz em demasia pode levar à fotoinibição Quando as folhas são expostas a uma quantidade de luz maior do que podem usar ver Figura 910 o centro de reação do PSII é inativado e frequentemente danificado constituindo um fenômeno denominado fotoinibição ver Capítulo 7 As características da fotoinibição na folha in tacta dependem da quantidade de luz à qual a planta está exposta Os dois tipos de fotoinibição são fotoinibição di nâmica e crônica Sob excesso de luz moderado constatase a fotoini bição dinâmica A produtividade quântica diminui mas a taxa fotossintética máxima permanece inalterada A fotoi nibição dinâmica é causada pelo desvio da energia lumi nosa absorvida para a dissipação de calor por isso o de créscimo na produtividade quântica Com frequência esse decréscimo é temporário e a produtividade quântica pode retornar a seu valor inicial mais alto quando a PPFD dimi nui abaixo dos níveis de saturação A Figura 913 mostra como os fótons da luz solar são alocados para reações fo tossintéticas e para serem dissipados termicamente como excesso de energia durante o dia sob condições ambientais favoráveis e de estresse A fotoinibição crônica resulta da exposição a níveis mais altos de excesso de luz que danificam o sistema fo tossintético e diminuem a produtividade quântica e a taxa fotossintética máxima Isso aconteceria se a condição de estresse na Figura 913B persistisse porque a fotoproteção não foi possível A fotoinibição crônica está associada a dano à proteína D1 do centro de reação de PSII ver Ca pítulo 7 Em comparação aos efeitos da fotoinibição di nâmica os efeitos da fotoinibição crônica são de duração relativamente longa persistindo por semanas ou meses Os primeiros pesquisadores da fotoinibição interpre taram todos os decréscimos na produtividade quântica como dano ao aparelho fotossintético Hoje reconhece se que os decréscimos de curto prazo na produtividade quântica refletem mecanismos protetores ver Capítulo 7 enquanto a fotoinibição crônica representa dano real ao cloroplasto resultante de luz excessiva ou de falha dos mecanismos protetores A Escuro B Luz azul fraca C Luz azul forte Figura 912 Distribuição de cloroplastos em células fotossinte tizantes da lentilhadágua Lemna Estas vistas frontais mostram as mesmas células sob três condições A escuro B luz azul fraca e C luz azul forte Em A e B os cloroplastos estão posicionados nas proximidades da superfície superior das células onde podem absorver quantidades máximas de luz Quando as células são irra diadas com luz azul forte C os cloroplastos deslocamse para as paredes laterais onde eles sombreiam uns aos outros minimizando portanto a absorção do excesso de luz Cortesia de M Tlalka e M D Fricker Taiz09indd 254 Taiz09indd 254 27102016 144026 27102016 144026 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 255 Quão significante é a fotoinibição na natureza A fo toinibição dinâmica parece ocorrer diariamente quando as folhas são expostas a quantidades máximas de luz e ocorre uma redução correspondente na fixação de carbo no A fotoinibição é mais pronunciada em temperaturas baixas e tornase crônica sob condições climáticas mais extremas Efeitos da temperatura na fotossíntese na folha intacta A fotossíntese absorção de CO2 e a transpiração perda de H2O apresentam um caminho em comum ou seja o CO2 difundese para o interior da folha e a H2O difunde se para fora através da abertura estomática regulada pe las célulasguarda Ao mesmo tempo em que esses pro cessos são independentes grandes quantidades de água são perdidas durante os períodos fotossintéticos com a razão molar da perda de H2O em relação à absorção de CO2 muitas vezes excedendo 250 Essa taxa elevada de perda de água também remove calor das folhas mediante esfriamento evaporativo mantendoas relativamente frias mesmo sob condições de luz solar plena O esfriamento pela transpiração é importante pois a fotossíntese é um processo dependente da temperatura mas a perda de água concorrente significa que o esfriamento representa um custo em especial em ecossistemas áridos e semiáridos As folhas precisam dissipar grandes quantidades de calor O calor acumulado sobre uma folha exposta à luz solar plena é muito alto De fato sob condições luminosas nor mais com temperatura do ar moderada uma folha atin giria uma temperatura perigosamente alta caso a energia solar fosse absorvida e não houvesse dissipação de calor Entretanto isso não ocorre pois as folhas absorvem ape nas cerca de 50 da energia solar total 3003000 nm com a maior parte da absorção ocorrendo na porção visível do espectro ver Figuras 92 e 93 Essa quantidade ainda é grande O acúmulo de calor típico de uma folha é dissipa do por meio de três processos Figura 914 Perda de calor radiativo todos os objetos emitem ra diação a cerca de 10000 nm em proporção à quar ta potência de sua temperatura equação de Stephan Boltzman Contudo o comprimento de onda máximo emitido é inversamente proporcional à temperatura foliar e as temperaturas foliares são suficientemente baixas para que os comprimentos de onda emitidos não sejam visíveis ao olho humano Entrada de energia Dissipação de calor Luz solar absorvida pela folha Radiação de onda longa perda de calor radiativo Convecção da folha para o ar a fim de esfriála perda de calor sensível Esfriamento evaporativo da perda de água perda de calor latente Figura 914 Absorção e dissipação de energia da luz solar pela folha A carga de calor imposta deve ser dissipada a fim de evitar dano à folha A carga de calor é dissipada pela emissão de radiação de ondas longas pela perda de calor sensível para o ar que circunda a folha e pelo esfriamento evaporativo causado pela transpiração Amanhecer Meiodia Período do dia Anoitecer 1000 0 2000 luz solar plena PPFD μmol m2 s1 PPFD μmol m2 s1 1000 0 2000 luz solar plena A Condições ambientais favoráveis B Condições ambientais de estresse Fótons envolvidos na fotoquímica Fótons absorvidos Fótons dissipados Figura 913 Mudanças durante um dia na alocação de fótons absorvidos pela luz solar É apresentada uma comparação de como os fótons incidentes sobre uma folha são envolvidos na fotoquímica ou dissipados termicamente como excesso de energia em folhas sob condições favoráveis A e de estresse B De DemmigAdams e Adams 2000 Taiz09indd 255 Taiz09indd 255 27102016 144026 27102016 144026 256 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Perda de calor sensível se a temperatura da folha for mais alta que a do ar circulante ao seu redor have rá convecção de calor transferência da folha para o ar O tamanho e a forma de uma folha influenciam a quantidade da perda de calor sensível Perda de calor latente uma vez que a evaporação da água requer energia quando ela evapora de uma folha transpiração ocorre remoção de grandes quantida des de calor desta e portanto seu esfriamento O cor po humano é esfriado pelo mesmo princípio comu mente conhecido como perspiração As perdas de calor sensível e evaporativo são os mais im portantes processos na regulação da temperatura foliar e a razão dos dois fluxos é denominada razão de Bowen Razão de Bowen Perda de calor sensível Perda de calor evaporativo Em lavouras bem irrigadas a transpiração ver Capítulo 4 e portanto a evaporação de água da folha é alta de modo que a razão de Bowen é baixa ver Tópico 92 na internet Inversamente quando o esfriamento evaporativo é limita do a razão de Bowen é elevada Em uma lavoura sob es tresse hídrico por exemplo o fechamento estomático par cial reduz o esfriamento evaporativo e a razão de Bowen é aumentada A quantidade de perda de calor evaporativo e portanto a razão de Bowen é influenciada pelo grau em que os estômatos permanecem abertos As plantas com razões de Bowen muito altas conser vam água mas consequentemente podem também ficar submetidas a temperaturas foliares muito altas Entretan to a diferença de temperatura entre a folha e o ar aumenta a quantidade de perda de calor sensível O crescimento re duzido em geral está correlacionado com razões de Bowen altas porque uma alta razão de Bowen indica fechamento estomático ao menos parcial Existe uma temperatura ideal para a fotossíntese A manutenção de temperaturas foliares favoráveis é cru cial para o crescimento vegetal porque a fotossíntese má xima ocorre dentro de uma faixa de temperatura relativa mente estreita O pico da taxa fotossintética em uma faixa de temperaturas é o ideal térmico fotossintético Quando a temperatura ótima para determinada planta é ultrapassa da as taxas fotossintéticas decrescem novamente O ideal térmico fotossintético reflete componentes bioquímicos genéticos adaptação e ambientais aclimatação As espécies adaptadas a regimes térmicos diferen tes em geral têm uma faixa de temperatura ideal para a fotossíntese que reflete as temperaturas do ambiente no qual elas se desenvolveram Um contraste é especialmente nítido entre a espécie C3 Atriplex glabriuscula que comu mente ocorre em ambientes costeiros frios e a espécie C4 Tidestromia oblongifolia de um ambiente desértico quente Figura 915 A capacidade de aclimatarse ou ajustarse bioquimicamente também pode ser constatada em nível intraespecífico Quando cultivados em temperaturas dife rentes e a seguir testados quanto à sua resposta fotos sintética os indivíduos da mesma espécie mostram ideais térmicos fotossintéticos que se correlacionam com as res pectivas temperaturas de cultivo Em outras palavras os indivíduos da mesma espécie cultivados em temperaturas baixas têm taxas fotossintéticas mais altas em temperatu ras baixas enquanto esses mesmos indivíduos cultivados em temperaturas altas têm taxas fotossintéticas mais altas em temperaturas altas A capacidade de ajustarse mor fológica fisiológica ou bioquimicamente em resposta a mudanças no ambiente é referida como plasticidade As plantas com uma plasticidade térmica elevada são capazes de crescer em uma ampla faixa de temperaturas As mudanças nas taxas fotossintéticas em resposta à temperatura exercem um papel importante nas adaptações das plantas e contribuem para que elas sejam produtivas mesmo em alguns dos hábitats termicamente mais extre mos Na amplitude térmica mais baixa as plantas crescen do em áreas alpinas do Colorado e em regiões árticas do Alasca são capazes de absorção líquida de CO2 em tempe raturas próximas a 0oC No outro extremo as plantas vi vendo no Vale da Morte Death Valley na Califórnia um dos lugares mais quentes na Terra podem alcançar taxas fotossintéticas positivas em temperaturas próximas a 50oC A fotossíntese é sensível às temperaturas altas e baixas Quando as taxas fotossintéticas são plotadas em função da temperatura a curva de resposta à temperatura tem uma forma assimétrica de sino ver Figura 915 A despeito de algumas diferenças na forma a curva de resposta à tempe ratura da fotossíntese interespecífica e intraespecífica tem muitas características em comum A porção ascendente da curva representa uma estimulação de atividades enzimá ticas dependentes da temperatura o topo plano é a tem peratura ideal para a fotossíntese e a porção descendente 20 10 30 40 50 10 0 20 30 40 Temperatura foliar C Assimilação fotossintética de CO2 μmol m2 s1 Tidestromia oblongifolia C4 de deserto quente Atriplex glabriuscula C3 de região costeira fria Figura 915 Fotossíntese em função da temperatura em con centrações normais de CO2 atmosférico para uma espécie C3 cres cendo em seu hábitat natural frio e uma espécie C4 crescendo em seu hábitat natural quente De Berry e Björkman 1980 Taiz09indd 256 Taiz09indd 256 27102016 144026 27102016 144026 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 257 da curva está associada aos efeitos deletérios sensíveis à temperatura alguns dos quais são reversíveis e outros não Que fatores estão associados ao declínio da fotos síntese acima do ótimo de temperatura fotossintética A temperatura afeta todas as reações bioquímicas da fo tossíntese bem como a integridade de membranas em cloroplastos não surpreendendo que as respostas à tem peratura sejam complexas As taxas de respiração aumen tam em função da temperatura mas essa não é a razão primordial para o decréscimo pronunciado na fotossíntese líquida em temperaturas elevadas Um impacto importan te da temperatura alta é sobre os processos de transporte de elétrons ligados à membrana que se tornam desacopla dos ou instáveis em temperaturas altas Isso interrompe o suprimento do poder redutor necessário para abastecer a fotossíntese líquida e provoca um decréscimo geral acen tuado na fotossíntese Sob concentrações de CO2 existentes no ambiente e com condições favoráveis de luz e umidade do solo o ideal térmico fotossintético com frequência é limitado pela ati vidade da rubisco Em folhas de espécies C3 a resposta à temperatura crescente reflete processos conflitantes um aumento na taxa de carboxilação e um decréscimo na afi nidade da rubisco por CO2 com um aumento correspon dente na fotorrespiração ver Capítulo 8 Há evidência de que a atividade da rubisco diminui devido aos efeitos ne gativos do calor sobre a rubiscoativase submetida a tem peraturas mais altas 35oC ver Capítulo 8 A redução na afinidade por CO2 e o aumento na fotorrespiração ate nuam a resposta potencial à temperatura da fotossíntese sob as concentrações de CO2 existentes no ambiente Em comparação em espécies com fotossíntese C4 o interior da folha é saturado de CO2 ou quase assim como discu tido no Capítulo 8 e não se manifesta o efeito negativo da temperatura alta sobre a afinidade da rubisco por CO2 Essa é uma razão pela qual as folhas de espécies C4 ten dem a ter um ideal de temperatura fotossintética mais alto do que as folhas de espécies C3 ver Figura 915 Em temperaturas baixas a fotossíntese C3 pode tam bém ser limitada por fatores como a disponibilidade de fosfatos no cloroplasto Quando trioses fosfato são expor tadas do cloroplasto para o citosol uma quantidade equi molar de fosfato inorgânico é absorvida via translocadores na membrana dos cloroplastos Se a taxa de uso de trioses fosfato no citosol diminuir o ingresso de fosfatos no cito sol é inibido e a fotossíntese tornase limitada por eles As sínteses de amido e sacarose diminuem rapidamente com o decréscimo da temperatura reduzindo a demanda por trioses fosfato e causando a limitação de fosfatos observa da em temperaturas baixas A eficiência fotossintética é sensível à temperatura A fotorrespiração ver Capítulo 8 e a produtividade quân tica eficiência no uso da luz diferem entre os tipos fotos sintéticos C3 e C4 com mudanças especialmente notáveis à medida que a temperatura varia A Figura 916 ilustra a produtividade quântica para a fotossíntese em função da temperatura foliar de espécies C3 e espécies C4 na atmos fera atual de 400 ppm de CO2 Nas espécies C4 a produti vidade quântica permanece constante com a temperatura refletindo taxas baixas de fotorrespiração Nas espécies C3 a produtividade quântica diminui com a temperatura re fletindo uma estimulação da fotorrespiração pela tempe ratura e um subsequente custo energético mais alto para a fixação líquida de CO2 A combinação de redução da produtividade quântica e aumento da fotorrespiração leva a diferenças esperadas nas capacidades fotossintéticas de espécies C3 e C4 em hábitats com temperaturas diferentes As taxas relativas de produtividade primária previstas para gramíneas C3 e C4 ao longo de um gradiente latitudinal nas Grandes Planícies da América do Norte desde o sul do Texas nos EUA até Manitoba no Canadá são mostradas na Figura 917 Esse declínio na produtividade de espécies C4 em relação à produtividade de C3 no deslocamento para o norte estabelece nas Grandes Planícies um paralelo es treito da mudança na abundância de plantas com essas rotas as espécies C4 são mais comuns abaixo de 40oN e as espécies C3 dominam acima de 45oN ver Tópico 93 na internet 002 000 004 006 008 010 15 20 25 30 35 Temperatura foliar C Produtividade quântica mol CO2 por quantum absorvido 40 10 Espécies C4 Espécies C3 Figura 916 Produtividade quântica da fixação fotossintética de carbono em espécies C3 e C4 em função da temperatura foliar A fotorrespiração aumenta com a temperatura em espécies C3 e o custo energético da fixação líquida de CO2 aumenta de acordo Esse custo energético mais alto é expresso em produtividades quânticas mais baixas sob temperaturas mais elevadas Por outro lado a fo torrespiração é muito baixa em espécies C4 e a produtividade quân tica não mostra uma dependência da temperatura Observe que em temperaturas mais baixas a produtividade quântica de espécies C3 é mais alta que a de espécies C4 indicando que a fotossíntese em espécies C3 é mais eficiente em temperaturas mais baixas De Ehleringer et al 1997 Taiz09indd 257 Taiz09indd 257 27102016 144026 27102016 144026 258 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Efeitos do dióxido de carbono na fotossíntese na folha intacta Foi discutido como a luz e a temperatura influenciam a fi siologia e a anatomia da folha Agora interessa saber como a concentração de CO2 afeta a fotossíntese O CO2 difunde se da atmosfera para as folhas primeiramente através dos estômatos depois através dos espaços intercelulares e final mente para o interior de células e cloroplastos Na presença de quantidades adequadas de luz concentrações mais eleva das de CO2 sustentam taxas fotossintéticas mais altas O in verso também é verdadeiro ou seja concentrações baixas de CO2 podem limitar a taxa fotossintética em espécies C3 Nesta seção é discutida a concentração de CO2 at mosférico na história recente e sua disponibilidade para os processos de fixação do carbono A seguir serão con sideradas as limitações que o CO2 impõe à fotossíntese e o impacto dos mecanismos concentradores de CO2 de es pécies C4 A concentração de CO2 atmosférico continua subindo Atualmente o dióxido de carbono representa cerca de 0040 ou 400 ppm do ar A pressão parcial de CO2 do ambiente ca varia com a pressão atmosférica e é de cer ca de 40 pascais Pa ao nível do mar ver Tópico 94 na internet O vapor de água em geral fica acima de 2 da atmosfera e o O2 responde por cerca de 21 O maior constituinte na atmosfera é o nitrogênio diatômico repre sentando cerca de 77 Hoje a concentração atmosférica de CO2 é quase o do bro da que prevalecia nos últimos 400 mil anos conforme medições de bolhas de ar apreendidas no gelo glacial da Antártica Figura 918A e B e é mais elevada que aquela ocorrida na Terra nos últimos 2 milhões de anos Por isso considerase que a maioria dos táxons vegetais existentes evoluiu em um mundo com baixa concentração de CO2 cerca de 180280 ppm de CO2 Somente quando se retro cede cerca de 35 milhões de anos podem ser encontradas concentrações de CO2 de níveis muito mais altos 1000 ppm Portanto a tendência geológica durante esses mui tos milhões de anos foi de concentrações decrescentes de CO2 atmosférico ver Tópico 95 na internet Atualmente a concentração de CO2 da atmosfera está crescendo cerca de 1 a 3 ppm por ano principalmente devi do à queima de combustíveis fósseis p ex carvão petró leo e gás natural e ao desmatamento Figura 918C Desde 1958 quando C David Keeling começou as medições sis temáticas de CO2 no ar puro de Mauna Loa Havaí as con centrações têm aumentado mais de 25 Por volta de 2100 a concentração de CO2 atmosférico poderá alcançar 600 a 750 ppm a menos que as emissões de combustíveis fósseis e o desmatamento diminuam ver Tópico 96 na internet A difusão de CO2 até o cloroplasto é essencial para a fotossíntese Para a ocorrência da fotossíntese o CO2 precisa difundir se da atmosfera para o interior da folha e para o sítio de carboxilação da rubisco A taxa de difusão depende do gra diente de concentração de CO2 na folha ver Capítulos 3 e 6 e das resistências ao longo da rota de difusão A cutícula que cobre a folha é quase impermeável ao CO2 de modo que a principal porta de entrada desse gás na folha é a fenda estomática O mesmo caminho é percorrido pela H2O no sentido inverso Através da fenda o CO2 difundese para a câmara subestomática e daí para os espaços de ar entre as células do mesofilo Essa parte do caminho de difusão de CO2 para o cloroplasto é uma fase gasosa O restante do caminho de difusão para o cloroplasto é uma fase líquida a qual inicia na camada de água que umedece as paredes das células do mesofilo e continua pela membrana plasmática pelo citosol e pelo cloroplasto Para examinar as proprieda des do CO2 em solução ver Tópico 88 na internet O compartilhamento do caminho de entrada estomá tica pelo CO2 e pela H2O submete a planta a um dilema funcional No ar com umidade relativa alta o gradiente de difusão que impulsiona a perda de água é cerca de 50 vezes maior do que o gradiente que impulsiona a absorção de CO2 No ar mais seco essa diferença pode ser muito maior Como consequência um decréscimo na resistência através da abertura estomática facilita a maior absorção de CO2 mas ela é inevitavelmente acompanhada por subs tancial perda de água Não surpreende que muitas carac terísticas adaptativas ajudem a neutralizar essa perda de água em plantas de regiões áridas e semiáridas do mundo Cada porção dessa rota de difusão impõe uma resis tência à difusão de CO2 de modo que o suprimento de CO2 para a fotossíntese enfrenta uma série de diferentes pontos de resistência A fase gasosa da difusão de CO2 para a folha pode ser dividida em três componentes a camada limí 25 30 35 40 45 50 55 60 Latitude Ganho relativo de carbono C4 prevalecem Ganho de carbono C4 Ganho de carbono C3 C3 prevalecem Baixo Alto Figura 917 Taxas relativas de ganho de carbono fotossintético previstas para gramíneas C3 e C4 de estratos idênticos em função da latitude ao longo das Grandes Planícies da América do Norte De Ehleringer 1978 Taiz09indd 258 Taiz09indd 258 27102016 144027 27102016 144027 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 259 trofe o estômato e os espaços intercelulares da folha cada uma impondo uma resistência à difusão de CO2 Figura 919 Uma avaliação da magnitude de cada ponto de resis tência ajuda a entender as limitações do CO2 à fotossíntese A camada limítrofe é constituída de ar relativamente parado junto à superfície foliar e sua resistência à difusão é denominada resistência da camada limítrofe Essa re sistência afeta todos os processos de difusão incluindo a difusão de água e de CO2 assim como a perda de calor sensível discutida anteriormente A resistência da camada limítrofe decresce com o menor tamanho foliar e a maior velocidade do vento As folhas menores portanto têm uma resistência menor à difusão de CO2 e de água bem como à perda de calor sensível As folhas de espécies de deserto em geral são pequenas facilitando a perda de calor sensí CO2 Resistência da camada limítrofe Camada limítrofe Resistência estomática Estômato Resistência nos espaços intercelulares Resistência no mesofilo Fenda estomática 400 k 300 k 200 k 100 k 0 150 100 200 250 300 350 400 Anos anteriores ao presente Concentração de CO2 atmosférico ppm 1960 1970 1980 1990 2010 2000 Ano 360 370 380 390 400 350 340 330 320 310 C Ano 1000 1500 2000 260 280 300 320 340 380 400 360 B A Figura 918 Concentração de CO2 atmosférico há 420 mil anos até os dias atuais A As concentrações de CO2 atmosférico no pas sado determinadas a partir de bolhas apreendidas no gelo glacial da Antártica eram muito mais baixas que os níveis atuais B Nos úl timos 1000 anos a elevação na concentração de CO2 coincide com a Revolução Industrial e com o aumento da queima de combustíveis fósseis C As concentrações atuais de CO2 atmosférico medidas em Mauna Loa Havaí continuam a aumentar A natureza ondulada do traço é causada pela alteração nas concentrações de CO2 at mosférico associada a mudanças sazonais no balanço relativo entre taxas de fotossíntese e respiração A cada ano a concentração mais elevada de CO2 é observada em maio exatamente antes da estação de crescimento no hemisfério norte e a concentração mais baixa é observada em outubro De Barnola et al 1994 Keeling e Whorf 1994 Neftel et al 1994 e Keeling et al 1995 atualizada usando dados de httpwwwesrlnoaagovgmdccggtrends Figura 919 Pontos de resistência à difusão e fixação de CO2 do exterior da folha para os cloroplastos A fenda estomática é o prin cipal ponto de resistência à difusão de CO2 para dentro da folha N de RT De acordo com a terminologia adotada em língua portu guesa a maior resistência à difusão de CO2 ocorre na fenda estomá tica ou ostíolo cujo tamanho é regulado por alterações nas células guarda Taiz09indd 259 Taiz09indd 259 27102016 144027 27102016 144027 260 Unidade II Bioquímica e Metabolismo vel As folhas grandes por outro lado com frequência são encontradas nos trópicos úmidos em especial na sombra Essas folhas têm grandes resistências da camada limítrofe mas elas podem dissipar o acúmulo de calor da radiação por esfriamento evaporativo possibilitado pelo suprimento abundante de água nesses hábitats Após difundirse através da camada limítrofe o CO2 penetra na folha pelas fendas estomáticas que impõem o próximo tipo de resistência no caminho da difusão a resis tência estomática Na maioria das condições naturais em que o ar ao redor da folha raras vezes está completamente parado a resistência da camada limítrofe é muito menor que a resistência estomática Portanto a principal limitação à difusão de CO2 é imposta pela resistência estomática Existem duas resistências adicionais no interior da fo lha A primeira é a resistência à difusão de CO2 nos espa ços de ar que separam a câmara subestomática das pare des das células do mesofilo Ela é chamada de resistência nos espaços intercelulares A segunda é a resistência do mesofilo que é a resistência à difusão de CO2 na fase lí quida em folhas C3 A localização dos cloroplastos perto da periferia celular minimiza a distância que o CO2 pre cisa percorrer através do líquido para alcançar os sítios de carboxilação dentro do cloroplasto A resistência do meso filo à difusão de CO2 é considerada cerca de 14 vez a re sistência da camada limítrofe combinada com a resistência estomática quando os estômatos estão totalmente aber tos Visto que as célulasguarda podem impor uma resis tência variável e potencialmente grande ao influxo de CO2 e à perda de água na rota de difusão a regulação da aber tura estomática proporciona à planta uma maneira eficaz de controle das trocas gasosas entre a folha e a atmosfera ver Tópico 94 na internet O CO2 impõe limitações à fotossíntese Para espécies C3 cultivadas em condições adequadas de luz água e nutrientes o enriquecimento do CO2 acima das concentrações atmosféricas naturais resulta em aumento da fotossíntese e incremento da produtividade A expres são da taxa fotossintética em função da pressão parcial de CO2 nos espaços intercelulares ci dentro da folha ver Tópico 94 na internet possibilita avaliar as limitações à fotossíntese impostas pelo suprimento de CO2 Em con centrações baixas de ci a fotossíntese é fortemente limita da pelas concentrações baixas de CO2 Na ausência de CO2 atmosférico as folhas liberam CO2 devido à respiração mi tocondrial ver Capítulo 12 O aumento de ci até a concentração em que a fotossín tese e a respiração se equilibram entre si define o ponto de compensação do CO2 Esse é o ponto em que a assi milação líquida de CO2 pela folha é zero Figura 920 Tal conceito é análogo ao do ponto de compensação da luz discutido anteriormente neste capítulo O ponto de com pensação do CO2 expressa o balaço entre fotossíntese e respiração em função da concentração de CO2 enquanto o ponto de compensação da luz reflete o balanço em função da PPFD sob concentração de CO2 constante ESPÉCIES C3 VERSUS ESPÉCIES C4 Em espécies C3 o aumento de ci acima do ponto de compensação aumenta a fotossíntese em uma faixa ampla de concentrações ver Figura 920 Em concentrações de CO2 baixas até interme diárias a fotossíntese é limitada pela capacidade de car boxilação da rubisco Em concentrações de ci mais altas a fotossíntese começa a saturar à medida que a taxa fotos sintética líquida se torna limitada por outro fator lembre se do conceito de Blackman de fatores limitantes Nes ses níveis mais altos de ci a fotossíntese líquida tornase limitada pela capacidade das reações luminosas de gerar NADPH e ATP para regenerar a molécula aceptora ribulo se15bifosfato A maioria das folhas parece regular seus valores de ci mediante controle da abertura estomática de modo que ci permanece em uma concentração subambien te intermediária entre os limites impostos pela capacidade de carboxilação e a capacidade de regenerar ribulose15 bifosfato Dessa maneira as reações luminosas e no es curo da fotossíntese são colimitantes Uma representação gráfica da assimilação líquida de CO2 em função de ci ilus tra como a fotossíntese é regulada pelo CO2 independen temente do funcionamento dos estômatos ver Figura 920 A comparação da representação gráfica de espécies C3 e C4 revela diferenças interessantes entre as duas rotas do metabolismo do carbono Em espécies C4 as taxas fotossintéticas saturam com valores de ci de cerca de 100 a 200 ppm refletindo os mecanismos concentradores de CO2 efetivos que ope ram nessas espécies ver Capítulo 8 Em espécies C3 o aumento dos níveis de ci continua a estimular a fotossíntese em uma faixa de CO2 muito mais ampla do que em espécies C4 200 400 600 800 1000 Concentração de CO2 intercelular ci ppm 10 0 20 30 40 50 60 Assimilação líquida de CO2 μmol m2 s1 Espécie C4 Espécie C3 Pontos de compensação do CO2 Figura 920 Mudanças na fotossíntese em função das concen trações intercelulares de CO2 em Tidestromia oblongifolia Arizona honeysweet uma espécie C4 e Larrea tridentata arbustode creosoto uma espécie C3 A taxa fotossintética está relacionada à concentração de CO2 intercelular calculada no interior da folha ver Equação 5 no Tópico 94 na internet A concentração de CO2 in tercelular na qual a assimilação líquida de CO2 é zero define o ponto de compensação desse gás De Berry e Downton 1982 Taiz09indd 260 Taiz09indd 260 27102016 144027 27102016 144027 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 261 Em espécies C4 o ponto de compensação do CO2 é zero ou próximo de zero refletindo seus níveis de fo torrespiração muito baixos ver Capítulo 8 Em espécies C3 o ponto de compensação do CO2 é de cerca de 50 a 100 ppm a 25oC refletindo a produção de CO2 devido à fotorrespiração ver Capítulo 8 Essas respostas revelam que as espécies C3 têm mais proba bilidade do que as espécies C4 de se beneficiar dos aumen tos nas concentrações atuais de CO2 atmosférico ver Figura 920 As espécies C4 não se beneficiam muito dos aumentos nas concentrações de CO2 atmosférico porque sua fotossín tese é saturada em concentrações baixas de CO2 De uma perspectiva evolutiva a rota fotossintética an cestral é a fotossíntese C3 sendo a fotossíntese C4 uma rota derivada Durante períodos geológicos pretéritos quando as concentrações de CO2 atmosférico eram muito mais ele vadas que as atuais a difusão de CO2 através dos estôma tos para o interior de folhas teria resultado em valores de ci mais altos e por isso em taxas fotossintéticas mais elevadas em espécies C3 mas não em espécies C4 A evolução da fo tossíntese C4 é uma adaptação bioquímica a uma atmosfera com limitação de CO2 Nosso entendimento atual é que a fotossíntese C4 pode ter evoluído recentemente em termos geológicos há mais de 20 milhões de anos Se a Terra há mais de 50 milhões de anos teve con centrações de CO2 atmosférico bem acima das atuais sob quais condições atmosféricas poderíamos esperar que a fotossíntese C4 tenha se tornado uma rota fotossintética importante em ecossistemas terrestres O grupo de Jim Ehleringer sugere que a fotossíntese C4 tenha se tornado de início um componente destacado de ecossistemas terrestres nas regiões de crescimento mais quentes da Terra quando as concentrações globais de CO2 decresceram abaixo de um limiar crítico ainda desconhecido Figura 921 Simul taneamente os impactos negativos da fotorrespiração alta e da limitação do CO2 sobre a fotossíntese C3 seriam mais altos sob essas condições de crescimento quentes e con centração baixa de CO2 atmosférico As espécies C4 teriam sido mais favorecidas durante períodos da história da Terra em que os níveis de CO2 eram os mais baixos Hoje exis tem muitos dados indicando que a fotossíntese C4 foi mais proeminente durante períodos glaciais quando os níveis de CO2 atmosférico ficavam abaixo de 200 ppm ver Figura 918 Outros fatores podem ter contribuído para a propaga ção das espécies C4 mas certamente a concentração baixa do CO2 atmosférico foi um fator importante que favoreceu sua evolução e essencialmente a expansão geográfica Devido aos mecanismos concentradores de CO2 em espécies C4 a concentração desse gás nos sítios de carbo xilação em cloroplastos C4 em geral está vinculada à satu ração da atividade da rubisco Como consequência para alcançar determinada taxa de fotossíntese as espécies com metabolismo C4 necessitam de menos rubisco que as espécies C3 e portanto requerem menos nitrogênio para crescer Além disso o mecanismo concentrador de CO2 permite à folha manter taxas fotossintéticas altas com va lores de ci mais baixos Isso permite que os estômatos per maneçam relativamente fechados resultando em menos perda de água para determinada taxa de fotossíntese Por tanto o mecanismo concentrador de CO2 ajuda as espécies C4 a utilizar água e nitrogênio de maneira mais eficiente que as espécies C3 Contudo o custo energético adicional exigido pelo mecanismo concentrador de CO2 ver Capí tulo 8 reduz a eficiência da fotossíntese C4 quanto ao uso da luz Provavelmente essa é uma razão pela qual em regiões temperadas a maioria das espécies adaptadas à sombra não seja do tipo C4 ESPÉCIES CAM As espécies com metabolismo ácido das crassuláceas CAM de crassulacean acid metabolism in cluindo muitos cactos orquídeas bromeliáceas e outras suculentas têm padrões de atividade estomática que di ferem daqueles encontrados em espécies C3 e C4 As es pécies CAM abrem seus estômatos predominantemente à noite e os fecham durante o dia exatamente o oposto do padrão observado em folhas de espécies C3 e C4 Figura 922 À noite o CO2 atmosférico difundese para o interior de plantas CAM onde é combinado com fosfoenolpiruva to e fixado em oxaloacetato que é reduzido a malato ver Capítulo 8 Uma vez que os estômatos ficam abertos prin cipalmente à noite quando as temperaturas mais baixas e a umidade mais alta reduzem a demanda transpiratória a razão da perda de água para a absorção de CO2 é muito mais baixa em espécies CAM que em espécies C3 ou C4 A principal restrição fotossintética ao metabolis mo CAM é que a capacidade de armazenagem do ácido málico malato é limitada e essa limitação restringe a quantidade total de absorção de CO2 No entanto algu mas espécies CAM são capazes de aumentar a fotossíntese total durante condições úmidas fixando CO2 via ciclo de CalvinBenson no final do dia quando os gradientes de 10 20 30 40 200 100 300 400 500 600 700 Temperatura diária da estação de crescimento C CO2 atmosférico ppm Espécies C3 favorecidas Espécies C4 favorecidas Figura 921 Combinação dos níveis globais de CO2 atmosférico e temperaturas diárias da estação de crescimento que previsivel mente favorecem ora gramíneas C3 ora gramíneas C4 Em deter minado momento a Terra apresenta uma única concentração de CO2 atmosférico resultando na expectativa de que as espécies C4 seriam mais comuns nos hábitats com as estações de crescimento mais quentes De Ehleringer et al 1997 Taiz09indd 261 Taiz09indd 261 27102016 144027 27102016 144027 262 Unidade II Bioquímica e Metabolismo temperatura são menos extremos Outras espécies podem usar a estratégia CAM como um mecanismo de sobrevi vência durante limitações severas de água Por exemplo os cladódios caules achatados conseguem sobreviver por vários meses sem água após a separação da plantamãe Seus estômatos permanecem fechados durante todo o tempo e o CO2 liberado pela respiração é refixado em ma lato Tal processo que tem sido denominado CAM ocioso permite à planta sobreviver por períodos de seca prolon gada com perda de água extremamente reduzida Como a fotossíntese e a respiração mudarão no futuro sob condições de aumento de CO2 As consequências do aumento de CO2 atmosférico es tão na mira de cientistas e agências governamentais em particular devido às predições de que o efeito estufa está alterando o clima do mundo A expressão efeito estufa referese ao aquecimento do clima da Terra que é causado pela captação de radiação de ondas longas pela atmosfera O teto de uma estufa transmite luz visível que é ab sorvida por plantas e outras superfícies no interior dessa estrutura Uma porção da energia da luz absorvida é con vertida em calor e parte deste é reemitida como radiação de ondas longas Como o vidro transmite muito pouca radia ção de ondas longas essa radiação não pode sair pelo teto de vidro da estufa e com isso ela esquenta Certos gases na atmosfera em particular CO2 e metano desempenham um papel similar ao do teto de vidro na estufa O aumento da concentração de CO2 e a elevação da temperatura asso ciados com o efeito estufa têm múltiplas influências sobre a fotossíntese e o crescimento vegetal Nas concentrações atuais do CO2 atmosférico a fotossíntese de espécies C3 é limitada pelo CO2 mas essa situação mudará à medida que as concentrações desse gás continuem a crescer Atualmente uma pergunta central na fisiologia vege tal é quanto a fotossíntese e a respiração diferirão em tor no de 2100 quando os níveis globais de CO2 alcançarem 500 ppm 600 ppm ou mesmo valores mais elevados Essa pergunta é especialmente relevante à medida as pessoas continuam a adicionar à atmosfera terrestre o CO2 deriva do da queima de combustíveis fósseis Se for bem hidra tada e altamente fertilizada em laboratório a maioria das espécies C3 cresce cerca de 30 mais rápido quando a con centração de CO2 alcança 600 a 750 ppm do que na con centração atual acima dessa concentração de CO2 atmos férico a taxa de crescimento tornase mais limitada pela disponibilidade de nutrientes para a planta Para estudar essa questão no campo os cientistas precisam ser capazes de criar simulações realistas de ambientes futuros Uma abordagem promissora para o estudo de fisiologia e eco logia vegetais em ambientes com níveis elevados de CO2 tem sido o emprego de experimentos de enriquecimento de CO2 ao ar livre FACE de Free Air CO2 Enrichment Para realizar o experimento de FACE campos intei ros de plantas ou ecossistemas naturais são cercados por emissores os quais adicionam CO2 ao ar a fim de criar o ambiente com concentração alta desse gás o que se pode esperar para os próximos 25 a 50 anos A Figura 923 mos tra experimentos de FACE em três tipos diferentes de ve getação Os experimentos de FACE têm proporcionado novas ideias insights fundamentais sobre como as plantas e os ecossistemas responderão aos níveis de CO2 esperados no futuro Uma observaçãochave é que as espécies com 0 2 4 8 12 0 6 12 18 24 Assimilação de CO2 µmol m2 s1 00 02 04 06 0 6 12 18 24 Evaporação de H2O mmol m2 s1 0 20 40 60 80 100 0 6 12 18 24 Tempo h Condutância estomática mmol m2 s1 C B A Período escuro Período escuro Período luminoso Figura 922 Assimilação fotossintética líquida de CO2 evapora ção de H2O e condutância estomática de uma espécie CAM o cac to Opuntia ficusindica durante um período de 24 horas A planta inteira foi mantida em uma câmara de medição de trocas gasosas no laboratório As áreas sombreadas indicam os períodos escuros Durante o período de estudo foram medidos três parâmetros A taxa fotossintética B perda de água e C condutância estomáti ca Ao contrário das plantas com metabolismo C3 ou C4 as plan tas CAM abrem seus estômatos e fixam CO2 à noite De Gibson e Nobel 1986 Taiz09indd 262 Taiz09indd 262 27102016 144027 27102016 144027 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 263 rota fotossintética C3 são muito mais responsivas que as espécies C4 sob condições bem hidratadas com a taxa fo tossintética líquida aumentando 20 ou mais em espécies C3 e nem tanto em espécies C4 A fotossíntese aumenta nas espécies C3 porque os níveis de ci crescem ver Figu ra 920 Ao mesmo tempo há uma regulação para baixo da capacidade fotossintética manifestada pela atividade reduzida das enzimas associadas às reações no escuro da fotossíntese Os níveis aumentados de CO2 afetarão muitos pro cessos vegetais Por exemplo as folhas tendem a manter seus estômatos mais fechados sob níveis aumentados de CO2 Como uma consequência direta da redução da transpiração as temperaturas foliares ficam mais altas ver Figura 923C o que pode retroalimentar a respiração mitocondrial básica Esta é sem dúvida uma estimulante e promissora área de pesquisa em curso A partir de es tudos de FACE está se tornando progressivamente claro que um processo de aclimatação ocorre sob níveis de CO2 mais elevados em que as taxas de respiração são diferen tes daquelas sob condições atmosféricas atuais mas não tão altas quanto teriam sido previstas sem a resposta de aclimatação por regulação descendente Ao mesmo tempo em que o CO2 certamente é impor tante para a fotossíntese e a respiração outros fatores são importantes para o crescimento sob concentrações aumen tadas desse gás Por exemplo uma observação comum dos experimentos de FACE é que o crescimento sob níveis au mentados de CO2 rapidamente se torna limitado pela dis ponibilidade de nutrientes lembrar da regra de Blackman de fatores limitantes Uma segunda e surpreendente ob servação é que a presença de gasestraço poluentes como o ozônio pode reduzir a resposta fotossintética líquida abaixo dos valores máximos previstos de estudos iniciais de FACE e daqueles realizados em estufa há uma década Como consequência da elevação do CO2 atmosféri co no futuro próximo prevêse a ocorrência de condições mais quentes e mais secas bem como do aumento de li mitações de nutrientes Avanços importantes estão sendo feitos pelo estudo de como o crescimento de culturas irri A B C Nível de CO2 aumentado 275C Nível de CO2 no ambiente 261C 30 28 26 309C 250C Figura 923 Experimentos de enriquecimento de CO2 ao ar livre FACE são utilizados para estudar como plantas e ecossistemas responderão a níveis de CO2 futuros A figu ra apresenta experimentos de FACE em uma floresta deci dual A e no estrato superior de uma lavoura B C Sob níveis aumentados de CO2 os estômatos foliares são mais fechados acarretando temperaturas foliares mais altas conforme mostrado pela imagem por infravermelho do es trato superior de uma lavoura A cortesia de D Karnosky B cortesia de USDAARS C de Long et al 2006 Taiz09indd 263 Taiz09indd 263 27102016 144027 27102016 144027 264 Unidade II Bioquímica e Metabolismo gadas e fertilizadas se compara com o de plantas em ecos sistemas naturais em um mundo com aumento de CO2 A compreensão dessas respostas é crucial à medida que a sociedade busca aumentar a produção agrícola visando sustentar as populações humanas crescentes e fornecer matériaprima para os biocombustíveis Propriedades fotossintéticas pelo registro de isótopos estáveis É possível conhecer mais sobre as diferentes rotas fotos sintéticas em plantas pela medição das abundâncias rela tivas de seus isótopos estáveis Em especial os isótopos de átomos de carbono em uma folha contêm informação útil sobre a fotossíntese Lembre que isótopos são simplesmente formas di ferentes de um elemento Nos diferentes isótopos de um elemento o número de prótons permanece constante já que ele define o elemento mas o número de nêutrons varia Os isótopos radioativos de um elemento apresen tam decaimento formando elementos diferentes ao lon go do tempo Por outro lado os isótopos estáveis de um elemento permanecem constantes e inalterados ao longo do tempo Os dois isótopos estáveis de carbono são 12C e 13C que diferem em composição apenas pelo acréscimo de um nêutron adicional em 13C Em experimentos biológicos com traçadores com frequência são usados os isótopos ra diativos de carbono 11C e 14C Como são medidos os isótopos estáveis de carbono de plantas O CO2 atmosférico contém os isótopos de carbono está veis 12C e 13C que ocorrem naturalmente nas proporções de 989 e 11 respectivamente As propriedades químicas do 13CO2 são idênticas às do 12CO2 mas as plantas assimi lam menos 13CO2 que 12CO2 Em outras palavras as folhas discriminam contra os isótopos de carbono mais pesados durante a fotossíntese e por isso têm razões 13C12C me nores que as encontradas no CO2 atmosférico A composição de isótopos 13C12C é medida com o uso de um espectrômetro de massa que fornece a seguin te razão R 13C 12C 91 A razão entre isótopos de carbono de plantas δ13C é quantificada sobre uma base de partes por mil δ13C 000 R amostra R padrão 1 1000 92 onde o padrão representa os isótopos de carbono conti dos em uma belemnite fóssil da formação calcária Pee Dee da Carolina do Sul O δ13C do CO2 atmosférico tem um valor de 8 significando que existe menos 13C no CO2 atmosférico do que é encontrado no carbonato da belem nitepadrão Quais são alguns valores típicos das razões entre isó topos de carbono de plantas As espécies C3 têm um valor médio de δ13C de cerca de 28 as espécies C4 têm um valor médio de cerca de 14 As espécies C3 e C4 têm menos 13C que o CO2 na atmosfera significando que os tecidos foliares discriminam contra 13C durante o processo fotossintético Thure Cerling e colaboradores obtiveram dados de δ13C para um grande número de espécies C3 e C4 ao redor do mundo Figura 924 O que se torna evidente examinando a Figura 924 é que há uma ampla dispersão de valores de δ13C em espécies C3 e C4 com médias de 28 e 14 respectivamente Essas variações de δ13C na verdade refletem as consequências de pequenas varia ções na fisiologia associadas a mudanças na condutância estomática em condições ambientais diferentes Portanto os valores de δ13C podem ser usados para fazer a distinção entre fotossínteses C3 e C4 e adicionalmente revelar deta lhes sobre as condições estomáticas de plantas crescendo em ambientes diferentes como espécies C3 nos trópicos comparadas com as de desertos As diferenças na razão entre isótopos de carbono são facilmente detectáveis com espectrômetros de massa que permitem medições precisas da abundância de 12C e 13C Muitos de nossos alimentos cultivados em climas tempe rados como o trigo Triticum aestivum o arroz Oryza sa tiva a batata Solanum tuberosum e espécies de feijoeiro Phaseolus spp são produtos de espécies C3 No entanto muitas de nossas lavouras mais produtivas em especial as cultivadas sob condições de verão quente são de espécies C4 como o milho Zea mays a canadeaçúcar Saccharum officinarum e o sorgo Sorghum bicolor É possível que os amidos e os açúcares extraídos de todos esses alimentos sejam quimicamente idênticos mas esses carboidratos po dem ser identificados com sua plantafonte C3 ou C4 com base em seus valores de δ13C Por exemplo a medição dos 30 40 20 10 50 0 100 150 200 Razão entre isótopos de carbono 0 Espécies C3 Espécies C4 Número de observações Figura 924 Histograma de frequência das razões entre isótopos de carbono observadas em táxons vegetais C3 e C4 que ocorrem ao redor do mundo De Cerling et al 1997 Taiz09indd 264 Taiz09indd 264 27102016 144028 27102016 144028 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 265 valores de δ13C do açúcar de mesa sacarose possibilita determinar se a sacarose provém do açúcar da beterraba Beta vulgaris uma espécie C3 ou da canadeaçúcar uma espécie C4 ver Tópico 97 na internet Por que existem variações na razão entre isótopos de carbono em plantas Qual a base fisiológica para o esgotamento de 13C em plantas em relação ao CO2 na atmosfera A difusão do CO2 para o interior da folha e a seletividade na carboxila ção do 12CO2 desempenham um papel É possível predizer a razão entre isótopos de carbono de uma folha C3 como δ13CL δ13CA a b acica 93 onde δ13CL e δ13CA são as razões entre isótopos de carbono da folha e do ambiente respectivamente a é a fração de difusão b é a fração da carboxilase líquida na folha cica é a razão entre a concentração de CO2 intercelular e a concen tração de CO2 no ambiente Em espécies C3 e C4 o CO2 difundese do ar externo para os sítios de carboxilação no interior das folhas Essa difusão é expressa utilizandose o termo a Por ser mais leve que o 13CO2 o 12CO2 difundese ligeiramente mais rá pido para o sítio de carboxilação criando um fator eficaz de fracionamento de difusão de 44 Portanto poderia ser esperado que as folhas tivessem um valor de δ13C mais negativo simplesmente devido a esse efeito da difusão No entanto esse fator sozinho não é suficiente para explicar os valores de δ13C de espécies C3 apresentados na Figura 924 O evento inicial de carboxilação é um fator deter minante na razão entre isótopos de carbono de plantas A rubisco representa a primeira reação de carboxilação na fotossíntese C3 e tem um valor de discriminação intrínse co contra 13C de 30 Em comparação a PEPcarboxilase a enzima principal da fixação de CO2 de espécies C4 tem um efeito de discriminação de isótopos muito menor cerca de 2 Desse modo a diferença inerente entre as duas enzimas de carboxilação contribui para as diferentes razões entre isótopos observadas em espécies C3 e C4 Em pregase b para descrever o efeito da carboxilação líquida Outras características fisiológicas das plantas afetam sua razão entre isótopos de carbono Um fator primário é a pressão parcial de CO2 nos espaços intercelulares de fo lhas ci Em espécies C3 a discriminação isotópica poten cial de 30 pela rubisco não é totalmente expressa du rante a fotossíntese pois a disponibilidade de CO2 no sítio de carboxilação tornase um fator limitante que restringe a discriminação por essa enzima Ocorre uma discrimina ção maior contra 13CO2 quando ci é alto como quando os estômatos estão abertos No entanto a abertura estomáti ca também facilita a perda de água Assim as razões mais baixas entre fotossíntese e transpiração são correlaciona das com discriminação maior contra 13C Quando as fo lhas são expostas à perda de água os estômatos tendem a fecharse reduzindo os valores de ci Como consequência as espécies C3 submetidas a condições de estresse hídrico tendem a ter razões mais altas entre isótopos de carbono ie menos discriminação contra 13C A aplicação de razões entre isótopos de carbono em vegetais tornouse muito produtiva pois a Equação 93 proporciona um forte vínculo entre a medição da razão entre isótopos de carbono e o valor de CO2 intercelular em uma folha Os níveis de CO2 intercelular são então di retamente ligados a aspectos da fotossíntese e limitações estomáticas À medida que os estômatos fecham em es pécies C3 ou o estresse hídrico aumenta constatase que a razão entre isótopos de carbono aumenta A medição da razão entre isótopos de carbono tornase então um pro cedimento direto para estimar vários aspectos do estresse hídrico de prazo curto Essas aplicações abrangem o em prego de isótopos de carbono para medir o desempenho vegetal em pesquisas agrícolas e ecológicas Um padrão ambiental emergente é que em média os valores foliares da razão entre isótopos de carbono decres cem à medida que a precipitação aumenta sob condições naturais A Figura 925 ilustra esse padrão em um gra diente através da Austrália Nesse exemplo verificase que os valores δ13C são mais altos nas regiões áridas da Aus trália e se tornam progressivamente mais baixos ao longo de um gradiente de precipitação de ecossistemas de deser to para os de floresta pluvial tropical Aplicando a Equação 93 para interpretar esses dados de δ13C concluise que os níveis de CO2 intercelular de folhas de plantas de deserto são mais baixos do que normalmente se observa em folhas de plantas de floresta pluvial Devido à natureza sequen cial da formação de anéis de crescimento ver Capítulo 19 as observações de δ13C em anéis de árvores podem auxi 400 200 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 31 30 29 28 27 26 25 32 Precipitação anual mm δ 13C foliar 000 Figura 925 Mudanças na vegetação ocorrem ao longo de gra dientes de precipitação no sul de Queensland Austrália As altera ções nas razões entre isótopos de carbono parecem ser fortemente relacionadas aos volumes de precipitações em uma região Isso su gere que a diminuição dos níveis de umidade influencia os valores ci e portanto as razões entre isótopos de carbono em espécies C3 ao longo de um gradiente geográfico em táxons australianos De Stewart et al 1995 Taiz09indd 265 Taiz09indd 265 27102016 144028 27102016 144028 266 Unidade II Bioquímica e Metabolismo liar na identificação dos efeitos de longo prazo da dispo nibilidade reduzida de água nas plantas p ex hábitats de deserto versus hábitats de florestas pluviais comparados com os efeitos de curto prazo que seriam registrados em folhas p ex ciclos de secas sazonais Atualmente as análises da razão entre isótopos de carbono costumam ser utilizadas para determinar os padrões de dieta de seres humanos e de outros animais A proporção entre alimentos C3 e C4 em uma dieta ani mal é registrada em seus tecidos dentes ossos músculos e pelos Thure Cerling e colaboradores descreveram uma aplicação interessante da análise da razão entre isótopos de carbono aos hábitos alimentares de uma família de elefantes africanos selvagens Eles examinaram valores sequenciais de δ13C em segmentos de pelos da cauda a fim de reconstruir as dietas diárias de cada animal Eles constataram mudanças sazonais previsíveis entre árvo res C3 e gramíneas C4 à medida que a disponibilidade de recursos se alterava devido aos padrões de chuvas As análises da razão entre isótopos de carbono podem ser ampliadas incluindo consideração sobre dietas humanas Uma observação em escala mais ampla mostra que as ra zões entre isótopos de carbono de norteamericanos são mais altas que as constatadas em europeus indicando que o milho uma espécie C4 exerce um papel destacado nas dietas dos primeiros Outra aplicação é a medição de δ13C em fósseis solos com carbonatos e dentes fósseis A partir dessas observações é possível reconstruir as rotas fotos sintéticas da vegetação prevalecente no passado remoto Essas abordagens têm sido usadas para demonstrar que as espécies C4 se tornaram predominantes nos campos en tre 6 e 10 milhões de anos atrás Elas ajudaram também a reconstruir as dietas de animais ancestrais e atuais ver Tópico 98 na internet As espécies CAM podem ter valores de δ13C muito próximos aos de espécies C4 Em espécies CAM fixando CO2 à noite via PEPcarboxilase é esperado que o δ13C seja semelhante ao de espécies C4 Entretanto quando algumas espécies CAM são bem hidratadas elas podem mudar para o modo C3 abrindo seus estômatos e fixando CO2 durante o dia via rubisco Sob essas condições a com posição de isótopos deslocase na direção das espécies C3 Portanto os valores de δ13C de espécies CAM refletem o quanto de carbono é fixado via rota C3 versus rota C4 RESUMO Considerando o desempenho fotossintético ideal a hipótese do fator limitante e uma perspectiva econômica enfatizando o suprimento e a demanda de CO2 têm orientado as pesquisas A fotossíntese é influenciada pelas propriedades foliares A anatomia foliar é altamente especializada para a absorção de luz Figura 91 Cerca de 5 da energia solar que atinge a Terra são converti dos em carboidratos pela fotossíntese Grande parte da luz ab sorvida é perdida na reflexão na transmissão no metabolismo e como calor Figuras 92 93 Em florestas densas quase toda a radiação fotossinteticamente ativa é absorvida pelas folhas Figura 94 As folhas de algumas plantas maximizam a absorção da luz pelo acompanhamento do sol Figura 95 Algumas espécies vegetais respondem a uma gama de regimes de luz No entanto as folhas de sol e de sombra têm caracterís ticas morfológicas e bioquímicas contrastantes Para aumentar a absorção da luz algumas plantas de sombra produzem uma razão mais alta entre os centros de reação de PSII e PSI enquanto outras adicionam clorofila antena ao PSII Efeitos da luz na fotossíntese na folha intacta As curvas de resposta à luz mostram a PPFD onde a fotossín tese é limitada pela luz ou pela capacidade de carboxilação A inclinação da porção linear da curva de resposta à luz mede a produtividade quântica máxima Figura 96 Os pontos de compensação da luz de plantas de sombra são mais baixos do que os de plantas de sol porque as taxas de respiração são muito baixas em plantas de sombra Figuras 97 98 Além do ponto de saturação outros fatores que não a luz in cidente como transporte de elétrons atividade da rubisco ou metabolismo de trioses fosfato limitam a fotossíntese Rara mente uma planta inteira é saturada de luz Figura 99 O ciclo das xantofilas dissipa o excesso de energia luminosa ab sorvida para evitar dano ao aparelho fotossintético Figuras 910 911 Os movimentos dos cloroplastos também limitam o excesso de absorção de luz Figura 912 A fotoinibição dinâmica desvia temporariamente o excesso de absorção de luz para dissipação de calor mas mantém a taxa fotossintética máxima Figura 913 A fotoinibição crônica é irreversível Efeitos da temperatura na fotossíntese na folha intacta As plantas são notavelmente plásticas em suas adaptações à temperatura As temperaturas fotossintéticas ideais têm fortes componentes bioquímicos genéticos adaptação e ambientais aclimatação A absorção foliar de energia luminosa gera uma carga de calor que deve ser dissipada Figura 914 As curvas de sensibilidade à temperatura identificam a uma faixa de temperatura em que os eventos enzimáticos são esti mulados b uma faixa para fotossíntese ótima e c uma faixa em que ocorrem eventos deletérios Figura 915 Taiz09indd 266 Taiz09indd 266 27102016 144028 27102016 144028 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 267 MATERIAL DA INTERNET Tópico 91 Trabalhando com luz Quantidade direção e qua lidade espectral são parâmetros importantes para a medição da luz Tópico 92 Dissipação de calor das folhas Razão de Bo wen A perda de calor sensível e a perda de calor evaporativo são os processos mais importantes na regulação da tempera tura foliar Tópico 93 Distribuições geográficas de espécies C3 e C4 A distribuição geográfica de espécies C3 e C4 corresponde perfeitamente às temperaturas das estações de crescimento no mundo atual Tópico 94 Calculando parâmetros importantes nas trocas gasosas da folha Métodos de trocas gasosas permitem medir a fotossíntese e a condutância estomática na folha intacta Tópico 95 Mudanças préhistóricas no CO2 atmosféri co Nos últimos 800 mil anos os níveis de CO2 atmosférico muda ram entre 180 ppm períodos glaciais e 280 ppm períodos inter glaciais à medida que a Terra se movimentou entre eras glaciais Tópico 96 Aumentos no CO2 atmosférico segundo pro jeções O CO2 atmosférico alcançou 400 ppm em 2014 e a ex pectativa é de que alcance 500 ppm neste século Tópico 97 Usando isótopos de carbono para detectar adulterações em alimentos Os isótopos de carbono com frequência são usados para detectar a substituição de açúcares C4 em produtos alimentícios C3 como a introdução do açúcar da cana no mel para aumentar o rendimento Tópico 98 Reconstrução da expansão de táxons C4 O δ13C de dentes de animais registra fielmente as razões entre isótopos de carbono de recursos alimentares e pode ser usado para reconstruir as abundâncias de espécies C3 e C4 ingeridas por pastejadores mamíferos Ensaio 91 O ciclo das xantofilas Estudos moleculares e bio físicos revelam o papel do ciclo das xantofilas na fotoproteção de folhas Abaixo de 30C a produtividade quântica de espécies C3 é mais alta que a de espécies C4 acima de 30C a situação é revertida Figura 916 Devido à fotorrespiração a produtividade quân tica é profundamente dependente da temperatura em espécies C3 mas é quase independente desse fator em espécies C4 A redução da produtividade quântica e o aumento da fotorres piração devido aos efeitos da temperatura levam a diferenças nas capacidades fotossintéticas de espécies C3 e C4 e resultam em uma mudança na dominância das espécies em um gradien te de latitudes diferentes Figura 917 Efeitos do dióxido de carbono na fotossíntese na folha intacta Os níveis de CO2 atmosférico estão aumentando desde a Re volução Industrial por causa do uso humano de combustíveis fósseis e do desmatamento Figura 918 Os gradientes de concentração acionam a difusão de CO2 da atmosfera para o sítio de carboxilação na folha usando rotas gasosas e líquidas Existem múltiplas resistências ao longo da rota de difusão de CO2 mas na maioria das situações a resis tência estomática tem o maior efeito na difusão de CO2 para dentro da folha Figura 919 O enriquecimento de CO2 acima dos níveis atmosféricos na turais resulta em aumento da fotossíntese e da produtividade Figura 920 A fotossíntese C4 pode ter se tornado proeminente nas re giões mais quentes da Terra quando as concentrações globais do CO2 atmosférico decresceram abaixo de um valor limiar Figura 921 Pela abertura à noite e o fechamento durante o dia a atividade estomática de plantas CAM contrasta com as encontradas em espécies C3 e C4 Figura 922 Os experimentos com enriquecimento de CO2 ao ar livre FACE sugerem que as espécies C3 são mais responsivas ao aumento da concentração do CO2 que as espécies C4 Figura 923 Propriedades fotossintéticas pelo registro de isótopos estáveis As razões entre isótopos de carbono de folhas podem ser usa das para distinguir diferenças nas rotas fotossintéticas entre es pécies vegetais distintas As espécies C3 e C4 têm menos 13C do que o CO2 na atmosfera indicando que os tecidos foliares discriminam contra 13C duran te a fotossíntese Figura 924 As condições que provocam o fechamento dos estômatos em espécies C3 como o estresse hídrico causam o aumento da ra zão entre isótopos de carbono na folha Desse modo a razão entre isótopos de carbono de uma folha pode ser usada como uma estimativa direta de respostas fisiológicas ao ambiente p ex estresse hídrico de curto prazo Figura 925 Taiz09indd 267 Taiz09indd 267 27102016 144028 27102016 144028 268 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Leituras sugeridas Adams W W Zarter C R Ebbert V and DemmigAdams B 2004 Photoprotective strategies of overwintering evergreens Bioscience 54 4149 Bjørn L O and Vogelmann T C 1994 Quantification of light In Photomorphogenesis in Plants 2nd ed R E Kendrick and G H M Kronenberg eds Kluwer Dordrecht Netherlands pp 1725 Bowes G 1993 Facing the inevitable Plants and increasing atmospheric CO2 Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 44 309332 DemmigAdams B and Adams W 1996 The role of xanthophyll cycle carotenoids in the protection of photosynthesis Trends Plant Sci 1 2126 Ehleringer J R Cerling T E and Helliker B R 1997 C4 photosynthesis atmospheric CO2 and climate Oecologia 112 285299 Evans J R von Caemmerer S and Adams W W 1988 Ecology of Photosynthesis in Sun and Shade CSIRO Melbourne Farquhar G D Ehleringer J R and Hubick K T 1989 Carbon isotope 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comparisons of shade and sun plants In Photoinhibition of Photosynthesis N R Baker and J R Bowyer eds BIOS Scientific Oxford pp 124 Sharkey T D 1996 Emission of low molecular mass hydrocarbons from plants Trends Plant Sci 1 7882 Terashima I 1992 Anatomy of nonuniform leaf photosynthesis Photosyn Res 31 195212 Terashima I and Hikosaka K 1995 Comparative ecophysiology of leaf and canopy photosynthesis Plant Cell Environ 18 11111128 Vogelmann T C 1993 Plant tissue optics Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 44 231251 von Caemmerer S 2000 Biochemical models of leaf photosynthesis CSIRO Melbourne Zhu X G Long S P and Ort D R 2010 Improving photosynthetic efficiency for greater yield Annu Rev Plant Biol 61 235261 Taiz09indd 268 Taiz09indd 268 27102016 144028 27102016 144028 10 E stômatos termo derivado da palavra grega para boca são estrutu ras dos órgãos aéreos da maioria das plantas O termo estômato indi ca uma fenda microscópica ou ostíolo através da superfície do órgão vegetal que permite a comunicação entre o seu interior e o ambiente externo e um par de células especializadas as célulasguarda que circundam a fenda As célulasguarda respondem a sinais ambientais alterando suas dimen sões regulando assim o tamanho da fenda estomática De acordo com o botânico Hugo von Mohl 1856 as alterações de turgor nas célulasguarda fornecem a força mecânica para as mudanças na fenda estomática ver Ca pítulo 4 As célulasguarda estão continuamente intumescendo ou contrain dose e as deformações da parede resultantes causam alterações nas dimen sões da fenda Essas alterações de dimensão são o resultado da percepção dos sinais ambientais pelas célulasguarda Visualize a superfície externa de uma folha a partir da perspectiva de uma abelha ver Figura 412C Dentro de um mar de células epidérmicas pares de célulasguarda aparecem intercalados com uma fenda no centro de cada par de células Em algumas espécies as célulasguarda estão sozinhas em outras elas são acompanhadas por células subsidiárias especializadas que as distinguem das demais células epidérmicas A inspeção da distribuição dos estômatos em folhas que crescem em ambientes com diferentes níveis de disponibilidade de água dá uma pista do papel dos estômatos nas adaptações das plantas Folhas de plantas aquáticas que vivem debaixo dágua são desprovidas de estômatos Folhas que flutuam na água geralmente em lagoas têm estômatos em sua superfície superior que cresce em contato com o ar mas não nas superfícies que estão em contato com a água Folhas aéreas têm estômatos em ambas as superfícies embora a frequência e a distribuição dos estômatos variem drasticamente com a filogenia e o ambiente Por que os estômatos são necessários na superfície das folhas em contato com o ar Essa necessidade é uma adaptação crucial para evitar a dessecação Quando invadiram hábitats terrestres as plantas aquáticas de senvolveram uma cutícula impermeável que impede a perda de água Essa adaptação no entanto trouxe um problema diferente para a sobrevivência dessas plantas qualquer substância que efetivamente bloqueie a difusão da água para fora também atua como uma barreira contra a difusão de CO2 para dentro um substrato essencial para a fotossíntese ver Capítulo 8 Biologia dos Estômatos Taiz10indd 269 Taiz10indd 269 27102016 144212 27102016 144212 270 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Os estômatos oferecem uma solução temporal para esse problema Eles se fecham à noite pois não há fotossíntese sem luz e abremse durante o dia Em geral os estômatos fechamse quando a água é limitante evitando assim a sua perda excessiva deletéria Eles abremse em condições que favorecem a fotossíntese ver Capítulo 9 A força motriz para os movimentos estomá ticos é a pressão de turgor discutida em detalhes no Capítulo 4 Os estímulos ambientais associa dos a uma elevada demanda por CO2 no interior da folha são transduzidos em uma maior pressão de turgor o que leva à intumescência das células guarda e a um alargamento da fenda estomática Estímulos associados à necessidade de reduzir o uso de água da planta são transduzidos em uma redução do turgor e no fechamento dos estôma tos Célulasguarda são então válvulas de turgor Abertura estomática dependente de luz Em condições de clima temperado a luz é o estímulo do minante que causa a abertura dos estômatos ver Tópico 101 na internet Os dois principais fatores envolvidos com a abertura estomática dependente de luz são 1 a fo tossíntese nos cloroplastos das célulasguarda e 2 uma resposta específica à luz azul Além disso aumentos na fotossíntese no mesofilo reduzem a concentração inter celular de CO2 e baixa concentração intercelular de CO2 abre os estômatos As célulasguarda respondem à luz azul Várias características dos movimentos estomáticos que dependem da luz azul tornam as célulasguarda um va lioso sistema experimental para o estudo das respostas à luz azul A resposta estomática à luz azul é rápida e reversível estando localizada em um único tipo de célula a célu laguarda Figura 101 A resposta estomática à luz azul regula os movimen tos estomáticos ao longo de toda a vida da planta Isso é diferente do fototropismo e do alongamento do hipo cótilo que são funcionalmente importantes apenas em estágios iniciais de desenvolvimento ver Capítulo 16 O processo de transdução de sinal que liga a percep ção da luz azul à abertura dos estômatos é bastante conhecido Os estômatos abremse quando os níveis de luz que chegam à superfície da folha aumentam e fechamse à medida que a luz diminui Nas folhas de fava Vicia faba cultivadas em casa de vegetação os movimentos estomá ticos estão estreitamente correlacionados com a radiação solar incidente na superfície foliar Figura 102 Essa de pendência da luz dos movimentos estomáticos tem sido documentada para muitas espécies e condições Cloroplasto Cloroplasto Célulasguarda Célulasguarda Fenda Fenda Cloroplasto Célulasguarda Fenda A B 20 μm Figura 101 Abertura estomática estimulada pela luz em epider me isolada de Vicia faba O estômato aberto após tratamento com luz A é mostrado no estado fechado após tratamento no escuro B A abertura estomática é quantificada por medição microscópica da largura da fenda estomática Cortesia de E Raveh 2 0 4 6 8 10 12 14 250 0 500 750 1000 1250 B A 5 h 9 h 13 h 17 h 21 h PPFD μmol m2 s1 Abertura estomática largura da fenda mm Hora do dia Luz incidente Aberturas Figura 102 A abertura estomática acompanha a radiação fo tossinteticamente ativa na superfície foliar A abertura estomática na superfície inferior abaxial das folhas de Vicia faba cultivadas em casa de vegetação medida pela largura da fenda estomática A segue de perto os níveis da radiação fotossinteticamente ativa 400 700 nm incidente sobre a folha B indicando que a resposta à luz é a dominante na regulação da abertura estomática PPFD densidade de fluxo de fototônico fotossintético de photosynthetic photon flux density De Srivastava e Zeiger 1995 Taiz10indd 270 Taiz10indd 270 27102016 144213 27102016 144213 Capítulo 10 Biologia dos Estômatos 271 Estudos da resposta estomática à luz mostraram que a diclorofenildimetilureia DCMU um inibidor do trans porte fotossintético de elétrons ver Figura 728 provoca uma inibição parcial da abertura estomática estimulada pela luz Esses resultados indicam que a fotossíntese nos cloroplastos das célulasguarda desempenha um papel na abertura dos estômatos dependente da luz mas por que a resposta é apenas parcial Essa resposta parcial à DCMU aponta para o envolvimento de um componente da respos ta estomática à luz não fotossintético insensível à DCMU Estudos detalhados realizados sob luz colorida mostraram que ela ativa duas respostas distintas das célulasguarda fotossíntese nos cloroplastos das célulasguarda ver En saio 101 na internet e uma resposta específica à luz azul Uma vez que a luz azul estimula tanto a resposta es pecífica dos estômatos à luz azul quanto a fotossíntese das célulasguarda ver o espectro de ação para a fotossíntese na Figura 78 e Ensaio 101 na internet a luz azul por si só não pode ser usada para estudar a resposta estomática específica a ela Para conseguir uma separação bem de finida entre essas duas respostas à luz os pesquisadores realizam experimentos com uma fonte luminosa de feixe duplo Primeiro altas taxas de fluência de luz vermelha são utilizadas para saturar a resposta fotossintética essa saturação impede posterior abertura estomática mediada pela fotossíntese em resposta a novos aumentos na luz vermelha ou azul A seguir baixos fluxos de fótons de luz azul são adicionados após a resposta à luz vermelha satu rante ser estabelecida Figura 103 A adição da luz azul leva a um substancial aumento na abertura estomática que como já explicado não pode ser devido a um aumento na estimulação da fotossíntese das célulasguarda pois a luz vermelha de fundo saturou a fotossíntese Um espectro de ação para a resposta estomática à luz azul sob iluminação com luz vermelha saturante de fundo mostra um padrão de três dedos Figura 104 Esse es pectro de ação típico da resposta à luz azul e diferente do espectro de ação da fotossíntese indica que as células guarda respondem especificamente à luz azul Quando as célulasguarda são tratadas com enzimas celulolíticas que digerem as paredes celulares seus proto plastos protoplastos das célulasguarda são liberados e podem ser utilizados em experimentos No laboratório os protoplastos das célulasguarda intumescem quando iluminados com luz azul Figura 105 indicando que essa luz é percebida dentro da própria célulaguarda O intu mescimento dos protoplastos das célulasguarda também ilustra como funcionam essas células intactas A luz esti mula a absorção de íons e a acumulação de solutos orgâni cos nos protoplastos das célulasguarda reduz o potencial osmótico das células aumenta a pressão osmótica Como consequência a água entra e os protoplastos das células guarda intumescem Nas célulasguarda intactas esse aumento de turgor leva à deformação das paredes celula res e a um aumento na fenda estomática ver Capítulo 4 A luz azul ativa uma bomba de prótons na membrana plasmática da célulaguarda Quando os protoplastos das célulasguarda da fava V faba são irradiados com luz azul sob iluminação sa turante de fundo com luz vermelha o pH do meio de sus pensão tornase mais ácido Figura 106 Essa acidificação induzida pela luz azul é bloqueada por desacopladores que dissipam gradientes de pH como CCCP discutida em breve e por inibidores da ATPase bombeadora de prótons 400 350 450 500 550 Eficiência relativa Comprimento de onda nm Espectro visível Figura 104 Espectro de ação para a abertura estomática es timulada pela luz azul sob luz de fundo vermelha De Karlsson 1986 1 2 3 4 2 0 4 6 8 10 12 14 Abertura estomática μm Tempo h Luz azul Luz vermelha Figura 103 Resposta dos estômatos à luz azul sob luz verme lha de fundo Os estômatos de uma epiderme isolada da trapoe raba Commelina communis foram tratados com fluxos de fótons saturantes de luz vermelha linha vermelha Em um tratamento paralelo os estômatos iluminados com luz vermelha também fo ram iluminados com luz azul conforme indicado pela seta linha azul O aumento na abertura estomática acima do nível alcança do na presença da luz vermelha saturante indica que um sistema de fotorreceptor diferente estimulado pela luz azul está median do os aumentos adicionais na abertura Experimentos realizados com epiderme isolada eliminam os efeitos do CO2 do mesofilo De Schwartz e Zeiger 1984 Taiz10indd 271 Taiz10indd 271 27102016 144213 27102016 144213 272 Unidade II Bioquímica e Metabolismo H discutidos no Capítulo 6 como ortovanadato ver Fi gura 105B Esses estudos de acidificação demonstraram que a luz azul ativa uma ATPase bombeadora de prótons na membrana plasmática das célulasguarda Na folha intacta essa estimulação do bombeamento de prótons pela luz azul reduz o pH do espaço apoplásti co ao redor das célulasguarda e gera a força motora para a captação de íons e a abertura estomática A ATPase da membrana plasmática de célulasguarda já foi isolada e amplamente caracterizada A ativação de bombas eletrogênicas como a ATPase bombeadora de prótons pode ser medida em experimen tos de patch clamping como uma corrente elétrica para fora da membrana plasmática ver Tópico 62 na internet para uma descrição de patch clamping A Figura 107A mostra um registro de patch clamping de um protoplasto de célulaguarda tratado no escuro com a toxina fúngica fusicoccina um ativador bem caracterizado da ATPase da membrana plasmática A exposição à fusicoccina estimula uma corrente elétrica para fora a qual gera um gradien te de prótons Esse gradiente de prótons é interrompido pela carbonil cianeto mclorofenilhidrazona CCCP um ionóforo de prótons que torna a membrana plasmática al tamente permeável a prótons evitando assim a formação de um gradiente de prótons através da membrana e acaba com o efluxo líquido de prótons A relação entre o bombeamento de prótons na mem brana plasmática da célulaguarda e a abertura estomática é evidente a partir das observações de que 1 a fusicocci na estimula tanto a extrusão de prótons da célulaguarda quanto a abertura estomática e 2 a CCCP inibe a aber tura estimulada pela fusicoccina O aumento nas taxas de bombeamento de prótons em função das taxas de fluência de luz azul indica ainda que o aumento do número de fó tons azuis na radiação solar que atinge a folha deve causar uma abertura estomática maior ver Figura 106 Um pul so de luz azul dado sob um fundo de luz vermelha satu rante também pode estimular uma corrente elétrica para o 10 0 20 30 40 50 60 70 5 10 50 500 Linha base sob luz vermelha saturante Pulsos de luz azul de diferentes fluxos de fótons μmol m2 s1 Tempo min pH do meio de suspensão Mais alcalino Mais ácido A 20 40 60 30 0 35 40 45 50 55 Volume dos protoplastos das célulasguarda μm3 102 Tempo min Controle 500 μM Ortovanadato Luz azul ligada Luz vermelha ligada B Luz azul Fenda estomática não digerida Protoplastos intumescem em luz azul Protoplasto no escuro Figura 105 Intumescimento de protoplastos de célulasguarda estimulado pela luz azul A Na ausência de uma parede celular rígida os protoplastos de célulasguarda de cebola Allium cepa intumescem B A luz azul estimula o intumescimento dos proto plastos de célulasguarda de fava V faba e o ortovanadato um inibidor da HATPase inibe o intumescimento A luz azul estimula a absorção de íons e de água nos protoplastos de célulasguarda o que nas células intactas fornece uma força mecânica que opera contra a parede celular rígida que distorce a célulaguarda causan do o aumento da abertura estomática A de Zeiger e Hepler 1977 B de Amodeo et al 1992 Figura 106 Acidificação de um meio de suspensão de proto plastos de célulasguarda de V faba estimulada por um pulso de 30 s de luz azul A ativação resulta da estimulação de uma HATPase na membrana plasmática pela luz azul e está associada ao intumes cimento dos protoplastos ver Figura 105 De Shimazaki et al 1986 Taiz10indd 272 Taiz10indd 272 27102016 144213 27102016 144213 Capítulo 10 Biologia dos Estômatos 273 exterior em protoplastos de célulasguarda Figura 107B A relação entre essa corrente elétrica estimulada pelos pulsos e a acidificação em resposta à luz azul mostradas na Figura 106 indica que a corrente elétrica medida é re sultante do movimento dos prótons do interior das células para o apoplasto As respostas à luz azul possuem cinética e períodos de atraso lag times característicos As respostas temporais dos estômatos a pulsos de luz azul ilustram algumas importantes propriedades das respostas à luz azul uma persistência da resposta após o sinal lumi noso ter sido desligado e um período de atraso significa tivo separando o início do sinal luminoso e o começo da resposta Em comparação com as respostas fotossintéticas típicas que são ativadas rapidamente depois de um sinal de luz ligada e cessam quando a luz se apaga as respos tas à luz azul continuam em suas taxas máximas durante vários minutos após a aplicação do pulso ver Figuras 106 e 107B Essa persistência da resposta à luz azul após o sinal de luz desligada pode ser explicada por uma forma fisiolo gicamente inativa do receptor dessa luz que é convertida em uma forma ativa pela luz azul com a forma ativa re vertendo lentamente àquela fisiologicamente inativa após a luz azul ser desligada A rapidez com que uma resposta a um impulso de luz azul acontece portanto depende do tempo que leva entre a reversão da forma ativa à inativa Outra propriedade da resposta aos pulsos de luz azul é o período de atraso cuja duração é de aproximadamen te 25 segundos tanto na resposta de acidificação quanto na corrente elétrica para fora estimulada pela luz azul ver Figuras 106 e 107 Esse intervalo provavelmente é neces sário para que o processo de transdução de sinal proceda do sítio fotorreceptor para a ATPase bombeadora de pró tons e para a formação do gradiente de prótons Períodos de atraso semelhantes foram medidos para a inibição do alongamento do hipocótilo dependente de luz azul ver Capítulo 16 A luz azul regula o equilíbrio osmótico das célulasguarda A luz azul modula a osmorregulação das célulasguarda por sua ativação do bombeamento de prótons pela cap tação de solutos e pela estimulação da síntese de solutos orgânicos ver Tópico 102 na internet Antes de discutir essas respostas à luz azul serão considerados brevemente os principais solutos osmoticamente ativos nas células guarda O fisiologista vegetal F E Lloyd lançou em 1908 a hipótese segundo a qual o turgor das célulasguarda é re gulado por alterações osmóticas resultantes de intercon versões amidoaçúcar conceito que levou à hipótese de amidoaçúcar dos movimentos estomáticos A descoberta do fluxo de íons potássio nas célulasguarda no Japão na década de 1940 e sua redescoberta no Ocidente na dé cada de 1960 substituiu a hipótese de amidoaçúcar com a moderna teoria da osmorregulação dessas células pelo potássio e seus íons de contrabalanço Cl e malato2 A concentração de potássio nas célulasguarda au menta várias vezes quando os estômatos se abrem de 100 mM quando fechados para 400 a 800 mM quando abertos dependendo da espécie e das condições experi mentais Na maioria das espécies essas grandes mudan ças na concentração de K são eletricamente equilibradas por quantidades variáveis de ânions Cl e malato2 Figura 108 ver também Tópico 102 na internet No entanto em algumas espécies do gênero Allium como a cebola A cepa o K é equilibrado unicamente por Cl Ânions Cl são trazidos do apoplasto para dentro das célulasguarda durante a abertura dos estômatos e expe lidos no fechamento Ânions malato por outro lado são sintetizados no citosol de célulasguarda em uma rota metabólica que utiliza esqueletos de carbono gerados por hidrólise do amido ver Figura 108A O conteúdo de ma 2 pA 30 s Pulso de luz azul Corrente elétrica 2 pA A fusicoccina ativa a HATPase A CCCP torna a membrana permeável a prótons Corrente elétrica A B 1 min Figura 107 A ativação da HATPase na membrana plasmática de protoplastos das célulasguarda por fusicoccina e luz azul pode ser mensurada como uma corrente elétrica em experimentos de patch clamping A Corrente elétrica para fora medida em picoam peres pA na membrana plasmática de um protoplasto de célula guarda estimulado pela toxina fúngica fusicoccina um ativador da HATPase A corrente é interrompida pelo ionóforo de prótons carbonil cianeto mclorofenilhidrazona CCCP B Corrente elétrica para fora na membrana plasmática de um protoplasto de célula guarda estimulado por um pulso de luz azul Esses resultados in dicam que a luz azul estimula a HATPase A de Serrano et al 1988 B de Assmann et al 1985 Taiz10indd 273 Taiz10indd 273 27102016 144214 27102016 144214 274 Unidade II Bioquímica e Metabolismo H H H H H H Cl CITOPLASMA Glicose1fosfato Sacarose Sacarose Sacarose Fosfoenol piruvato Malato Malato VACÚOLO K K Cl K Cl CLOROPLASTO Ciclo de Calvin Benson Ciclo de Calvin Benson Ribulose15 bifosfato Frutose6fosfato Glicose6fosfato Amido Frutose16bifosfato Dihidroxiacetona3fosfato Dihidroxiacetona3fosfato 3fosfoglicerato CO2 Maltose Glicose A Cl CITOPLASMA Glicose1fosfato Sacarose Sacarose Sacarose Fosfoenol piruvato Malato Malato VACÚOLO K K Cl K Cl CLOROPLASTO Ribulose15 bifosfato Frutose6fosfato Glicose6fosfato Amido Frutose16bifosfato Dihidroxiacetona3fosfato Dihidroxiacetona3fosfato 3fosfoglicerato CO2 CO2 Maltose Glicose B Cl CITOPLASMA Glicose1fosfato Sacarose Sacarose Sacarose Fosfoenol piruvato Malato Malato VACÚOLO K K Cl K Cl CLOROPLASTO Ciclo de Calvin Benson Ribulose15 bifosfato Frutose6fosfato Glicose6fosfato Amido Frutose16bifosfato Dihidroxiacetona3fosfato Dihidroxiacetona3fosfato 3fosfoglicerato CO2 Maltose Glicose C CO2 CO2 Apoplasto Apoplasto Apoplasto Taiz10indd 274 Taiz10indd 274 27102016 144214 27102016 144214 Figura 108 Três rotas de osmoregulação distintas na célulasguarda As setas escuras espessas identificam as principais etapas metabólicas de cada rota que levam à acumulação de solutos osmoticamente ativos nas célulasguarda A Potássio e seus canais Potássio e cloro são absorvidos em processos de transporte impulsionado por gradientes de prótons malto é formado a partir da hidrólise do amido B Acumulação de sacarose a partir da hidrólise do amido C Acumulação de sacarose a partir da fixação fotossintética do carbono A possível assimilação da sacarose apoplástica também é indicada De Talbot Zeiger 1998 276 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Onde são originados os solutos osmoticamente ati vos Foram identificadas três importantes rotas metabó licas distintas que podem suprir as célulasguarda com solutos osmoticamente ativos ver Figura 108 1 A absorção de K e Cl do apoplasto acoplados à biossíntese de malato2 dentro das célulasguarda ver Figura 108A 2 A produção de sacarose no citoplasma das células guarda a partir de precursores originários da hidróli se do amido nos cloroplastos dessas células ver Figu ra 108B 3 A produção de sacarose a partir de precursores feita na rota fotossintética de fixação de carbono nos cloro plastos das célulasguarda ver Figura 108C Dependendo das condições uma ou mais rotas osmor reguladoras podem estar ativas Por exemplo durante a abertura estomática estimulada pela luz vermelha em epidermes isoladas de V faba mantidas em concentrações ambientes de CO2 o soluto dominante nas célulasguarda é a sacarose gerada pela rota de fixação fotossintética de carbono nos cloroplastos das célulasguarda sem absor ção detectável de K ou degradação do amido ver Figura 108C No entanto em ar livre de CO2 a fixação fotossin tética de carbono é inibida e a abertura estimulada por luz vermelha está associada ao acúmulo de K ver Figura 108A ver também Tópico 102 na internet Algumas rotas osmorreguladoras incomuns são uti lizadas na natureza Os cloroplastos das célulasguarda da orquídea Paphiopedilum não possuem clorofila Os es tômatos de Paphiopedilum abremse em resposta à luz azul e não mostram a abertura típica estimulada pela luz ver melha Por outro lado os estômatos da pteridófita Adian tum não mostram uma resposta específica à luz azul e se abrem em resposta à luz vermelha As célulasguarda de Adiantum têm um número muito grande de cloroplastos e sua abertura dependente da luz vermelha é bloqueada pela DCMU um inibidor do transporte fotossintético de elétrons Isso indica a participação da fotossíntese das célulasguarda na abertura estimulada pela luz vermelha No entanto os estômatos de Adiantum acumulam K em concentrações ambientes de CO2 e são insensíveis ao CO2 tanto no escuro como sob luz vermelha É intrigante que essas características osmorreguladoras incomuns estejam associadas a um número excepcionalmente grande de clo roplastos nessas célulasguarda Além disso os estôma tos de Adiantum são altamente incomuns em sua falta de sensibilidade à luz azul Em comparação a sensibilidade ao CO2 e à luz azul mostrouse linearmente relacionada à abertura estomática em V faba Esses resultados sugerem que a falta de uma resposta à luz azul e a insensibilidade ao CO2 em Adiantum poderiam estar associadas a um sis tema sensorial de transdução da luz azul defeituoso As características incomuns contrastantes de Paphio pedilum e Adiantum ilustram a notável plasticidade funcio nal das célulasguarda também mostrada em outros estu dos na folha intacta Essas características plásticas incluem aclimatações das respostas à luz azul e ao CO2 e mudanças diárias nas taxas fotossintéticas das célulasguarda Isso é detalhadamente descrito no Ensaio 103 na internet Mediação da fotorrecepção da luz azul em célulasguarda por zeaxantina Estômatos do mutante npq1 quenching não fotoquímico de nonphotochemical quenching de Arabidopsis carecem de uma resposta específica à luz azul Essa especificida de é importantíssima porque como dito anteriormente as célulasguarda têm diferentes mecanismos mediadores da resposta à luz azul O mutante npq1 tem uma lesão na 20 0 40 60 80 100 Tipo selvagem 12 14 16 18 20 22 Taxa de fluência de luz azul μmol m2 s1 Taxa de fluência de luz azul μmol m2 s1 Luz vermelha de fundo 100 μmol m2 s1 Fenda estomática μm Fenda estomática μm 0 5 10 15 20 25 15 35 phot1phot2 npq1 A B Figura 1010 A Sensibilidade à luz azul do mutante npq1 sem zeaxantina e do mutante duplo phot1phot2 sem fototropina As respostas à luz azul são estudadas sob 100 μmol m2 s1 de luz ver melha para impedir a abertura estomática resultante da estimulação da fotossíntese pela luz azul O escuro é mostrado como taxa de fluência zero Nenhum dos mutantes demonstra abertura quando iluminado com 10 μmol m2 s1 de luz azul O mutante phot1phot2 abrese em taxas de fluência mais elevadas de luz azul enquan to o mutante npq1 não demonstra qualquer abertura estimulada pela luz azul Na verdade os estômatos de npq1 fechamse muito provavelmente devido a um efeito fotoinibidor da luz azul adicio nal na abertura induzida pela fotossíntese B Abertura estimulada pela luz azul no tipo selvagem Observe a escala reduzida do eixo y mostrando a magnitude reduzida da abertura dos estômatos de phot1phot2 em comparação com a resposta do tipo selvagem De Talbott et al 2002 Taiz10indd 276 Taiz10indd 276 27102016 144214 27102016 144214 Capítulo 10 Biologia dos Estômatos 277 enzima que converte o carotenoide violaxantina em zea xantina Dos Capítulos 7 e 9 sabese que a zeaxantina é um componente do ciclo da xantofila dos cloroplastos ver Figura 733 o qual protege os pigmentos fotossintéticos do excesso de energia de excitação Além disso a zeaxan tina atua como um fotorreceptor de luz azul nas células guarda mediando a abertura estomática estimulada pela luz azul Evidências convincentes para esse papel da zea xantina vêm da observação de que na ausência de zeaxan tina as célulasguarda de npq1 carecem de uma resposta específica à azulluz Figura 1010 Uma evidência adicional indica ainda que a zeaxanti na é um fotorreceptor de luz azul nas célulasguarda Na abertura diária dos estômatos em folhas intactas a radiação incidente o conteúdo de zeaxantina das célulasguarda e as fendas estomáticas estão intima mente relacionados Figura 1011 O espectro de absorção da zeaxantina Figura 1012 aproximase muito do espectro de ação para a aber tura estomática estimulada pela luz azul ver Figura 104 A sensibilidade das célulasguarda à luz azul aumenta como uma função de sua concentração de zeaxantina A conversão da violaxantina em zeaxantina depen de do pH do lume do tilacoide O bombeamento de prótons na membrana do tilacoide impulsionado pela luz acidifica o compartimento do lume e aumenta a concentração de zeaxantina Figura 1013 Em função dessa propriedade do ciclo das xantofilas as células guarda iluminadas com luz vermelha acumulam zeaxantina Quando as célulasguarda de epiderme destacada tratadas com taxas crescentes de fluência de luz vermelha são expostas a um pulso curto de luz azul a abertura estomática estimulada pela luz azul resultante é linearmente relacionada à taxa de fluên cia do prétratamento de luz vermelha e ao conteúdo de zeaxantina das célulasguarda no momento da aplicação do pulso de luz azul A abertura estomática estimulada pela luz azul é ini bida por 3 mM de ditiotreitol DTT e a inibição é de pendente da concentração A formação de zeaxantina é bloqueada pelo DTT um agente redutor que reduz as pontes SS a grupos SH e inibe efetivamente a enzima que converte a violaxantina em zeaxantina O DTT não bloqueia a abertura estimulada pela luz vermelha A espécie de CAM facultativa Mesembryanthemum crystallinum muda seu metabolismo de carbono de C3 para o modo CAM em resposta ao estresse sali no No modo C3 os estômatos acumulam zeaxantina e abremse em resposta à luz azul A indução de CAM inibe tanto a acumulação de zeaxantina quanto a ca pacidade das célulasguarda de se abrir em resposta à luz azul 10 12 14 0 50 100 150 200 250 8 6 4 2 0 6 h 9 h 12 h 15 h 18 h 21 h 6 h 9 h 12 h 15 h 18 h 21 h Hora do dia Fenda estomática μm Zeaxantina mmol mol1 Chl ab B A Células do mesofilo Células guarda 250 500 750 1000 1250 PPFD μmol m2 s1 Fendas Figura 1011 O conteúdo de zeaxantina das célulasguarda se gue de perto a radiação fotossinteticamente ativa e as fendas es tomáticas A Andamento diário da radiação fotossinteticamente ativa que atinge a superfície foliar traçado vermelho e do conteúdo de zeaxantina das célulasguarda traçado azul e das células do me sofilo traçado verde de folhas de V faba cultivadas em casa de vegetação As áreas brancas dentro do gráfico salientam a sensibili dade contrastante do ciclo da xantofila nos cloroplastos do mesofilo e das célulasguarda sob as baixas irradiâncias que prevalecem no início e no final do dia B Fendas estomáticas nas mesmas folhas utilizadas para a medição do conteúdo celular de zeaxantina PPFD fluxo de fótons fotossintéticos De Srivastava e Zeiger 1995 400 350 02 0 04 06 08 1 450 450 550 Absorbância Comprimento de onda nm Espectro de absorção da zeaxantina Figura 1012 Espectro de absorção da zeaxantina em etanol Cortesia do Professor Wieslaw Gruszecki Taiz10indd 277 Taiz10indd 277 27102016 144214 27102016 144214 278 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Reversão por luz verde da abertura estimulada pela luz azul A abertura estimulada pela luz azul é suprimida pela luz verde na região dos 500 a 600 nm do espectro A resposta à luz azul é inibida quando as célulasguarda são estimu ladas simultaneamente com luz azul e verde ver Ensaio 104 na internet A luz verde também reverte a abertura estomática estimulada pela luz azul em experimentos de pulso Figura 1014 Estômatos em epidermes destacadas abremse em resposta a um pulso de luz azul de 30 s e a abertura cessa se o pulso de luz azul for seguido por um pulso de luz verde A abertura reinicia se o pulso de luz verde for seguido por um segundo pulso de luz azul em ATP P Pi ADP ADP ATP NADPH NADP ATP ATP Energia luminosa PPFD Tilacoide granal Percepção da luz azul H H H H H H H K K Cl H Cl ADP Pi ADP Pi ADP Pi ATP sintase Ribulose15 bifosfato Carboxilação Redução Triose fosfato CO2 Concentrações mais altas de CO2 aumentam a taxa de fixação do CO2 alcalinizam o lume e reduzem o conteúdo de zeaxantina da célulaguarda ATP Ciclo de Calvin Benson Violaxantina Zeaxantina npq1 DTT Inativo Regulação do sinal pelo phot1phot2 CLOROPLASTO CITOPLASMA Regeneração Extremidade Cterminal HATPase Ativo H Ciclo da xantofila Figura 1013 Papel da zeaxantina na percepção da luz azul em célulasguarda A concentração de zeaxantina nas célulasguarda varia com a atividade do ciclo da xantofila A enzima que converte a violaxantina em zeaxantina é uma proteína integral do tilacoide que apresenta um pH ótimo de 52 A acidificação do lume esti mula a formação da zeaxantina e a alcalinização favorece a for mação da violaxantina O pH do lume depende da densidade do fluxo de fótons fotossintéticos mais eficientes nos comprimentos de onda azul e vermelho ver Capítulo 7 e da taxa de síntese de ATP a qual consome energia e dissipa o gradiente de pH através do tilacoide Assim a atividade fotossintética dos cloroplastos das célulasguarda o pH do lume o conteúdo de zeaxantina e a sensi bilidade à luz azul têm um papel interativo na regulação da abertura estomática Comparados com seus correspondentes do mesofilo os cloroplastos das célulasguarda são enriquecidos no fotossistema II e possuem taxas de transporte de elétrons muito altas e taxas de fixação fotossintética de carbono baixas Essas propriedades favore cem a acidificação do lume em baixos fluxos de fótons e explicam a formação de zeaxantina no cloroplasto da célulaguarda cedo pela manhã ver Figura 1011 A regulação do conteúdo de zeaxantina pelo pH do lume e a ligação íntima entre o pH do lume e a atividade do ciclo de CalvinBenson no cloroplasto da célulaguarda sugerem que as taxas de fixação de dióxido de carbono no cloroplasto da célulaguarda podem regular as concentrações de zeaxantina e in tegrar a percepção da luz e do CO2 nas célulasguarda ver Ensaio 103 na internet Taiz10indd 278 Taiz10indd 278 27102016 144214 27102016 144214 Capítulo 10 Biologia dos Estômatos 279 uma resposta análoga à reversibilidade vermelhoverme lhodistante das respostas ao fitocromo A reversibilidade da resposta azulverde tem sido descrita em estômatos de epidermes isoladas de várias espécies sendo também ob servada em folhas intactas ver Ensaio 104 na internet Estômatos de folhas intactas de Arabidopsis ilumina dos com luz azul vermelha e verde em uma câmara de crescimento ampliam sua fenda quando a luz verde é des ligada e reduzemna quando a luz verde é ligada nova mente Figura 1015 Essa resposta à luz verde não pode ser mediada pela fotossíntese no mesofilo ou nas células guarda porque seria esperado que os estômatos se fe chassem em resposta à menor taxa fotossintética devido ao sinal de luz verde apagada A abertura mediada pela luz verde não é observada se a luz verde for desligada em experimentos com folhas iluminadas apenas com luz ver melha e verde Assim a resposta de abertura em relação à luz verde é vista somente na presença de luz azul como a observada nos experimentos com epidermes isoladas Uma importante implicação ecofisiológica dessas respos tas estomáticas à luz verde na folha intacta é que seria es perado que os fótons verdes da radiação solar reduzissem a resposta estomática à luz azul sob condições naturais Estômatos do mutante duplo phot1phot2 sem fototro pina respondem à luz azul e se abrem ainda mais quando a luz verde é desligada porém estômatos do mutante npq1 sem zeaxantina não o fazem ver Figura 1015 Esses re sultados indicam que a reversão pela luz verde da resposta à luz azul requer zeaxantina mas não fototropina Um espectro de ação para a reversão no verde da abertura estimulada pela luz azul mostra um máximo em 540 nm e dois picos menores em 490 e 580 nm Figura 1016 Um espectro de ação desse tipo descarta a possi bilidade de envolvimento de fitocromo ou clorofilas Em vez disso esse espectro é notavelmente similar ao espec tro de ação para a abertura estomática estimulada pela luz 10 0 10 20 30 40 Tempo min Abertura estomática Azul Azulverde Azulverdeazul Pulso de luz Figura 1014 Reversibilidade azulverde dos movimentos esto máticos Os estômatos abremse quando é administrado um pulso de 30 s de luz azul 1800 μmol m2 s1 sob luz vermelha contínua de fundo 120 μmol m2 s1 Um pulso de luz verde 3600 μmol m2 s1 aplicado depois do pulso de luz azul bloqueia a resposta à luz azul A abertura é restaurada após a aplicação de um segundo pulso de luz azul dado após o pulso de luz verde De Frechilla et al 2000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 05 00 10 15 20 Tempo min Luz verde Luz vermelha Luz azul Fenda μm 10 15 20 25 Fenda μm Fenda μm 05 20 25 30 35 A Tipo selvagem B npq1 C phot1phot2 Figura 1015 A luz verde regula as fendas estomáticas em folhas intactas Estômatos de folhas intactas de Arabidopsis cultivadas em uma câmara de crescimento sob luz azul vermelha e verde abrem se quando a luz verde é removida e se fecham quando a luz verde é recolocada A luz azul é requerida para a expressão desta sensibi lidade dos estômatos à luz verde Estômatos do mutante npq1 sem zeaxantina deixam de responder à luz verde enquanto estôma tos do mutante duplo phot1phot2 têm uma resposta semelhante àquela do tipo selvagem De Talbott et al 2006 Taiz10indd 279 Taiz10indd 279 27102016 144214 27102016 144214 280 Unidade II Bioquímica e Metabolismo azul deslocado para o vermelho deslocado em direção à banda mais longa de ondas vermelhas do espectro por cerca de 90 nm Deslocamentos espectrais semelhantes para o vermelho foram observados após a isomerização de carotenoides em um ambiente proteico Como discutido anteriormente o espectro de ação para a abertura esto mática estimulada pela luz azul corresponde ao espectro de absorção da zeaxantina ver Figura 1012 Estudos es pectroscópicos mostraram que a luz verde é muito eficaz na isomerização da zeaxantina Essa isomerização muda a orientação da molécula dentro da membrana uma transi ção que seria muito eficaz como um sinal de transdução Um complexo carotenoideproteína detecta a intensidade da luz Um complexo carotenoideproteína que funcione como um sensor da intensidade da luz fornece um sistema mo delo para o fotociclo azulverde em célulasguarda ver Ensaio 105 na internet A proteína carotenoide laranja OCP orange carotenoid protein é uma proteína solúvel as sociada à antena do ficobilissomo do fotossistema II em cianobactérias Lembrese que no Capítulo 7 foi dito que as cianobactérias são bactérias fotossintetizantes comuns em água doce e em ambientes marinhos A OCP é uma proteína de 35 kDa que contém um único carotenoide li gado não covalentemente 3hidroxiequinenona Zeaxan tina e 3hidroxiequinenona têm estruturas químicas in timamente relacionadas e ambas derivam do βcaroteno HO OH O OH Zeaxantina 3hidroxiequinenona A forma ativa da OCP é essencial para a indução de fotoproteção em cianobactérias fotossintetizantes Além disso o fotociclo resultante da interconversão das formas que absorvem luz azul ou verde da OCP atua como um sensor de luz eficaz Essas descobertas sugerem enfaticamente que a re versibilidade da abertura estomática em resposta à ilu minação com pulsos consecutivos de luz azul e verde resulta da operação de um fotociclo Esse fotociclo muito provavelmente é mediado por uma zeaxantina ligada a uma proteína convertida pela luz azul em uma forma fi siologicamente ativa que absorve luz verde e reconvertida pela luz verde em uma forma inativa que absorve luz azul É também de interesse que o quenching da fluorescência estimulado pela luz azul provavelmente associado à foto proteção tem sido observado em cloroplastos de células guarda e coleóptilos das plantas superiores em paralelo com a observação da OCP em cianobactérias Na década de 1940 a descoberta de carotenoides na ponta que detecta a luz azul do coleóptilo ver Tópico 103 na internet sugeriu que os carotenoides que absorvem luz azul seriam os possíveis fotorreceptores desse tipo de luz mas a hipótese foi descartada devido à meiavida mui to curta da molécula de carotenoide excitada A OCP re presenta o primeiro caso claramente documentado de um carotenoide ligado a uma proteína que funciona como um fotorreceptor e de um complexo proteínacarotenoide que percebe a intensidade da luz A notável similaridade entre algumas das propriedades da OCP das cianobactérias e da percepção da luz azul pela zeaxantina no cloroplasto da célulaguarda deve estimular futuras pesquisas em ambos os sistemas O poder de resolução da fotofisiologia Vamos considerar um experimento fictício Você é desig nado para pesquisar a resposta estomática à luz azul em uma nova espécie de planta recentemente descoberta no deserto de Serengeti na África Suponha que como na maioria das espécies de plantas na vida real as células epi dérmicas dessa espécie não têm cloroplastos Uma vez que 400 Abertura estimulada pela luz azul Reversão pela luz verde 350 450 500 550 600 Comprimento de onda nm Taxa inversa de fluência logμmol m2 s11 Figura 1016 Espectro de ação para a abertura estomática es timulada pela luz azul e sua reversão pela luz verde O espectro de ação da abertura estimulada pela luz azul foi obtido em medições da transpiração em função do comprimento de onda em folhas de trigo mantidas sob luz de fundo vermelha O espectro de ação da reversão pela luz verde da abertura estimulada pela luz azul foi cal culado a partir de medições de alterações nas fendas estomáticas de epidermes isoladas de V faba irradiadas com uma taxa de fluên cia constante de luz azul e diferentes comprimentos de onda de luz verde Observe que os dois espectros são semelhantes com o espectro para a reversão pela luz verde deslocado cerca de 90 nm Deslocamentos semelhantes do espectro para o vermelho foram observados após a isomerização de carotenoides em um ambiente proteico Curva da esquerda de Karlsson 1986 curva da direita de Frechilla et al 2000 Taiz10indd 280 Taiz10indd 280 27102016 144214 27102016 144214 Capítulo 10 Biologia dos Estômatos 281 a espécie cresce em um ambiente de luminosidade alta você verifica em primeiro lugar a resposta estomática à luminosidade alta após um período de escuro Você usa um filtro de luz azul com transmissão máxima ao redor de 450 nm e expõe uma folha à luz solar filtrada por esse filtro É possível observar que depois de alguns minutos os estômatos abremse O que você pode dizer sobre a res posta estomática Pode ser que o mesofilo da folha tenha respondido à luz azul com altas taxas de fotossíntese e a concentração intercelular de CO2 tenha decrescido Os es tômatos teriam então aberto em resposta a uma redução no CO2 intercelular Alternativamente os estômatos po deriam ter respondido à luz azul diretamente Você pode distinguir entre as duas possibilidades removendo tiras de epiderme da folha e incubando os estômatos isolados sob luz azul Se os estômatos abremse quando isolados o ex perimento mostra que eles possuem uma resposta direta à luz azul Depois você quer fazer perguntas sobre a natureza dos fotorreceptores das célulasguarda A fotossíntese nos cloro plastos das célulasguarda pode ter mediado a resposta Se fosse esse o caso você poderia obter abertura substituindo a luz azul por luz vermelha Um resultado positivo com luz vermelha envolveria a fotossíntese e você pode confirmar a operação da fotossíntese em célulasguarda incubando os estômatos sob luz azul ou vermelha na presença do inibidor de fotossíntese DCMU ver Figura 728 E se a luz vermelha não deu qualquer resposta Se isso acontecer a fotossíntese pode ser descartada e você pode testar as respostas à luz azul ou à luz vermelhavermelho distante Você pode testar a operação de um fotorreceptor de luz azul verificando se a luz verde inverte a abertura estimulada pela luz azul Alternativamente um fotorre ceptor de luz azul típico mostraria crescente abertura es tomática sob taxas constantes de baixa fluência de luz azul e taxas de fundo de fluência crescente de luz vermelha Uma resposta de fitocromos como aqueles no Tópico 104 na internet poderia ser determinada substituindo se a luz azul de excitação por luz vermelha e em seguida verificandose se a luz vermelhodistante fecha os estô matos e a luz vermelha os reabre Os princípios utilizados nesse experimento mental podem ser aplicados aos resultados de pesquisa Tome mos por exemplo a observação dos resultados extraordi nários mostrados na Figura 1015 sobre experimentos em câmara de crescimento com folhas intactas de Arabidopsis mostrando que os estômatos das folhas iluminadas com luz azul vermelha e verde se abrem quando a luz verde é desligada e se fecham quando a luz verde é ligada no vamente Poderíamos estar lidando com uma resposta induzida pela fotossíntese nesse experimento Isso é im provável pois a fluência total da luz diminuiu quando a luz verde foi desligada porém a abertura estomática au mentou No entanto ligando ou desligando a luz verde na presença de somente luz vermelha não houve qualquer alteração nas fendas estomáticas indicando que a luz azul é necessária para a resposta à luz verde e que estamos pro vavelmente lidando com a ciclagem azulverde Uma análise fotofisiológica também pode ser muito útil para a interpretação dos resultados de pesquisa Por exemplo o mutante duplo phot1phot2 sem fototropina responde à luz verde em experimentos com luz verde azulvermelha com uma pequena mas totalmente re produtível abertura No entanto o mutante sem zea xantina npq não responde à luz verde Esses resulta dos têm implicações importantes Ambos phot1phot2 e npq1 têm lesões em seus mecanismos sensoriais de transdução associados a suas respostas à luz azul e ao ciclo azulverde e ainda phot1phot2 responde à luz ver de enquanto npq1 não Isso indica que a lesão genética no npq1 desativou o ciclo azulverde enquanto a respos ta em phot1phot2 parece inalterada Em uma publicação de 2013 sobre phot1phot2 KenIchiro Shimazaki e cola boradores discutem como as fototropinas estão associa das a várias respostas de luz azul sem uma cascata sen sorial de transdução comum É a cascata npq1 diferente partilhando a sensibilidade à luz azul mas ressaltando componentes diferentes A análise fotofisiológica pode ajudar a entender essas questões A resposta específica à luz azul pode ser reverti da pela luz verde o componente azul da resposta fotossin tética é bloqueado por luz vermelha saturante e a resposta do fitocromo é reversível pela luz vermelhodistante Apli cações dessas abordagens foram ilustradas anteriormente Por exemplo os resultados obtidos mostraram que a aber tura estomática estimulada pela luz azul observada no mutante de Arabidopsis npq1 não pode ser revertida pela luz verde mas é revertida pela luz vermelhodistante in dicando que o fotorreceptor envolvido é o fitocromo Por outro lado a abertura estimulada pela luz azul observada com estômatos de phot1phot2 é reversível pela luz verde indicando que um fotorreceptor específico para a luz azul está mediando a resposta Esses resultados excitantes ilustram como a utilização de mutantes genéticos bem definidos combinados com ferramentas fisiológicas de alta resolução pode respon der a muitas questões não resolvidas da fotobiologia das célulasguarda Taiz10indd 281 Taiz10indd 281 27102016 144215 27102016 144215 282 Unidade II Bioquímica e Metabolismo RESUMO Os estômatos são características estruturais da maioria das plan tas Cada estômato consiste em uma fenda microscópica que permite a comunicação entre o interior da folha e o ambiente externo e um par de célulasguarda que circundam a fenda As célulasguarda podem ser ladeadas por células subsidiárias es pecializadas que as distinguem das demais células epidérmicas Célulasguarda respondem a sinais ambientais alterando suas dimensões regulando assim o tamanho da fenda estomática Estômatos são uma adaptação crucial para evitar a dessecação eles se fecham quando a água é limitante e se abrem em condi ções que favoreçam a fotossíntese A força motriz para os movi mentos estomáticos é a pressão de turgor Abertura estomática dependente da luz A luz é o estímulo dominante que causa a abertura estomática As duas principais forças motrizes para a abertura estomática dependente da luz são a fotossíntese nos cloroplastos das célu lasguarda e uma resposta específica à luz azul Um inibidor do transporte de elétrons na fotossíntese a DCMU também inibe a abertura estomática indicando que o processo fotossintético desempenha um papel na abertura dos estôma tos A inibição no entanto é apenas parcial ou seja outros mecanismos de abertura devem estar ativos Um importante segundo mecanismo é uma resposta estomática específica à luz azul Figura 101 Pesquisadores usam experimentos de feixe duplo para estudar a resposta estomática à luz azul Um espectro de ação para a resposta estomática à luz azul obtido sob luz vermelha saturada mostra um padrão característico de três picos Figuras 103 104 Movimentos estomáticos estimulados pela luz são movidos por mudanças na regulação osmótica das célulasguarda A luz azul estimula uma HATPase na membrana plasmática da célula guarda gerando um gradiente eletroquímico que induz a ab sorção de íons Figuras 105107 A luz azul também estimula a degradação do amido e a bios síntese do malato A acumulação de sacarose e K e seus con traíons dentro das célulasguarda conduz à abertura estomática Figura 108 Cloroplastos de célulasguarda em geral contêm grandes grãos de amido Diferente do que acontece nos cloroplastos do me sofilo o teor de amido nos cloroplastos das célulasguarda diminui durante a abertura estomática na parte da manhã e aumenta durante o fechamento no final do dia A qualidade da luz pode alterar a atividade das diferentes ro tas osmorreguladoras que modulam os movimentos estomá ticos A abertura estomática está principalmente associada à captação de K O fechamento estomático está associado à uma perda de K e a um decréscimo no teor de sacarose Figura 109 Mediação da fotorrecepção da luz azul em célulasguarda por zeaxantina O carotenoide do cloroplasto zeaxantina tem sido implicado na fotorrecepção da luz azul nas célulasguarda Figura 1010 A abertura diária dos estômatos a radiação incidente o con teúdo de zeaxantina na célulaguarda e as fendas estomáticas estão intimamente relacionados Figura 1011 O espectro de absorção da zeaxantina é igual ao espectro para a abertura estomática estimulada pela luz azul Figuras 104 1012 A abertura estomática estimulada pela luz azul é bloqueada se a acumulação de zeaxantina nas célulasguarda for bloqueada A manipulação do conteúdo de zeaxantina em célulasguarda permite a regulação de sua resposta à luz azul Figura 1013 Reversão por luz verde da abertura estimulada pela luz azul A resposta à luz azul apresentada pelas célulasguarda é rever tida pela luz verde Figura 1014 A reversibilidade da resposta estomática à luz azul pela luz verde pode ser observada na folha intacta indicando que essa modulação da resposta estomática tem implicações funcionais sob condições naturais Figura 1015 O mutante npq1 sem zeaxantina não mostra reversibilidade azulverde indicando que a zeaxantina é necessária para a res posta Mutantes sem fototropina mostram reversibilidade azul verde normal O espectro de ação da reversão do verde assemelhase ao es pectro de ação da abertura estimulada pela luz azul e ao espec tro de absorção da zeaxantina Figura 1016 Um complexo de proteínacarotenoide em cianobactéria a proteína carotenoide laranja OCP mostra reversibilidade azul verde e funciona como um sensor de luz A OCP fornece um modelo molecular para a detecção de luz azul por zeaxantina em célulasguarda O poder de resolução da fotofisiologia Os princípios fotofisiológicos adicionam excelente poder de diagnóstico para a análise da pesquisa com célulasguarda Por exemplo a resposta específica à luz azul pode ser revertida pela luz verde o componente azul da resposta fotossintética é blo queado por luz vermelha saturante e a resposta do fitocromo é reversível pela luz vermelhodistante Abertura estomática esti mulada por luz azul observada no mutante npq1 de Arabidopsis não pode ser revertida pela luz verde mas é revertida pela luz vermelhodistante indicando que o fotorreceptor envolvido é o fitocromo Por outro lado a abertura estimulada por luz azul observada em estômatos phot1phot2 é reversível pela luz verde indicando que um fotorreceptor de luz azul específico medeia a resposta Taiz10indd 282 Taiz10indd 282 27102016 144215 27102016 144215 Capítulo 10 Biologia dos Estômatos 283 Leituras sugeridas Assmann S M 2010 Hope for Humpty Dumpty Systems biology of cellular signaling Plant Physiol 152 470449 Frechilla S Zhu J Talbott L D and Zeiger E 1999 Stomata from npq1 a zeaxanthinless Arabidopsis mutant lack a specific response to blue light Plant Cell Physiol 40 949 954 Frechilla S Talbott L D Bogomolni R A and Zeiger E 2000 Reversal of blue lightstimulated stomatal opening by green light Plant Cell Physiol 41 171176 Iino M Ogawa T and Zeiger E 1985 Kinetic properties of the blue light response of stomata Proc Natl Acad Sci USA 82 80198023 Karlsson P E 1986 Blue light regulation of stomata in wheat seedlings II Action spectrum and search for action dichroism Physiol Plant 66 207210 Kirilovsky D and Kerfeld C A 2013 The orange carotenoid protein A bluegreen light photoactive protein Photochem Photobiol Sci 12 11351143 Lawson T 2009 Guard cell photosynthesis and stomatal function New Phytol 181 1334 Milanowska J and Gruszecki W I 2005 Heatinduced and lightinduced isomerization of the xanthophyll pigment zeaxanthin J Photochem Photobiol B 80 178186 Punginelli C Wilson A Routaboul J M and Kirilovsky D 2009 Influence of zeaxanthin and echinenone binding on the activity of the orange carotenoid protein Biochim Biophys Acta 1787 280288 Roelfsema M R G Steinmeyer R Staal M and Hedrich R 2001 Single guard cell recordings in intact plants Light induced hyperpolarization of the plasma membrane Plant J 26 113 Roelfsema M R G and Kollist H 2013 Tiny pores with a global impact New Phytol 197 1115 Spalding E P 2000 Ion channels and the transduction of light signals Plant Cell Environ 23 665674 Srivastava A and Zeiger E 1995 Guard cell zeaxanthin tracks photosynthetic active radiation and stomatal apertures in Vicia faba leaves Plant Cell Environ 18 813 817 Talbott L D Zhu J Han S W and Zeiger E 2002 Phytochrome and blue lightmediated stomatal opening in the orchid Paphiopedilum Plant Cell Physiol 43 639646 Talbott L D Shmayevich I J Chung Y Hammad J W and Zeiger E 2003 Blue light and phytochrome mediated stomatal opening in the npq1 and phot1 phot2 mutants of Arabidopsis Plant Physiol 133 15221529 Talbott L D Hammad J W Harn L C Nguyen V Patel J and Zeiger E 2006 Reversal by green light of blue light stimulated stomatal opening in intact attached leaves of Arabidopsis operates only in the potassium dependent morning phase of movement Plant Cell Physiol 47 333 339 Zeiger E Talbott L D Frechilla S Srivastava A and Zhu J X 2002 The guard cell chloroplast A perspective for the twentyfirst century New Phytol 153 415424 MATERIAL DA INTERNET Tópico 101 Percepção da luz azul e gradientes de luz Gradientes de luz dentro dos órgãos podem servir como meca nismos sensores Tópico 102 Osmorregulação das célulasguarda e um in terruptor metabólico ativado pela luz azul A luz azul con trola as principais rotas osmorreguladoras nas célulasguarda e nas algas unicelulares Tópico 103 O cloroplasto do coleóptilo Cloroplastos de coleóptilo e de célulasguarda especializamse em transdução sensorial Tópico 104 Respostas mediadas pelo fitocromo nos es tômatos Estudos com a orquídea Paphiopedilum e o mutante de Arabidopsis sem zeaxantina npq1 mostram que o fitocromo regula os movimentos estomáticos Ensaio 101 Fotossíntese das célulasguarda A fotossínte se nas célulasguarda mostra características reguladoras únicas Ensaio 102 Metabolismo de sacarose em célulasguar da A sacarose está envolvida na função estomática por sua ação como um agente osmótico e substrato Ensaio 103 A plasticidade das célulasguarda A plastici dade funcional notável das célulasguarda molda nosso conhe cimento sobre a função dos estômatos Ensaio 104 A reversibilidade azulverde da resposta dos estômatos à luz azul As respostas das célulasguarda à luz azul e verde estimulam um fotociclo exclusivo Ensaio 105 A proteína carotenoide laranja Uma proteína fotorreceptora única mede o tempo e utiliza um cromóforo ca rotenoide Taiz10indd 283 Taiz10indd 283 27102016 144215 27102016 144215 Taiz10indd 284 Taiz10indd 284 27102016 144215 27102016 144215 Esta página foi deixada em branco intencionalmente 11 A sobrevivência no ambiente terrestre impôs sérios desafios às plan tas principalmente quanto à necessidade de obter e de reter a água Em resposta a essas pressões ambientais as plantas desenvolveram raízes e folhas As raízes fixam as plantas e absorvem água e nutrientes as folhas absorvem luz e realizam as trocas gasosas À medida que as plantas crescem as raízes e as folhas tornamse gradativamente separadas no espaço Assim os sistemas evoluíram de forma a permitir o transporte de longa distância e a tornar eficiente a troca dos produtos da absorção e da assimilação entre a parte aérea e as raízes Os Capítulos 4 e 6 mostraram que no xilema ocorre o transporte de água e sais minerais desde o sistema de raízes até as partes aéreas das plan tas No floema dáse o transporte dos produtos da fotossíntese particu larmente os açúcares das folhas maduras para as áreas de crescimento e armazenamento incluindo as raízes O floema também transmite sinais entre as fontes e os drenos na forma de moléculas reguladoras e redistribui água e vários compostos pela planta Todas essas moléculas parecem se mover com os açúcares transportados Os compostos a serem redistribuídos alguns dos quais inicialmente chegam às folhas maduras por meio do xilema podem ser transferidos das folhas sem modificações ou ser metabolizados antes da redistribuição A discussão que segue enfatiza a translocação no floema das angiosper mas já que a maioria das pesquisas tem sido desenvolvida nesse grupo de plantas As gimnospermas serão brevemente comparadas com as angiosper mas em termos de anatomia das células condutoras e suas implicações nos mecanismos de translocação Inicialmente são examinados alguns aspectos da translocação no floema os quais têm sido amplamente estudados e por isso acreditase que estejam bem compreendidos Esses aspectos incluem a rota e os padrões de translocação os materiais translocados no floema e as taxas de movimento Na segunda parte deste capítulo são discutidos os aspectos de translocação no floema que necessitam de investigação adicional Estes abrangem o me canismo de transporte no floema incluindo os detalhes da ultraestrutura de elementos crivados e a magnitude do gradiente de pressão entre as fontes e os drenos o carregamento e o descarregamento do floema e a alocação e a partição dos produtos fotossintéticos Por último é explorada uma área que atualmente é objeto de intensas pesquisas o floema como rota de transpor te de moléculas sinalizadoras como proteínas e RNA Translocação no Floema Taiz11indd 285 Taiz11indd 285 27102016 144723 27102016 144723 286 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Rotas de translocação As duas rotas de transporte de longa distância o floema e o xilema estendemse por toda a planta O floema ge ralmente é encontrado no lado externo dos sistemas vas culares primário e secundário Figuras 111 e 112 Nas plantas com crescimento secundário o floema constitui a casca viva Embora seja normalmente encontrado em po sição externa ao xilema o floema também é encontrado na região mais interna de muitas famílias de eudicotile dôneas Nessas famílias o floema apresentase nas duas posições e é denominado floema externo e interno res pectivamente As células do floema que conduzem açúcares e ou tros compostos orgânicos pela planta são chamadas de elementos crivados Elemento crivado é uma expressão abrangente que inclui os elementos de tubo crivado altamente diferenciados e típicos das angiospermas e as células crivadas relativamente não especializadas en contradas em gimnospermas Além dos elementos criva dos o floema contém as células companheiras discutidas adiante e as células parenquimáticas que armazenam e liberam moléculas nutritivas Em alguns casos o floema também inclui fibras e esclereides para proteção e susten tação do floema e laticíferos células que contêm látex No entanto apenas os elementos crivados estão envolvi dos diretamente na translocação As nervuras de menor porte das folhas e os feixes vas culares primários dos caules são com frequência circun dados por uma bainha do feixe vascular ver Figura 111 que consiste em uma ou mais camadas de células com pactamente arranjadas Lembrese das células da bainha do feixe envolvidas no metabolismo C4 e apresentadas no Capítulo 8 No sistema vascular das folhas a bainha do feixe circunda as nervuras menores em toda sua extensão até suas extremidades isolando as nervuras dos espaços intercelulares da folha A discussão sobre as rotas de translocação é inicia da com evidências experimentais que demonstram que os elementos crivados são as células condutoras do floema Após a estrutura e a fisiologia dessas células vegetais sin gulares são examinadas O açúcar é translocado nos elementos crivados Experimentos iniciais sobre o transporte no floema datam do século XIX indicando a importância do transporte de longa distância nas plantas ver Tópico 111 na internet Esses experimentos clássicos demonstraram que a retirada de um anel da casca ao redor do tronco de uma árvore re movendo o floema interrompe efetivamente o transporte de açúcar das folhas para as raízes sem alterar o trans porte de água pelo xilema Quando o uso de compostos radiativos tornouse possível em pesquisas o 14CO2 mar cado foi utilizado para demonstrar que os açúcares produ zidos pelo processo fotossintético são translocados pelos elementos crivados ver Tópico 111 na internet 01 mm Floema primário Xilema primário Bainha vascular Figura 111 Corte transversal de um feixe vascular de trevo Tri folium O floema primário aparece em direção à superfície externa do caule O floema e o xilema primários são circundados por uma bainha do feixe formada de células de esclerênquima com paredes espessas que isolam o sistema vascular do tecido fundamental Fi bras e vasos xilema estão corados em vermelho Floema secundário Câmbio vascular 3 2 1 Xilema secundário Medula Figura 112 Corte transversal de um caule de 3 anos de um indivíduo de freixo Fraxinus excelsior 27 Os números 1 2 e 3 indicam os anéis de crescimento no xilema secundário O floema secundário velho externo foi comprimido pela expansão do xilema Somente a camada mais recente mais interna do floema secundá rio é funcional Taiz11indd 286 Taiz11indd 286 27102016 144724 27102016 144724 Capítulo 11 Translocação no Floema 287 Os elementos crivados maduros são células vivas especializadas para translocação O conhecimento detalhado da ultraestrutura dos elemen tos crivados é crucial para qualquer discussão do mecanis mo de translocação no floema Os elementos crivados ma duros são únicos entre as células vegetais vivas Figuras 113 e 114 Eles carecem de muitas estruturas normal mente encontradas nas células vivas mesmo em células não diferenciadas a partir das quais os elementos crivados são formados Por exemplo os elementos crivados perdem seus núcleos e tonoplastos membranas dos vacúolos durante o desenvolvimento Os microfilamentos os mi crotúbulos o complexo de Golgi e os ribossomos também inexistem nas células maduras Além da membrana plas mática as organelas mantidas incluem algumas mito côndrias relativamente modificadas plastídios e retículo endoplasmático liso As paredes não são lignificadas em bora haja um espessamento secundário em alguns casos Desse modo a estrutura celular dos elementos cri vados difere daquela dos elementos traqueais do xilema Citoplasma Plastídio modificado Membrana plasmática Parede primária espessada Placa crivada Mitocôndria Núcleo Célula companheira Elemento de tubo crivado Vacúolo Plasmodesmos ramificados Retículo endoplasmático liso Proteína P Cloroplasto Poro da placa crivada Elemento de tubo crivado A Placa crivada Poro da placa crivada Área crivada lateral B Célula companheira Elementos de tubo crivado 2 μm Figura 113 Desenhos esquemáticos de elementos crivados maduros elemen tos de tubo crivado unidos para for mar um tubo crivado A Visão externa mostrando as placas crivadas e as áreas crivadas laterais B Corte longitudinal mostrando esquematicamente um tubo crivado formado pela união de dois ele mentos de tubo crivado Os poros nas pla cas crivadas entre os elementos de tubo crivado são canais abertos para transpor te através do tubo A membrana plasmá tica de um elemento de tubo crivado é contínua com a do tubo adjacente Cada elemento de tubo crivado está associado a uma ou mais células companheiras as quais assumem algumas das funções me tabólicas essenciais que são reduzidas ou perdidas durante a diferenciação dos elementos de tubo crivado Observe que a célula companheira apresenta muitas organelas citoplasmáticas enquanto o elemento de tubo crivado apresenta rela tivamente poucas organelas Uma célula companheira ordinária é representada aqui Figura 114 Imagem ao microscópio eletrônico de um corte transversal de células companheiras ordinárias e elementos de tubo crivado maduros Os componentes celulares são distribuídos ao lon go das paredes dos elementos de tubo crivado onde oferecem me nos resistência ao fluxo de massa De Warmbrodt 1985 Taiz11indd 287 Taiz11indd 287 27102016 144724 27102016 144724 288 Unidade II Bioquímica e Metabolismo os quais não apresentam membrana plasmática possuem paredes secundárias lignificadas e são mortos na maturi dade Como será visto adiante as células vivas são cruciais para o mecanismo de translocação no floema Grandes poros nas paredes celulares caracterizam os elementos crivados Os elementos crivados células crivadas e elementos de tubo crivado apresentam áreas crivadas características em suas paredes nas quais poros interconectam as células condutoras Figura 115 Os poros da área crivada variam em diâmetro de menos de 1 μm até aproximadamente 15 μm Ao contrário das áreas crivadas de gimnospermas as áreas crivadas de angiospermas podem se diferenciar em placas crivadas ver Figura 115 e Tabela 111 As placas crivadas apresentam poros maiores do que outras áreas crivadas na célula e em geral são encontradas nas paredes terminais dos elementos de tubo crivado onde as células individuais são unidas para formar séries longitudinais denominadas tubos crivados ver Figura 113 A distribuição dos conteúdos dos tubos crivados es pecialmente dentro dos poros da placa crivada tem sido debatida por muitos anos e é uma questão crítica quan do se considera o mecanismo de transporte do floema As primeiras micrografias mostravam poros bloqueados ou obstruídos o que se acreditava ser consequência de danos causados durante a preparação dos tecidos para a observa ção Ver na próxima página Elementos de tubo crivado TABELA 111 Características dos dois tipos de elementos crivados em espermatófitas Elementos de tubo crivado encontrados em angiospermas 1 Algumas áreas crivadas são diferenciadas em placas crivadas elementos de tubo crivado individuais são unidos em um tubo crivado 2 Os poros da placa crivada são canais abertos 3 A proteína P está presente em todas as eudicotiledôneas e em muitas monocotiledôneas 4 As células companheiras são fontes de ATP e talvez de outros compostos Em algumas espécies elas atuam como células de transferência ou intermediárias Células crivadas encontradas em gimnospermas 1 Não há placas crivadas todas as áreas crivadas são similares 2 Os poros nas áreas crivadas parecem bloqueados com membranas 3 Não há proteína P 4 As células albuminosas algumas vezes atuam como células companheiras B C D A Célula parenquimática Poros desobstruídos da placa crivada Elemento crivado Elemento crivado Parede entre os elementos crivados Célula companheira Placa crivada aberta Tampão de calose 5 μm 5 μm 2 μm 15 μm danificados são vedados Mais tarde técnicas menos in vasivas demonstraram que os poros da placa crivada de elementos de tubos crivados são canais abertos que per mitem o transporte sem restrições entre as células ver Figura 115AC Mais adiante neste capítulo uma seção Os poros da placa crivada parecem ser canais abertos Figura 115 Elementos crivados e poros da placa crivada Nas imagens A B e C os poros estão abertos isto é não obstruídos pela proteína P ou calose Os poros abertos proporcionam uma rota de baixa resistência para o transporte entre os elementos crivados A Imagem ao microscópio eletrônico de um corte longitudinal de dois elementos crivados maduros elementos de tubo crivado mos trando a parede entre os elementos crivados denominada placa crivada no hipocótilo de abóbora Cucurbita maxima B O deta lhe mostra os poros de uma placa crivada em vista frontal C e D Reconstruções tridimensionais de placas crivadas de Arabidopsis utilizando uma técnica de coloração que permite visualizar órgãos vegetais inteiros por microscopia a laser confocal Poros abertos da placa são visíveis em C enquanto um tampão de calose tal qual como é formada em resposta ao dano no tubo é visualizada em D A e B de Evert 1982 C e D de Truernit et al 2008 Taiz11indd 288 Taiz11indd 288 27102016 144724 27102016 144724 Capítulo 11 Translocação no Floema 289 considerará a distribuição de conteúdos de elementos cri vados dentro das células e nos poros da placa crivada Ao contrário dos poros em elementos de tubos crivados de angiospermas áreas crivadas em gimnospermas não pa recem ser canais abertos Todas as áreas crivadas nas gim nospermas como coníferas são estruturalmente similares embora possam ser mais numerosas nas paredes terminais sobrepostas das células crivadas Os poros das áreas criva das das gimnospermas reúnemse em grandes cavidades medianas no meio da parede celular O retículo endoplas mático liso REL recobre as áreas crivadas Figura 116 e é contínuo através dos poros crivados e da cavidade media na conforme indicado pela coloração específica do retículo endoplasmático RE A observação do material vivo com microscopia a laser confocal confirma que a distribuição observada do REL não é um artefato da fixação A Tabela 111 lista as características dos elementos de tubo crivado e das células crivadas Elementos de tubo crivado danificados são vedados A seiva do elemento de tubo crivado é rica em açúcares e outras moléculas orgânicas Seiva é um termo genérico utilizado para fazer referência ao conteúdo fluido das célu las vegetais Essas moléculas representam um investimen to energético para a planta e sua perda deve ser impedida quando os elementos de tubo crivado são danificados Os mecanismos de vedação de curto prazo envolvem proteínas da seiva enquanto o principal mecanismo de longo prazo para evitar a perda de seiva envolve o fechamento dos po ros da placa crivada com calose um polímero de glicose As principais proteínas do floema envolvidas na ve dação dos elementos crivados danificados são proteínas estruturais chamadas proteínas P ver Figura 113B Na literatura científica clássica a proteína P foi denominada mucilagem Os elementos de tubo crivado da maioria das angiospermas incluindo todas as eudicotiledôneas e mui tas monocotiledôneas são ricos em proteína P No entanto essa proteína está ausente em gimnospermas Ela ocorre em várias formas diferentes tubular fibrilar granular e crista lina dependendo da espécie e do estágio de maturação da célula Em células imaturas a proteína P é mais evidente como corpos distintos no citosol conhecidos como corpos de proteína P Esses corpos podem ser esferoidais fusifor mes ou torcidos e em espiral Eles geralmente assumem as formas tubular ou fibrilar durante a maturação da célula A proteína P parece agir na vedação de elementos cri vados danificados mediante obstrução dos poros das pla cas crivadas Os tubos crivados estão sob uma pressão de turgor interna muito alta e os elementos crivados em um tubo crivado estão conectados pelos poros abertos das pla cas crivadas Quando um tubo crivado é cortado ou per furado a diminuição da pressão provoca o deslocamento do conteúdo dos elementos crivados em direção à extremi dade cortada podendo levar a planta a perder muita seiva do floema rica em açúcar se não houvesse um mecanismo de vedação Entretanto quando esse deslocamento ocorre a proteína P e outras inclusões celulares ficam presas nos poros da placa crivada auxiliando na vedação do elemento crivado e na prevenção da perda adicional de seiva O apoio científico para a função de vedação da proteína P foi en contrado em tabaco e Arabidopsis nos quais mutantes ca rentes de proteína P perdem significativamente mais açúcar transportado por exsudação da seiva após um ferimento do que as plantas selvagens Para mais informações sobre ex sudação ver adiante A seiva do floema pode ser coletada e analisada Não foram observadas diferenças fenotípicas visíveis entre as plantas mutantes e de tipo selvagem Os cristais de proteínas liberados pela ruptura de plastídios podem exercer função semelhante de vedação em algumas monocotiledôneas como a proteína P em eu dicotiledôneas Por outro lado as organelas mitocôndrias plastídios e RE dos elementos crivados parecem estar pre sas umas às outras e à membrana do elemento crivado por grampos de proteínas muito pequenas As organelas que estão ancoradas dependem da espécie Outro mecanismo para bloquear os tubos crivados da nificados ocorre em plantas na família das leguminosas Fa baceae Essas plantas contêm grandes corpos de proteína P cristaloides que não se dispersam durante o desenvolvimen to Contudo após um dano ou choque osmótico a proteína P rapidamente difundese e bloqueia o tubo crivado O proces so é reversível e controlado por íons cálcio Essas proteínas P conhecidas como forissomos ocorrem em certas legumi nosas e são codificadas por membros da família de genes de oclusão de tubo crivado SEO sieve element occlusion 1 μm Célula crivada Célula crivada REL ac Célula crivada REL P ac P Figura 116 Imagens ao microscópio eletrônico ilustrando uma área crivada ac ligando duas células crivadas em conífera Pinus resinosa O retículo endoplasmático liso REL recobre a área crivada em ambos os lados e é também encontrado nos poros e na cavi dade mediana estendida Esses poros obstruídos resultam na alta resistência ao fluxo de massa entre as células crivadas P plastídio De Schulz 1990 Taiz11indd 289 Taiz11indd 289 27102016 144724 27102016 144724 290 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Membros homólogos dessa família gênica codificam proteínas P convencionais em outras espécies sendo de nominados genes SEOR genes relacionados à oclusão de tubo crivado de sieve element occlusion related Assim o termo proteína P inclui moléculas semelhantes que estão envolvidas no bloqueio de tubos crivados danificados em todas as angiospermas eudicotiledôneas bem como pro teínas P especiais como os forissomos PP1 e PP2 encon trados em Cucurbita maxima ver Tópico 112 na internet Uma solução de longo prazo para o dano no tubo crivado é a produção de calose um polímero de glicose nos poros da placa crivada Figura 115D A calose um β13glucano é sintetizada por uma enzima na membrana plasmática calose sintase e depositada entre a membrana e a parede celular A calose é sintetizada em um elemento crivado funcional em resposta à lesão e a outros estresses como estímulo mecâni co e altas temperaturas ou em preparação para os eventos normais do desenvolvimento como a dormência O depósito de calose de lesão nos poros da placa crivada isola de ma neira eficiente os elementos crivados danificados do tecido intacto adjacente sendo que a oclusão completa ocorre cerca de 20 minutos após o ferimento Em todos os casos à me dida que os elementos crivados se recuperam das lesões ou quebram a dormência a calose desaparece desses poros sua dissolução é mediada por uma enzima que hidrolisa a calose Enquanto mutantes de Arabidopsis e tabaco sem proteína P não exibem alterações fenotípicas visíveis mutantes de Ara bidopsis sem uma das enzimas caloses sintase mostram redu ção do crescimento da inflorescência aparentemente devido ao transporte reduzido de assimilados até ela A deposição da calose é induzida e os genes para calo se sintase são positivamente regulados em plantas de arroz Oryza sativa atacadas por insetos sugadores de floema ga fanhoto castanho Nilaparvata lugens isso ocorre tanto em plantas resistentes quanto em plantas suscetíveis ao inseto No entanto nas plantas suscetíveis a alimentação dos inse tos também ativa a enzima de hidrólise da calose Isso deso bstrui os poros permitindo a alimentação contínua e resulta na diminuição dos níveis de sacarose e amido na bainha da folha atacada Dessa forma a vedação de elementos crivados que tenham sido penetrados pelas peças bucais de insetos pode ter papel importante na resistência a herbívoros As células companheiras dão suporte aos elementos crivados altamente especializados Cada elemento de tubo crivado está associado a uma ou mais células companheiras ver Figuras 113B 114 e 115 A divisão de uma única célulamãe forma o elemento de tubo crivado e a célula companheira Numerosos plasmo desmos ver Capítulo 1 atravessam as paredes entre os elementos de tubo crivado e suas células companheiras os plasmodesmos frequentemente são complexos e rami ficados no lado da célula companheira A abundância de plasmodesmos sugere uma relação funcional estrita entre o elemento crivado e sua célula companheira uma asso ciação que é demonstrada pela rápida troca de solutos como corantes fluorescentes entre as duas células As células companheiras exercem um papel no trans porte dos produtos fotossintéticos das células produtoras nas folhas maduras para os elementos crivados nas ner vuras foliares menores Elas também assumem algumas das funções metabólicas críticas como a síntese proteica que são reduzidas ou perdidas durante a diferenciação dos elementos crivados Além disso as numerosas mitocôn drias das células companheiras podem fornecer energia na forma de ATP aos elementos crivados Há pelo menos três tipos diferentes de células compa nheiras nas nervuras menores das folhas maduras exporta doras células companheiras ordinárias células de trans ferência e células intermediárias Esses três tipos de células apresentam citoplasma denso e mitocôndrias abundantes As células companheiras ordinárias Figura 117A apresentam cloroplastos com tilacoides bem desenvol vidos e uma parede celular com superfície interna lisa O número de plasmodesmos conectando essas células às células adjacentes é variável e aparentemente reflete a rota de movimento dos açúcares à medida que estes se deslocam do mesofilo até as nervuras menores discutido na seção Carregamento do floema As células de transferência são semelhantes às célu las companheiras ordinárias com exceção do desenvolvi mento de invaginações da parede do tipo interdigitações em particular nas paredes celulares da face oposta ao ele mento crivado Figura 117B Essas invaginações da parede aumentam a área de superfície da membrana plasmática tornando maior o potencial de transferência de soluto atra vés da membrana Relativamente poucos plasmodesmos conectam esse tipo de célula a qualquer uma das células adjacentes exceto seu próprio elemento crivado Como consequência o simplasto do elemento crivado e sua célula de transferência são relativamente se não completamente isolados do simplasto das células adjacentes As células pa renquimáticas do xilema também podem ser modificadas como células de transferência servindo provavelmente para recuperar e redirecionar os solutos em movimento no xilema o qual também faz parte do apoplasto As células de transferência são mais frequentes nas intersecções na rota floemática bem como no floemafonte e nas rotas de des carregamento póselemento crivado Embora os simplastos das células de transferência e de algumas células companheiras ordinárias estejam relativamente isolados das células adjacentes há alguns plasmodesmos nas paredes dessas células A função deles não é conhecida O fato de estarem presentes indica que eles devem possuir uma função importante visto que o custo de possuílos é alto eles são as vias pelas quais os vírus se tornam sistêmicos na planta Entretanto são difí ceis de estudar por serem bastante inacessíveis Ao contrário das células de transferência as células intermediárias parecem ser apropriadas para a absorção de solutos por meio de conexões citoplasmáticas Figura 117C As células intermediárias apresentam numerosos plasmodesmos que as conectam com as células da bainha do feixe vascular Embora a presença de muitas conexões Taiz11indd 290 Taiz11indd 290 27102016 144724 27102016 144724 Capítulo 11 Translocação no Floema 291 por plasmodesmos às células adjacentes seja seu aspec to mais característico as células intermediárias também se distinguem por possuírem numerosos vacúolos bem como tilacoides pouco desenvolvidos e ausência de grãos de amido nos cloroplastos Em geral as células de transferência são encontradas nos vegetais que apresentam uma etapa apoplástica na transferência de açúcares das células do mesofilo aos ele mentos crivados As células de transferência transportam açúcares do apoplasto para o simplasto dos elementos cri vados e células companheiras na fonte Por outro lado as células intermediárias atuam no transporte simplástico de açúcares das células do mesofilo aos elementos de tubo cri vado Nas folhasfonte as células companheiras ordinárias podem atuar no transporte de longa distância via simplas to ou apoplasto dependendo em parte da quantidade de plasmodesmos ver seção Carregamento do floema Padrões de translocação fontedreno No floema a seiva não é transportada apenas na direção as cendente ou descendente e a translocação no floema não é determinada pela gravidade A seiva é na maior parte das vezes translocada das áreas de produção denominadas fon tes para as áreas de metabolismo ou armazenamento cha madas drenos Como consequência de sua função no trans porte de açúcares os elementos de tubo crivado das fontes são frequentemente referidos como floema de coleta os tu bos crivados da rota de conexão como floema de transporte e os elementos crivados dos drenos como floema de entrega As fontes incluem órgãos exportadores geralmente folhas maduras que são capazes de produzir fotossintatos além de suas necessidades O termo fotossintato refere se aos produtos da fotossíntese Outro tipo de fonte é um órgão de reserva que exporta durante determinada fase de seu desenvolvimento Por exemplo a raiz da beterra ba selvagem bianual Beta maritima é um dreno durante a estação de crescimento do primeiro ano quando acumula açúcares provenientes das folhasfonte Durante a segunda estação de crescimento a mesma raiz tornase uma fonte os açúcares são remobilizados e utilizados para produzir uma nova parte aérea que por fim tornase reprodutiva Os drenos incluem órgãos não fotossintéticos dos vegetais e órgãos que não produzem fotossintatos em A C B Célula companheira ordinária Elementos crivados Elementos crivados Célula intermediária Célula intermediária Invaginações da parede Célula de transferência Plasmodesmos Elemento crivado Células da bainha do feixe Célula parenquimática vascular Célula parenquimática Figura 117 Imagens ao microscópio eletrônico de células com panheiras nas nervuras de menor porte das folhas maduras A Três elementos crivados contíguos a duas células intermediárias e uma célula companheira ordinária menos densa em uma nervura menor de Mimulus cardinalis 6585x B Um elemento crivado adjacente à célula de transferência com numerosas invaginações da parede em ervilha Pisum sativum 8020x Essas invaginações aumentam consideravelmente a área de superfície da membrana plasmática da célula de transferência tornando maior o transporte de materiais do mesofilo para os elementos crivados C Uma célula intermediária típica com numerosos campos de plasmodesmos setas fazendo conexão com as células da bainha do feixe vascular adjacente Esses plasmodesmos são ramificados em ambos os lados mas as ramifi cações são mais longas e mais estreitas no lado da célula interme diária O floema das nervuras secundárias foi obtido da flormáscara Alonsoa warscewiczii 4700 A e C de Turgeon et al 1993 cortesia de R Turgeon B de Brentwood e Cronshaw 1978 Taiz11indd 291 Taiz11indd 291 27102016 144724 27102016 144724 292 Unidade II Bioquímica e Metabolismo quantidade suficiente para suas próprias necessidades de crescimento ou de reserva As raízes os tubérculos os fru tos em desenvolvimento e as folhas imaturas que devem importar carboidratos para seu desenvolvimento normal são exemplos de tecidosdreno Os estudos de anelamento e de marcação radioativa dão suporte ao padrão de trans locação fontedreno no floema Figura 118A Embora o padrão geral de transporte no floema possa ser dito simplesmente como um movimento fontedreno as rotas específicas envolvidas costumam ser mais com plexas dependendo da proximidade do desenvolvimento das conexões vasculares Figura 118B e da modificação das rotas de translocação Nem todas as fontes suprem to dos os drenos em uma planta ao contrário certas fontes suprem drenos específicos ver Tópico 111 na internet Materiais translocados no floema A água é a substância mais abundante no floema Os so lutos translocados incluindo carboidratos aminoácidos hormônios alguns íons inorgânicos RNA e proteínas além de alguns compostos secundários envolvidos na de fesa e na proteção estão dissolvidos em água Os carboi dratos são os solutos mais importantes e mais concentra dos na seiva do floema Tabela 112 sendo a sacarose o açúcar mais comumente transportado nos elementos cri vados Há sempre alguma sacarose na seiva dos elementos crivados podendo atingir concentrações de 03 a 09 M Os açúcares os íons potássio bem como os aminoácidos e suas amidas são as principais moléculas que contribuem para o potencial osmótico do floema A identificação completa de solutos móveis no floema e que têm uma função significativa tem se mostrado di fícil nenhum método de amostragem da seiva do floema é completamente livre de artefatos ou fornece um quadro completo de solutos móveis Essa discussão será iniciada com um breve exame dos métodos disponíveis de amos tragem seguindo com a descrição dos solutos que normal mente são aceitos como substâncias móveis no floema A seiva do floema pode ser coletada e analisada A coleta da seiva do floema é um desafio experimental devido à alta pressão de turgor nos elementos crivados e reações às lesões têm sido descritas ver Elementos de tubo crivado danificados são vedados e Tópico 113 na internet Devido aos processos que obstruem os poros da placa crivada apenas algumas espécies exsudam seiva do floema dos ferimentos que danificam elementos crivados Desafios e problemas consideráveis apresentamse quan do a seiva exsudada é coletada de cortes ou ferimentos As amostras iniciais podem ser contaminadas pelo conteúdo das células adjacentes danificadas Além de obstruir os poros da placa crivada a súbi ta liberação de pressão em elementos crivados pode perturbar organelas celulares e proteínas e até mesmo puxar substâncias das células vizinhas especialmente as células companheiras Esperase que alguns mate TABELA 112 Composição da seiva do floema de mamona Ricinus communis coletada como exsudado de cortes no floema Componente Concentração mg mL1 Açúcares 80106 Aminoácidos 52 Ácidos orgânicos 232 Proteína 14522 Potássio 2344 Cloreto 03550675 Fosfato 035055 Magnésio 01090122 Fonte Hall e Baker 1972 14 9 4 1 12 7 15 10 2 5 13 8 11 3 6 A 14CO2 B Feixes vasculares Figura 118 Padrões de translocação fontedreno no floema A Distribuição de radiatividade de uma única folha fonte marcada radiativamente em uma planta intacta A distri buição de radiatividade nas folhas da beterraba Beta vulgaris foi determinada uma semana após a aplicação de 14CO2 por 4 horas a uma única folhafonte seta O grau de marcação radiativa está indicado pela intensidade de sombreamento das folhas As folhas estão numeradas de acordo com a idade a mais jovem recentemente desenvolvida é designada 1 O 14C foi translocado principalmente para as folhasdreno diretamen te acima da folhafonte ou seja folhasdreno no mesmo or tóstico das folhasfonte p ex as folhas 1 e 6 são folhasdreno diretamente acima da folhafonte 14 B Visão longitudinal de uma estrutura tridimensional no floema de um corte espesso de um entrenó de dália Dahlia pinnata após clareamento coloração com azul de anilina e observação sob microscópio de epifluorescência As placas crivadas são vistas como pequenos pontos numerosos devido à coloração amarela da calose nas áreas crivadas Dois grandes feixes vasculares são proeminen tes Essa coloração revela os delicados tubos crivados formando a rede do floema duas anastomoses do floema interconexões vasculares estão indicadas com setas A com base nos dados de Joy 1964 B cortesia de R Aloni Taiz11indd 292 Taiz11indd 292 27102016 144725 27102016 144725 Capítulo 11 Translocação no Floema 293 riais como a subunidade pequena da ribulose bifos fato carboxilase estejam presentes apenas em tecidos que circundam o floema a não detecção desses mate riais na seiva coletada fornece evidências de que não houve contaminação por tecidos adjacentes O exsudado é substancialmente diluído pelo influxo de água a partir do xilema e das células adjacentes quando a pressãotensão no tecido vascular é aliviada A seiva de cucurbitáceas tem sido utilizada em muitos estudos de materiais translocados Espécies dessa fa mília como pepino Cucumis sativa e abóbora C ma xima apresentam floema complexo incluindo elemen tos crivados tanto internos como externos ver seção Rotas de translocação anteriormente assim como ele mentos crivados externos aos feixes vasculares Além das preocupações já mencionadas a fonte de exsudado nessas espécies pode ser qualquer um dos tubos criva dos presentes e pode diferir entre as espécies A exsudação da seiva a partir de pecíolos ou hastes cor tados aumentada pela inclusão de EDTA no fluido coletado também tem sido utilizada em vários estudos Os agentes quelantes como EDTA ligamse aos íons cálcio e inibem a síntese de calose que requer íons cálcio permitindo assim que a exsudação ocorra por períodos prolongados No en tanto a exsudação em EDTA está sujeita a vários problemas técnicos adicionais como o vazamento de solutos incluindo hexoses dos tecidos afetados além de não ser um método confiável de obtenção de seiva de floema para análise A abordagem preferencial é o uso do estilete de um afídeo como uma seringa natural Os afídeos são pe quenos insetos que se alimentam inserindo suas peças bucais constituídas de quatro estiletes tubulares em um único elemento crivado de uma folha ou caule A seiva pode ser coletada dos estiletes cortados do corpo do in seto normalmente com laser após o afídeo ter sido anes tesiado com CO2 A alta pressão de turgor no elemento crivado força os conteúdos celulares pelo estilete até a extremidade cortada onde podem ser coletados No en tanto as quantidades de seiva coletadas são pequenas e o método é tecnicamente difícil Além disso a exsuda ção em estiletes excisados pode continuar por horas su gerindo que substâncias na saliva do afídeo impedem a ação do mecanismo normal de cicatrização dos elementos crivados e potencialmente alteram o conteúdo da seiva Apesar disso esse método resulta em seiva relativamente pura dos elementos crivados e das células companheiras e fornece uma ideia razoavelmente precisa sobre a com posição da seiva do floema ver Tópico 113 na internet Os açúcares são translocados na forma não redutora Os resultados de muitas análises da seiva coletada indicam que os carboidratos translocados são açúcares não reduto res Açúcares redutores como as hexoses glicose e frutose contêm um grupo aldeído ou cetona exposto Figura 119A Em um açúcar não redutor como a sacarose o grupo cetona ou aldeído é reduzido a um álcool ou combinado com um grupo semelhante em outro açúcar Figura 119B A maioria dos pesquisadores acredita que os açúcares não redutores são os principais compostos translocados no floema pois eles são menos reativos do que seus equi valentes redutores Na verdade açúcares redutores como hexoses são bastante reativos e podem representar uma ameaça como as espécies reativas de oxigênio e nitrogê nio Os animais podem tolerar o transporte de glicose pois ela está presente em concentrações relativamente baixas no sangue mas hexoses não podem ser toleradas no floema onde níveis muito elevados de açúcar são mantidos Me canicamente as hexoses são sequestradas nos vacúolos de células vegetais e por isso não têm acesso direto ao floema A sacarose é o açúcar mais comumente translocado muitos dos outros carboidratos móveis contêm sacarose ligada a um número variado de moléculas de galactose A rafinose consiste em sacarose e uma molécula de galac tose a estaquiose consiste em sacarose e duas moléculas de galactose e a verbascose consiste em sacarose e três moléculas de galactose ver Figura 119B Os açúcares alcoóis translocados incluem manitol e sorbitol Outros solutos são translocados no floema O nitrogênio é encontrado no floema principalmente na forma de aminoácidos e amidas em especial glutama to e aspartato e suas respectivas amidas glutamina e asparagina Os níveis de aminoácidos e ácidos orgânicos observados variam muito até na mesma espécie mas eles em geral são baixos quando comparados aos carboidra tos Ver Tópico 114 na internet para mais informações sobre o transporte do nitrogênio no floema Vários tipos de proteínas e RNAs estão presentes na seiva do floema em concentrações relativamente baixas Os RNAs encon trados no floema incluem mRNAs RNAs de patógenos e pequenos RNAs reguladores Quase todos os hormônios vegetais endógenos in cluindo auxinas giberelinas citocininas e ácido abscísico foram encontrados em elementos crivados Acreditase que o transporte de longa distância de hormônios es pecialmente a auxina ocorra pelo menos em parte nos elementos crivados Os nucleotídeos fosfato também são encontrados na seiva do floema Alguns solutos inorgânicos movemse no floema in cluindo potássio magnésio fosfato e cloreto ver Tabela 112 Por outro lado nitrato cálcio enxofre e ferro são re lativamente imóveis no floema As proteínas encontradas no floema incluem as proteí nas P estruturais como a PP1 e a PP2 envolvidas na obstru ção dos elementos crivados danificados assim como várias proteínas hidrossolúveis As funções de muitas dessas pro teínas estão relacionadas ao estresse e às reações de defesa ver tabela no Tópico 1112 na internet As possíveis fun ções dos RNAs e das proteínas como moléculas de sinali zação são discutidas posteriormente no final deste capítulo Taiz11indd 293 Taiz11indd 293 27102016 144725 27102016 144725 294 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Dglicose Dfrutose Dmanose Dmanitol Aldeído Os grupos redutores são os grupos aldeídos glicose e manose e os grupos cetona frutose Cetona Aldeído A Açúcares reduzidos que normalmente não são translocados no floema B Compostos normalmente translocados no floema Açúcarálcool Açúcar não redutor Aminoácido Ácido glutâmico Ácido alantoico Alantoína Ureides Citrulina Amida Glutamina Galactose Galactose Galactose Glicose Frutose A sacarose é o dissacarídeo formado a partir de uma molécula de glicose e uma de frutose A rafinose a estaquiose e a verbascose contêm sacarose ligada a uma duas ou três moléculas de galactose respectivamente O ácido glutâmico um aminoácido e a glutamina sua amida são compostos nitrogenados importantes no floema além do aspartato e da asparagina Espécies com nódulos fixadores de nitrogênio também utilizam ureides como formas de transporte de nitrogênio O manitol é um açúcarálcool formado da redução de um grupo aldeído da manose Estaquiose Verbascose Rafinose Sacarose H C C C OH H O HO C H H C OH H CH2OH OH C CH2OH C O HO C H H C OH H CH2OH OH HO C C C H H O HO C H H C OH H CH2OH OH OH HO HO O O CH2 CH2OH OH HO HO O O CH2 OH HO HO O O CH2 OH OH HO O O OH HO O CH2OH HOH2C C CH2OH C H HO C H HO H C OH H CH2OH OH C HO O C C C C OH H H H H H H H N O C H2N O C C C C OH H H H H H H H N O C C H2N O N C OH H H N C H2N O H O C HN C N H C NH2 NH O O H C N COOH CH2CH2CH2C H2N H O H C O NH2 Figura 119 Estrutura dos A compostos que normalmente não são translocados no floema e B daqueles normalmente trans locados Taiz11indd 294 Taiz11indd 294 27102016 144725 27102016 144725 Capítulo 11 Translocação no Floema 295 Taxa de movimento Nas primeiras publicações sobre as taxas de transporte no floema as unidades de velocidade utilizadas eram centí metros por hora cm h1 e as unidades de transferência de massa eram gramas por hora por centímetro quadrado g h1 cm2 de floema ou de elementos crivados As uni dades atualmente utilizadas unidades SI são metros m ou milímetros mm para comprimento segundos s para tempo e quilogramas kg para massa As velocidades re latadas nesses estudos foram convertidas para as unidades SI e estão indicadas entre parênteses a seguir A taxa de movimento de materiais nos elementos cri vados pode ser expressa de duas maneiras como veloci dade a distância linear percorrida por unidade de tempo ou como taxa de transferência de massa a quantidade de material que passa por determinada secção transversal do floema ou dos elementos crivados por unidade de tem po Tem sido dada preferência às taxas de transferência de massa com base na área de secção transversal dos elemen tos crivados pois eles são as células condutoras do floema Os valores das taxas de transferência de massa variam en tre 1 e 15 g h1 cm2 de elementos crivados em unidades SI 28417 μg s1 mm2 ver Tópico 115 na internet Tanto as velocidades quanto as taxas de transferência de massa podem ser medidas com marcadores radiativos os métodos de medida de taxas de transferência de massa estão descritos no Tópico 115 na internet No tipo mais simples de experimento para medição de velocidade o CO2 marca do com 11C ou 14C é aplicado por um breve período à folha fonte pulso de marcação e a chegada da marca radiativa ao tecidodreno ou a um ponto especial ao longo da rota é monitorada com um detector de radiação apropriado Em geral as velocidades medidas por várias técnicas convencionais atingem em média 1 m h1 028 mm s1 variando de 03 a 15 m h1 em unidades SI 008042 mm s1 Uma medida recente de velocidade utilizando espec trometria de ressonância magnética e imagens de ressonân cia magnética resultou na velocidade média de 025 mm s1 em mamonas o que se assemelha à média obtida pelos mé todos tradicionais As velocidades de transporte no floema são bastante altas muito além da taxa de difusão em gran des distâncias Qualquer mecanismo proposto para translo cação no floema deve levar em conta essas altas velocidades Modelo de fluxo de pressão um mecanismo passivo para a translocação no floema O mecanismo mais amplamente aceito de translocação no floema de angiospermas é o modelo de fluxo de pressão Esse modelo explica a translocação no floema como um fluxo de solução fluxo de massa governado por um gra diente de pressão gerado osmoticamente entre a fonte e o dreno Esta seção descreve o modelo de fluxo de pressão as previsões decorrentes de fluxo de massa e os dados tanto os que corroboram quanto os que desafiam o mode lo No final da seção a possibilidade de aplicação do mo delo em gimnospermas é brevemente discutida Nas primeiras pesquisas sobre a translocação no floema tanto os mecanismos ativos quanto os passivos foram considerados Todas as teorias ativas e passivas supõem uma necessidade de energia tanto nas fontes quanto nos drenos Nas fontes a energia é necessária para sintetizar os materiais para o transporte e em alguns ca sos mover o fotossintato para os elementos crivados por transporte ativo de membrana O movimento de fotossin tatos nos elementos crivados é chamado de carregamento do floema e é discutido em detalhes mais adiante neste capítulo Nos drenos a energia é essencial para alguns aspectos do movimento dos elementos crivados para as célulasdreno as quais armazenam ou metabolizam o açúcar Esse movimento do fotossintato dos elementos cri vados para as célulasdreno é chamado de descarregamento do floema e também é discutido posteriormente Os mecanismos passivos do transporte no floema supõem ainda que é necessária energia nos elementos de tubo crivado da rota entre as fontes e os drenos simples mente para manter estruturas como membrana plasmática e recuperar açúcares que vazaram do floema O modelo de fluxo de pressão é um exemplo de mecanismo passivo As teorias de mecanismos ativos por outro lado postulam um gasto adicional de energia pelos elementos de tubo crivado da rota para acionar a translocação Enquanto as teorias ativas foram em grande parte desconsideradas o interes se em certos aspectos desses modelos pode ser renovado com base em observações de pressões presentes em plan tas grandes como árvores Ver discussão Os gradientes de pressão nos elementos crivados podem ser moderados Um gradiente de pressão gerado osmoticamente aciona a translocação no modelo de fluxo de pressão A difusão é um processo muito lento para ser responsá vel pelas velocidades de movimento de solutos observadas no floema As velocidades de translocação são em média de 1 m h1 a taxa de difusão seria de 1 m em 32 anos Ver Capítulo 3 para a discussão sobre as velocidades de difusão e as distâncias nas quais a difusão representa um mecanismo efetivo de transporte O modelo de fluxo de pressão inicialmente propos to por Ernst Münch em 1930 defende que um fluxo de so lução nos elementos crivados é acionado por um gradiente de pressão gerado osmoticamente entre a fonte e o dreno Ψp O carregamento do floema na fonte e o descarrega mento no dreno estabelecem o gradiente de pressão Como será visto mais adiante ver seção O carregamento do floema pode ocorrer via apoplasto ou simplasto existem três diferentes mecanismos de geração de altas concentrações de açúcares nos elementos crivados da fonte o metabolis mo fotossintético no mesofilo a conversão de fotoassimi lados para o transporte de açúcares em células intermediá rias aprisionamento de polímeros e o transporte ativo de membrana Lembrese do Capítulo 3 Equação 35 que Ψ Taiz11indd 295 Taiz11indd 295 27102016 144725 27102016 144725 296 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Ψs Ψp isto é Ψp Ψ Ψs Nos tecidosfonte o acúmulo de açúcares nos elementos crivados gera um potencial de soluto baixo negativo Ψs e causa uma queda acentuada no potencial hídrico Ψ Em resposta ao gradiente de po tencial hídrico a água entra nos elementos crivados e causa o aumento da pressão de turgor Ψp Na extremidade receptora da rota de translocação o descarregamento do floema leva a uma menor concen tração de açúcar nos elementos crivados gerando um po tencial de soluto mais alto mais positivo dos elementos crivados dos tecidosdreno À medida que o potencial hí drico do floema aumenta acima daquele do xilema a água tende a deixar o floema em resposta ao gradiente de po tencial hídrico provocando um decréscimo na pressão de turgor nos elementos crivados do dreno A Figura 1110 ilustra a hipótese do fluxo de pressão a figura mostra es pecificamente o caso no qual o transporte ativo de mem brana a partir do apoplasto gera uma concentração de açú car alta nos elementos crivados da fonte A seiva do floema movese mais por fluxo de massa do que por osmose Assim nenhuma membrana é trans posta durante o transporte de um tubo crivado para outro e os solutos movemse na mesma velocidade das molécu las de água Dessa forma o fluxo de massa pode ocorrer de um órgãofonte com um potencial hídrico mais baixo para um órgãodreno com potencial hídrico mais alto ou viceversa dependendo dos tipos de órgãofonte e dreno De fato a Figura 1110 ilustra um exemplo no qual o fluxo ocorre contra o gradiente de potencial hídrico Esse movi mento da água não transgride as leis da termodinâmica pois é um exemplo de fluxo de massa o qual é acionado por um gradiente de pressão ao contrário da osmose que é acionada por um gradiente de potencial hídrico De acordo com o modelo de fluxo de pressão o movi mento na rota de translocação é acionado pelo transporte de solutos e água para os elementos crivados da fonte e para fora dos elementos crivados do dreno A transloca ção passiva impulsionada por pressão e em longas distân cias nos tubos crivados depende em última instância dos mecanismos envolvidos no carregamento e no descarre gamento do floema Esses mecanismos são responsáveis pelo estabelecimento do gradiente de pressão Algumas previsões do modelo de fluxo de pressão têm sido confirmadas enquanto outras necessitam de experimentos adicionais Algumas previsões importantes surgem a partir do mo delo de translocação no floema como fluxo de massa su pradescrito O transporte bidirecional real ie o transporte si multâneo em ambas as direções não pode ocorrer Elemento de vaso xilema Elementos crivados floema Célula companheira Ψ 08 MPa Ψp 07 MPa Ψs 01 MPa H2O H2O H2O H2O Ψ 06 MPa Ψp 05 MPa Ψs 01 MPa O descarregamento do floema aumenta o potencial de soluto a água sai e provoca uma pressão de turgor mais baixa O carregamento ativo do floema para os elementos crivados causa diminuição do potencial de soluto a água entra e causa alta pressão de turgor Ψ 04 MPa Ψp 03 MPa Ψs 07 MPa H2O Célulafonte H2O Céluladreno Fluxo de massa da água e de soluto gerado por pressão da fonte para o dreno Sacarose Sacarose Corrente de transpiração Ψ 11 MPa Ψp 06 MPa Ψs 17 MPa Açúcar na fonte aqui ilustrado como sacarose esferas vermelhas é carregado ativamente no complexo elemento de tubo crivadocélula companheira No dreno os açúcares são descarregados Figura 1110 Modelo de translocação por fluxo de pressão no floema Estão indicados os valores possíveis de Ψ Ψ p e Ψ s no xilema e no floema De Nobel 2005 Taiz11indd 296 Taiz11indd 296 27102016 144725 27102016 144725 Capítulo 11 Translocação no Floema 297 em um único elemento crivado Um fluxo de mas sa de solução impede esse movimento bidirecional pois uma solução pode fluir apenas em uma direção em um tubo em determinado tempo Os solutos no floema podem moverse bidirecionalmente mas em diferentes elementos crivados ou em tempos diferen tes Além disso a água e os solutos devem se mover na mesma velocidade em uma solução de fluxo Grandes gastos de energia não são necessários para impulsionar a translocação nos tecidos ao longo do trajeto Portanto tratamentos que restringem o su primento de ATP no trajeto como baixa temperatura anoxia e inibidores metabólicos não deveriam parar a translocação Entretanto é necessário haver energia para manter a estrutura dos elementos crivados para recarregar qualquer açúcar perdido do apoplasto por vazamento e talvez para recarregar açúcares na extre midade do elemento crivado O lume do elemento crivado e os poros da placa crivada devem estar desobstruídos Se a proteína P ou outros materiais obstruíssem os poros a resistência ao fluxo da seiva do elemento crivado poderia ser demasiada mente grande A hipótese de fluxo de pressão demanda a presença de um gradiente de pressão positivo com a pressão de turgor mais alta nos elementos crivados das fontes que nos elementos dos drenos De acordo com a ideia tradicional do fluxo de massa a diferença de pressão deve ser grande o suficiente para superar a resistência da rota e manter o fluxo nas velocidades observadas Assim os gradientes de pressão devem ser maiores nas rotas de transporte de longa distância como em árvores do que nas rotas de transporte de curta dis tância como em plantas herbáceas A evidência disponível a partir do teste dessas previsões é apresentada a seguir Não há transporte bidirecional em um único elemento crivado e solutos e água movemse na mesma velocidade Os pesquisadores têm investigado o transporte bidirecional por meio da aplicação de dois traçadores radiativos diferen tes em duas folhasfonte uma acima da outra Cada folha recebe um dos traçadores e um ponto entre as duas fontes é monitorado quanto à presença de ambos os traçadores O transporte em duas direções tem sido detectado com frequência em elementos crivados de diferentes feixes vasculares nos caules Ele também foi constatado nos ele mentos crivados adjacentes do mesmo feixe em pecíolos O transporte bidirecional em elementos crivados adjacen tes pode ocorrer no pecíolo de uma folha que esteja em transição entre dreno e fonte e simultaneamente importe e exporte fotossintatos através de seu pecíolo No entanto o transporte bidirecional em um único elemento crivado nunca foi demonstrado As velocidades medidas para o transporte no floema são notavelmente semelhantes sendo medidas com a utili zação de solutos marcados com carbono ou usando técnicas de ressonância magnética que detectam o fluxo de água Solutos e água movimentamse na mesma velocidade Ambas as observações falta de transporte bidirecio nal em um único elemento crivado e velocidades seme lhantes para solutos e água apoiam a existência de fluxo de massa nos elementos crivados do floema A necessidade de energia para o transporte no floema é pequena em plantas herbáceas Nas plantas herbáceas que sobrevivem a períodos de baixa temperatura como a beterraba Beta vulgaris o rápido res friamento de um segmento do pecíolo de uma folhafonte a cerca de 1C não causa inibição contínua do transporte de massa para fora da folha Figura 1111 Mais propriamen te há um breve período de inibição de minutos a poucas horas após o qual o transporte retorna lentamente à ve locidade controle O resfriamento reduz em cerca de 90 a taxa de respiração bem como a síntese e o consumo de ATP no pecíolo ao mesmo tempo em que a translocação é recuperada e prossegue normalmente Esses experimentos demonstram que a necessidade de energia para o trans porte através do floema dessas plantas é pequena coerente com a hipótese do fluxo de pressão Muitos dos efeitos dos tratamentos de resfriamento têm de fato sido atribuídos aos mecanismos de perda e recuperação ao longo do traje to em vez de ao próprio mecanismo de transporte Experimentos de resfriamento em plantas grandes como árvores em geral estendemse por longos períodos dias a algumas semanas Muitas vezes o resfriamento da haste nesses experimentos inibe o transporte no floema durante o período de tratamento No entanto os métodos utilizados para avaliar o transporte como as taxas de cres 60 40 20 50 30 10 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 460 Tempo min Taxa de translocação μg C min1 dm2 30C 1C 25C Figura 1111 A necessidade de energia para a translocação no trajeto é pequena em plantas herbáceas A perda de energia metabólica resultante do resfriamento do pecíolo da folhafonte reduz parcialmente a taxa de translocação na beterraba Entretan to a taxa de translocação é recuperada com o tempo apesar de a produção e a utilização do ATP serem fortemente inibidas por resfriamento 14CO2 marcado foi fornecido a uma folhafonte e um segmento de 2 cm de seu pecíolo foi resfriado a 1oC A translocação foi monitorada pela chegada do 14C à folhadreno 1 dm decíme tro 01 m De Geiger e Sovonick 1975 Taiz11indd 297 Taiz11indd 297 27102016 144725 27102016 144725 298 Unidade II Bioquímica e Metabolismo cimento radiais abaixo da zona de tratamento ou de efluxo de CO2 do solo não permitem que sejam observadas alte rações transitórias e de curto prazo no transporte Devese notar que os tratamentos extremos que ini bem todo metabolismo energético inibem a translocação mesmo em plantas herbáceas Por exemplo no feijoeiro o tratamento do pecíolo de uma folhafonte com um ini bidor metabólico cianeto leva à inibição da translocação para fora da folha No entanto o exame do tecido tratado por microscopia eletrônica revelou a obstrução dos poros da placa crivada com detritos celulares Obviamente esses resultados não dão suporte à questão da necessidade de energia para a translocação ao longo da rota Os poros da placa crivada parecem ser canais abertos Os estudos ultraestruturais dos elementos crivados são desafiadores devido à alta pressão interna dessas células Quando o floema é cortado ou morto lentamente com fixadores químicos a pressão de turgor nos elementos crivados é diminuída Os conteúdos celulares particu larmente a proteína P movemse em direção ao ponto de menor pressão e no caso dos elementos de tubo crivado acumulamse nas placas crivadas Por essa acumulação provavelmente muitas das imagens mais antigas ao mi croscópio eletrônico mostram placas obstruídas Mais recentemente técnicas de congelamento rápido e fixação fornecem imagens confiáveis de elementos criva dos inalterados O uso de microscopia de varredura con focal a laser que permite a observação direta da translo cação em elementos crivados vivos aborda a questão se os poros da placa crivada e o lume do elemento crivado estão abertos em tecidos intactos com translocação Quando plantas jovens de Arabidopsis são rapidamen te congeladas em nitrogênio líquido e então fixadas os po ros das placas crivadas não aparecem obstruídos Figura 1112A Os poros das placas crivadas de elementos crivados vivos e funcionais de fava na maioria das vezes também foram observados abertos A condição não obstruída de po ros vista em muitas espécies como cucurbitáceas beterraba feijoeiro Phaseolus vulgaris e Arabidopsis ver Figuras 115 e 1112A dá suporte ao modelo de fluxo de massa E sobre a distribuição da proteína P no lume do elemento de tubo crivado Imagens de micros copia eletrônica de unidades de tubo crivado pre paradas por congelamento rápido e fixação com frequência têm mostrado a proteína P ao longo da periferia dos tubos crivados ou uniformemente distribuída no lume da célu la Além disso os poros da placa crivada muitas vezes contêm proteína P em posições semelhantes revestindo o poro ou em uma rede frouxa Quando uma proteína relacionada à oclusão do elemen to crivado SEOR1 em Arabidopsis foi fusionada à proteína fluorescente amarela YFP yellow fluorescent protein e ob servada em microscopia confocal surgiu no entanto uma imagem um pouco diferente Enquanto uma malha de fi lamentos proteicos frequentemente se estendia por todo o lume Figura 1112B massas ou aglomerados de proteínas preenchiam grandes porções do lume do elemento crivado na placa crivada ou próximo a ela A estrutura dessas massas era altamente variável mas muitas vezes múltiplas massas grandes preenchiam todo o lume do elemento crivado Figu ra 1112C Essas estruturas foram observadas em elementos crivados vivos intactos com translocação Os pesquisadores concluíram que o fluxo de massa ainda é possível em Arabi dopsis Entretanto o conhecimento da porosidade das mas sas proteicas bem como o grau de interação da proteína com moléculas de água circundante será necessário para avaliar completamente o impacto de SEOR1 em Arabidopsis Os gradientes de pressão nos elementos crivados podem ser moderados as pressões em plantas herbáceas e árvores parecem ser semelhantes O fluxo de pressão ou fluxo de massa é o movimento combinado de todas as moléculas de uma solução acio nado por um gradiente de pressão Quais são os valores de pressão nos elementos crivados e como eles podem ser determinados Será que existe um gradiente de pressão entre fontes e drenos e se assim for o gradiente é modes to ou substancial As plantas grandes como árvores têm pressões proporcionalmente mais elevadas no floema do que espécies pequenas herbáceas A pressão de turgor em elementos crivados pode ser calculada a partir do potencial hídrico e do potencial os mótico Ψp Ψ Ψs ou medida diretamente A técnica mais efetiva utiliza micromanômetros ou transdutores A Poros das placas crivadas desobstruídos B C 25 μm 25 μm 500 nm Figura 1112 Poros de placas crivadas e tubos criva dos em Arabidopis A Em tecidos congelados e fixados os poros das placas crivadas estão frequentemente deso bstruídos e não contêm calose B Tubos crivados de raí zes vivas observados por microscopia confocal mostram o retículo endoplasmático verde circundado por uma fina malha filamentosa de SEOR1proteína fluorescen te amarela YFP azul C Massas ou aglomerados de SEOR1YFP às vezes preenchem totalmente o lume do tubo crivado nas imagens de microscopia confocal ver setas pontilhadas Os tubos crivados em B e C estavam vivos e funcionais De Froelich et al 2011 Taiz11indd 298 Taiz11indd 298 27102016 144725 27102016 144725 Capítulo 11 Translocação no Floema 299 de pressão vedados nos estiletes de afídeos em exsudação ver Tópico 113 na internet Os dados obtidos são preci sos pois os afídeos perfuram um único elemento crivado e a membrana plasmática aparentemente veda ao redor do estilete do inseto As pressões medidas usando a técnica de estilete de afídeos variaram de 07 a 15 MPa tanto em plantas herbáceas quanto em árvores pequenas Estudos utilizando pressões de turgor calculadas de tectaram gradientes suficientes para acionar o fluxo de massa em algumas plantas herbáceas como a soja No en tanto não há estudos sistematizados em qualquer planta sobre gradientes de turgor medidos usando estiletes de afídeos Os dados são cruciais para qualquer avaliação da hipótese de fluxo de pressão Técnicas que possam medir as diferenças de turgor ao longo do mesmo tubo crivado contínuo tanto em plantas herbáceas quanto em plantas grandes como árvores devem ser desenvolvidas O desen volvimento de tais técnicas será um grande desafio técnico No entanto uma observação é bastante acertada ou seja as pressões de turgor em árvores não são proporcio nalmente maiores do que aquelas em plantas herbáceas Um estudo comparou as pressões de turgor calculadas técnica usada frequentemente em árvores e as pressões medidas usando estiletes de afídeos técnica usada em plantas herbáceas em pequenas mudas de salgueiro As duas técnicas produziram valores comparáveis com mé dia de 06 MPa para as pressões calculadas e 08 MPa para as pressões medidas As pressões calculadas foram tão elevadas como 20 MPa em indivíduos grandes de freixos Esses valores não são substancialmente diferentes daque les medidos nas plantas herbáceas como já observado aci ma Plantas herbáceas e árvores muitas vezes diferem em suas estratégias de carregamento do floema em uma ma neira coerente com as pressões relativamente baixas em árvores ver seção O carregamento do floema é passivo em diversas espécies arbóreas adiante Modelos alternativos para translocação por fluxo de massa foram sugeridos Não se deveria concluir o assunto de mecanismos de trans porte do floema sem considerar os modelos alternativos Um deles é o modelo coletor de alta pressão que é seme lhante ao modelo de fluxo de pressão mas com algumas di ferenças fundamentais No modelo coletor de alta pressão Altas pressões em elementos crivados são geradas principalmente na fonte e a capacidade de carrega mento do floema muitas vezes excede a capacidade de descarregamento A principal resistência ao fluxo de massa não ocorre nos tubos crivados ou nas placas crivadas do trajeto mas nos plasmodesmos entre o complexo elemento crivadocélula companheira e os tecidosdreno parti cularmente células do parênquima vascular O fluxo de massa assim estenderseia por toda a via a partir dos elementos crivados de fontes para os elementos crivados de drenos através dos plasmo desmos que ligam os elementos crivados do dreno ao parênquima vascular Uma vez que a maior resistên cia ocorre nos plasmodesmos pequenos gradientes de pressão ocorreriam entre os elementos crivados de fonte e de dreno mas as diferenças de pressão entre os elementos crivados de dreno e as células do parên quima do floema seriam grandes O sistema resultante poderia de forma eficiente e rá pida transmitir informações sobre as alterações na pressão ou na concentração de seiva em longas dis tâncias ver Tópico 116 na internet Outro modelo chamado de modelo de transmissão propõe que o floema consiste em unidades funcionais uni das em série e que solutos são transportados ativamente de uma unidade para a seguinte aumentando a pressão disponível para acionar o transporte em longas distâncias como as que existem nas árvores Enquanto ambos os mo delos sejam responsáveis por algumas das observações mencionadas sobre pressões de turgor nos tubos crivados o modelo de transmissão também requer gasto de energia ao longo do trajeto pelo menos em árvores Não se sabe se a necessidade de energia ao longo do trajeto é pequena em árvores como parece ser em plantas herbáceas Modelos matemáticos também podem fornecer ideias sobre o mecanismo de transporte do floema A digestão enzimática sequencial dos conteúdos celulares permitiu medições mais precisas de parâmetros de tubos criva dos como o raio do poro e o número de poros por placa A condutividade específica do elemento de tubo crivado em μm2 calculada a partir dessas medições mostra uma relação inversa com a velocidade da seiva do floema me dida por ressonância magnética Esse seria um resultado inesperado se a condutividade regulasse o transporte nos tubos crivados Nesse caso um tubo de maior condutância teria uma resistência mais baixa e seria esperado que uma dada pressão resultasse em uma velocidade de seiva mais elevada e não menor Ver Tópico 116 na internet para informações adicionais sobre os modelos matemáticos re centes para o transporte no floema O que se pode concluir dos experimentos e resultados descritos aqui Algumas observações são compatíveis com a operação por fluxo de massa e especificamente o mecanis mo de fluxo de pressão no floema de angiospermas o mo vimento de solutos e água na mesma velocidade a ausência de necessidade energética na rota de plantas herbáceas a presença de poros não obstruídos nas placas crivadas e a ausência de transporte bidirecional O significado de outras observações para o fluxo de pressão é mais problemático em particular a presença de massas de proteínas que blo queiam alguns elementos de tubos crivados e as pressões semelhantes nos elementos crivados de plantas herbáceas e árvores são de fato intrigantes Mais dados são necessários está claro que ainda não temos todas as explicações A translocação em gimnospermas envolve um mecanismo diferente Embora o modelo de fluxo de pressão explique a translo cação em angiospermas ele pode não ser adequado para Taiz11indd 299 Taiz11indd 299 27102016 144725 27102016 144725 300 Unidade II Bioquímica e Metabolismo gimnospermas Muito pouca informação sobre a fisiologia do floema das gimnospermas está disponível ver O car regamento do floema é passivo em diversas espécies arbó reas e a especulação sobre a translocação nessas espécies está baseada quase que completamente na interpretação de micrografias ao microscópio eletrônico Conforme já discu tido as células crivadas das gimnospermas são em muitos aspectos similares aos elementos de tubo crivado das an giospermas mas as áreas crivadas das células crivadas são relativamente pouco especializadas e não parecem consistir em poros abertos ver Figura 116 Nas gimnospermas os poros são preenchidos por numerosas membranas contínuas com o REL adjacente às áreas crivadas Tais poros são completamente inconsis tentes com as exigências da hipótese de fluxo de pressão Embora essas imagens ao microscópio eletrônico possam constituir um artefato e não consigam mostrar as condi ções do tecido intacto a translocação em gimnospermas poderia envolver um mecanismo diferente uma possibi lidade que requer investigação adicional Carregamento do floema Várias etapas de transporte estão envolvidas no movimen to de fotossintatos dos cloroplastos do mesofilo até os ele mentos crivados das folhas maduras 1 A triose fosfato formada pela fotossíntese durante o dia ver Capítulo 8 é transportada do cloroplasto para o citosol onde é convertida em sacarose Durante a noite o carbono do amido armazenado deixa o clo roplasto primariamente na forma de maltose sendo convertido em sacarose outros açúcares de transporte são posteriormente sintetizados a partir da sacarose em algumas espécies enquanto açúcaresalcoóis são sintetizados utilizando hexose fosfato e em alguns casos hexose como moléculas iniciais 2 A sacarose movese das células produtoras do meso filo para as células adjacentes aos elementos crivados das nervuras menores da folha Figura 1113 Essa rota de transporte de curta distância normalmente cobre uma distância do diâmetro de algumas células 3 Em um processo denominado carregamento do floema os açúcares são transportados para os ele mentos crivados e as células companheiras Obser ve que com relação ao carregamento os elementos crivados e as células companheiras muitas vezes são considerados como uma unidade funcional deno minada complexo elemento crivadocélula companheira Uma vez dentro dos elementos crivados a sacarose e outros solutos são translocados para longe da fonte um processo denominado exportação A transloca ção por meio do sistema vascular para o dreno é refe rida como transporte de longa distância Conforme discussão anterior os processos de carrega mento na fonte e talvez o descarregamento no dreno pro porcionam a força motriz para o transporte de longa distân cia e assim têm considerável importância básica e agrícola O completo entendimento desses mecanismos deveria fornecer as bases da tecnologia utilizada para intensificar a produtividade de plantas cultivadas pelo aumento do acú mulo de fotossintatos nos tecidosdreno comestíveis como os grãos dos cereais O carregamento do floema pode ocorrer via apoplasto ou simplasto Foi visto que os solutos principalmente os açúcares nas folhasfonte devem se mover das células fotossintetizantes no mesofilo para os elementos crivados A rota inicial de curta distância provavelmente é simplástica Figura 1114 Entretanto os açúcares poderiam se mover completamen te através do simplasto citoplasma via plasmodesmos para os elementos crivados ver Figura 1114A ou pode riam passar para o apoplasto antes do carregamento do floema ver Figura 1114B Para uma descrição geral do simplasto e do apoplasto ver Figura 44 Uma das duas vias apoplástica ou simplástica é dominante em algumas espécies muitas espécies contudo mostram evidências de serem capazes de utilizar mais do que um mecanismo de carregamento Para simplificar no início serão conside radas as vias separadamente retornandose em seguida ao assunto da diversidade de carregamento Atualmente vários mecanismos para o carregamento do floema são reconhecidos carregamento apoplástico car Célula do parênquima vascular Elemento crivado Parte do elemento traqueal xilema Célula do parênquima do floema Célula companheira ordinária Célula da bainha do feixe Figura 1113 Imagem ao microscópio eletrônico mostrando a relação entre os vários tipos de células de uma nervura de menor porte de uma folhafonte de beterraba 5000 As células fotos sintéticas células do mesofilo circundam a camada de células com pactamente organizadas da bainha do feixe vascular Os fotossinta tos do mesofilo devem se deslocar em uma distância equivalente a vários diâmetros celulares antes de serem carregados nos elementos crivados O movimento do mesofilo para os elementos crivados é assim conhecido como transporte de curta distância De Evert e Mierzwa 1985 cortesia de R Evert Taiz11indd 300 Taiz11indd 300 27102016 144725 27102016 144725 Capítulo 11 Translocação no Floema 301 regamento simplástico com aprisionamento de polímeros e carregamento simplástico passivo As pesquisas iniciais sobre o carregamento do floema tiveram foco na rota apo plástica provavelmente porque é muito comum em plantas herbáceas e portanto em plantas cultivadas Na verdade grande parte do nosso conhecimento de fisiologia vegetal é direcionada provavelmente pelo interesse principal nas culturas herbáceas Como visto a via apoplástica aparente mente é o mecanismo mais comum Nesta seção é inicial mente discutido o carregamento apoplástico e em seguida são introduzidos os dois tipos de carregamento simplástico aprisionamento de polímeros e carregamento simplástico passivo na ordem em que sua importância foi reconhecida Dados abundantes dão suporte à ocorrência do carregamento apoplástico em algumas espécies No caso do carregamento apoplástico os açúcares entram no apoplasto próximo ao complexo elemento crivado célula companheira Os açúcares são então ativamente transportados do apoplasto para os elementos crivados e as células companheiras por um transportador seletivo acionado por energia localizado nas membranas dessas células O efluxo para o apoplasto é altamente localizado ocorrendo provavelmente nas paredes das células do pa rênquima floemático Os transportadores de sacarose que medeiam o efluxo dela principalmente do parênquima floemático para o apoplasto próximo aos complexos ele mento crivadocélula companheira foram recentemente identificados em Arabidopsis e arroz como uma subfamília de transportadores SWEET O carregamento apoplástico do floema leva a três su posições 1 Os açúcares transportados deveriam ser encontrados no apoplasto 2 Em experimentos nos quais os açúcares são aplicados ao apoplasto os açúcares exógenos fornecidos deve riam se acumular nos elementos crivados e nas células companheiras 3 A inibição do efluxo do açúcar do parênquima do floema ou a absorção a partir do apoplasto deveria re sultar na inibição da exportação pela folha Muitos estudos dedicados a testar essas suposições têm for necido evidências consistentes para o carregamento apo plástico em várias espécies ver Tópico 117 na internet A absorção de sacarose na rota apoplástica requer energia metabólica Em muitas das espécies estudadas os açúcares estão mais concentrados nos elementos crivados e nas células com panheiras do que no mesofilo Essa diferença na concen tração do soluto pode ser demonstrada por medições do potencial osmótico Ψs de vários tipos celulares da folha ver Capítulo 3 Em beterraba o potencial osmótico do mesofilo é de cerca de 13 MPa e o potencial osmótico dos elemen tos crivados e das células companheiras é de cerca de 30 MPa Acreditase que a maior parte dessa diferença seja o resultado do açúcar acumulado especificamente sa carose porque esse é o principal açúcar transportado nessa Figura 1114 Esquema das rotas de carregamento do floema nas folhasfonte A Na rota totalmente simplástica os açúcares movemse de uma célula para outra pelos plasmodesmos duran te todo o percurso desde as células do mesofilo até os elementos crivados B Na rota parcialmente apoplástica os açúcares movem se inicialmente pelo simplasto mas entram no apoplasto imedia tamente antes do carregamento nas células companheiras e nos elementos crivados Os açúcares carregados nas células compa nheiras parecem se mover para os elementos crivados através dos plasmodesmos Açúcar Açúcar Açúcar Membrana plasmática Plasmodesmo Célula do mesofilo Célula da bainha do feixe Elemento crivado CO2 Nervura menor Nervura menor Célula companheira A Carregamento simplástico Açúcar Açúcar Açúcar Membrana plasmática Plasmodesmo Célula do mesofilo Célula da bainha do feixe Elemento crivado CO2 Célula do parênquima floemático B Carregamento apoplástico Célula companheira ordinária Taiz11indd 301 Taiz11indd 301 27102016 144726 27102016 144726 302 Unidade II Bioquímica e Metabolismo espécie Os estudos experimentais também têm demons trado que tanto a sacarose fornecida externamente quanto a sacarose produzida a partir dos produtos fotossintéticos se acumulam nos elementos crivados e nas células compa nheiras das nervuras menores das folhasfonte de beter raba Figura 1115 ver também Tópico 117 na internet O fato de a sacarose estar em concentração mais alta no complexo elemento crivadocélula companheira do que nas células adjacentes indica que esse açúcar é ativamente transportado contra seu gradiente de potencial químico A dependência do acúmulo de sacarose pelo transporte ati vo é apoiada pelo fato de que o tratamento do tecidofonte com inibidores respiratórios leva ao decréscimo na concen tração de ATP e inibe o carregamento do açúcar exógeno Os vegetais que carregam açúcares pela rota apoplásti ca para o floema podem também carregar ativamente ami noácidos e açúcaresalcoóis sorbitol e manitol Por outro lado outros metabólitos como ácidos orgânicos e hormô nios podem entrar passivamente nos elementos crivados Ver Tópico 117 na internet para discussão desses temas Na rota apoplástica o carregamento dos elementos crivados envolve um transportador de sacaroseH do tipo simporte Um transportador de sacaroseH do tipo simporte pare ce mediar o transporte de sacarose do apoplasto para o complexo elemento crivadocélula companheira Lembre se do Capítulo 6 de que o simporte é um processo de transporte secundário que utiliza a energia gerada por uma bomba de prótons ver Figura 610A A energia dissi pada pelos prótons no movimento de retorno para a célula é usada para absorver um substrato nesse caso a sacarose Figura 1116 Vários transportadores de sacaroseH do tipo sim porte foram clonados e localizados no floema SUT1 e SUC2 parecem ser os principais transportadores de saca rose no carregamento do floema para as células compa nheiras e para os elementos crivados Os dados de vários estudos apoiam o mecanismo de um transportador de sacaroseH do tipo simporte no carregamento do floema Ver Tópico 117 na internet para informações mais deta lhadas sobre transportadores de sacarose no floema O carregamento do floema é simplástico em algumas espécies Muitos resultados apontam para o carregamento apoplástico do floema em algumas espécies que transportam apenas sa carose e com poucos plasmodesmos que chegam às nervu ras menores do floema Entretanto muitas outras espécies apresentam numerosos plasmodesmos na interface entre o complexo elemento crivadocélula companheira e as células adjacentes ver Figura 117C o que parece ser incompatível com o carregamento apoplástico Nessas espécies o funcio namento da via simplástica requer a presença de plasmodes mos abertos entre as diferentes células da rota Figura 1115 Esta autorradiografia mostra que o açúcar marca do se move contra o gradiente de concentração do apoplasto para os elementos crivados e as células companheiras de uma folhafonte de beterraba Uma solução de sacarose marcada com 14C foi aplica da por 30 minutos à superfície superior de uma folha de beterraba Beta vulgaris que havia sido previamente mantida em ausência de luz por 3 horas A cutícula da folha foi removida para permitir a pe netração da solução na folha O açúcar marcado acumulouse nas nervuras menores nos elementos crivados e nas células companhei ras da folhafonte como mostrado pelos acúmulos pretos indican do que a sacarose é ativamente transportada contra seu gradiente de concentração Fondy 1975 cortesia de D Geiger H H HATPase H Sacarose H Sacarose Transportador de sacaroseH do tipo simporte Baixa concentração de H Alta concentração de H ATP ADP Pi Complexo elemento crivadocélula companheira Figura 1116 Transporte de sacarose ATPdependente no carrega mento apoplástico do elemento crivado No modelo do cotransporte do carregamento de sacarose para o simplasto do complexo elemen to crivadocélula companheira a ATPase da membrana plasmática bombeia prótons para fora da célula no apoplasto Isso estabele uma concentração mais alta de prótons no apoplasto e um potencial de membrana de aproximadamente 120 mV A energia nesse gradiente de prótons é então utilizada como força motriz para o transporte de sacarose para o simplasto do complexo elemento crivadocélula com panheira via transportador de sacaroseH do tipo simporte Taiz11indd 302 Taiz11indd 302 27102016 144726 27102016 144726 Capítulo 11 Translocação no Floema 303 O modelo de aprisionamento de polímeros explica o carregamento simplástico em plantas com células companheiras do tipo intermediário Uma rota simplástica tornouse evidente em espécies que além da sacarose transportam rafinose e estaquiose no floema Essas espécies têm células intermediárias nas ner vuras menores e numerosos plasmodesmos que chegam a essas nervuras Alguns exemplos dessas espécies incluem coleus Coleus blumei abóbora e abobrinha Cucurbita pepo e melão Cucumis melo Lembrese de que as células intermediárias são células companheiras especializadas ver As células companheiras dão suporte aos elementos criva dos altamente especializados anteriormente Duas questões principais surgem em relação ao carre gamento simplástico 1 Em muitas espécies a composição da seiva do ele mento crivado é diferente da composição de solutos dos tecidos adjacentes ao floema Essa diferença indi ca que certos açúcares são especificamente seleciona dos para o transporte na folhafonte O envolvimento de transportadores do tipo simporte no carregamento apoplástico do floema fornece um mecanismo claro para seletividade pois os transportadores são espe cíficos para certas moléculas de açúcares O carrega mento simplástico por outro lado depende da difusão de açúcares do mesofilo para os elementos crivados via plasmodesmos Como a difusão pelos plasmodes mos durante o carregamento simplástico pode ser se letiva para certos açúcares 2 Os dados de várias espécies com carregamento sim plástico indicam que os elementos crivados e as célu las companheiras têm conteúdo osmótico mais eleva do que o mesofilo potencial osmótico mais negativo Como o carregamento simplástico dependente da difusão poderia ser responsável pela seletividade das moléculas transportadas e pelo acúmulo de açúcares contra um gradiente de concentração O modelo de aprisionamento de polímeros Figura 1117 foi desenvolvido para esclarecer essas questões em espécies como coleus e cucurbitáceas O modelo postu la que a sacarose sintetizada no mesofilo se difunde das células da bainha do feixe para as células intermediárias pelos abundantes plasmodesmos que conectam esses dois tipos celulares Nas células intermediárias a rafinose e a estaquiose polímeros formados por três e quatro hexoses respectivamente ver Figura 119B são sintetizadas a partir da sacarose transportada e do galactinol um metabólito da galactose Em decorrência da anatomia do tecido e do tamanho relativamente grande da rafinose e da estaquio se os polímeros não podem se difundir de volta para as células da bainha do feixe mas difundemse para os ele mentos crivados As concentrações de açúcar nos elemen tos de tubo crivado dessas plantas podem atingir níveis equivalentes àqueles nas plantas que realizam carrega mento apoplástico A sacarose pode continuar a difundir se para as células intermediárias pois sua síntese no me sofilo e sua utilização nas células intermediárias mantêm o gradiente de concentração ver Figura 1117 Plasmodesmo Célula da bainha do feixe Célula intermediária Elemento crivado Derivado de glicose Frutose6P Sacarose Sacarose Rafinose mioinositol Galactinol A sacarose sintetizada no mesofilo difundese das células da bainha do feixe para as células intermediárias através dos plasmodesmos abundantes Nas células intermediárias a rafinose é sintetizada a partir de sacarose e galactinol mantendo assim o gradiente de difusão para a sacarose Devido ao seu tamanho maior esse açúcar não é capaz de se difundir de volta para o mesofilo A rafinose é capaz de se difundir para os elementos crivados Como resultado a concentração do açúcar transportado aumenta nas células intermediárias e nos elementos crivados Observe que a estaquiose foi omitida para simplificar o esquema Síntese de sacarose pelas enzimas sacarose fosfato sintase e sacarose fosfato fosfatase UDPglicose frutose6fosfato UDP sacarose6fosfato Sacarose6fosfato H2O sacarose Pi Síntese de rafinose pela rafinose sintase Sacarose galactinol mioinositol rafinose Figura 1117 Modelo de aprisiona mento de polímeros para o carregamen to do floema Para simplificar o trissa carídeo estaquiose foi omitido De van Bel 1992 Taiz11indd 303 Taiz11indd 303 27102016 144726 27102016 144726 304 Unidade II Bioquímica e Metabolismo O modelo de aprisionamento de polímeros faz três predições 1 A sacarose deveria estar mais concentrada no mesofi lo do que nas células intermediárias 2 As enzimas para a síntese de rafinose e estaquiose de veriam estar preferencialmente localizadas nas célu las intermediárias 3 Os plasmodesmos que ligam as células da bainha do feixe e as células intermediárias deveriam excluir mo léculas maiores do que a sacarose Os plasmodesmos entre as células intermediárias e os elementos criva dos devem ser mais largos para permitir a passagem da rafinose e da estaquiose Vários estudos sustentam o modelo de aprisionamen to de polímeros em algumas espécies Entretanto resul tados recentes de modelagem sugerem que outros fatores ainda desconhecidos precisam estar presentes para per mitir que os plasmodesmos bloqueiem o transporte de oligossacarídeos como rafinose e estaquiose de volta para o mesofilo enquanto permitem o fluxo suficiente de sa carose nas células intermediárias para manter as taxas de transporte observadas Ver Tópico 117 na internet para mais detalhes O carregamento do floema é passivo em diversas espécies arbóreas O carregamento simplástico passivo do floema foi recen temente reconhecido como um mecanismo amplamente distribuído nos vegetais Mesmo que os dados que dão suporte a esse mecanismo sejam recentes o carregamento simplástico passivo foi na realidade uma parte da con cepção original de Münch sobre o fluxo de pressão Tornouse evidente que várias espécies arbóreas apre sentam numerosos plasmodesmos entre o complexo ele mento crivadocélula companheira e as células adjacentes mas não possuem células intermediárias e não transpor tam rafinose e estaquiose Árvores como salgueiro Salix babylonica e macieira Malus domestica estão entre as es pécies que se enquadram nessa categoria assim como a gimnosperma Pinus sylvestris Essas plantas não apresen tam a etapa de concentração na rota a partir do mesofilo para o complexo elemento crivadocélula companheira Como o gradiente de concentração do mesofilo ao floema aciona a difusão ao longo da rota de curta distância os níveis absolutos de açúcares nas folhasfonte dessas es pécies devem ser altos para manter a exigência de altas concentrações de soluto e as consequentes altas pressões de turgor nos elementos crivados Embora haja grande va riação mais de 50 vezes e uma sobreposição considerável entre os grupos de plantas com diferentes mecanismos de carregamento as concentrações de açúcar nas folhas fonte em geral são mais elevadas nas espécies arbóreas que apresentam carregamento passivo O tipo de carregamento do floema está correlacionado a muitas características significativas Conforme já discutido o funcionamento das rotas apo plástica ou simplástica de carregamento do floema está correlacionado com características específicas listadas na Tabela 113 TABELA 113 Padrões de carregamento apoplástico e simplástico Característica Carregamento apoplástico Aprisionamento simplástico de polímeros Carregamento simplástico passivo Açúcar de transporte Sacarose Rafinose e estaquiose além da sacarose Sacarose e açúcaresalcoóis Células companheiras características Células companheiras ordinárias ou células de transferência Células intermediárias Células companheiras ordinárias Número e condutividade de plasmodesmos conectando o complexo ECCC às células adjacentes Baixo Alto Alto Dependência de carregadores ativos no complexo ECCC Dependente de transportadores Independente de transportadores Independente de transportadores Concentração total de açúcares transportados em folhasfonte Baixa Baixa Alta Tipo de célula na qual a força motriz para o transporte de longa distância é gerada Complexo elemento crivado célula companheira Células intermediárias Mesofilo Hábito de crescimento Principalmente herbáceo Herbáceo e espécies lenhosas Principalmente arbóreo Fontes Gamalei 1985 van Bel et al 1992 Rennie e Turgeon 2009 Nota As plantas que utilizam os três mecanismos de carregamento do floema podem também transportar açúcaresalcoóis Além disso algumas espécies podem fazer o carregamento tanto pela via apoplástica quanto pela via simplástica visto que tipos diferentes de células companheiras podem ser encontrados nas nervuras de uma mesma espécie Complexo ECCC complexo elemento crivadocélula companheira Taiz11indd 304 Taiz11indd 304 27102016 144726 27102016 144726 Capítulo 11 Translocação no Floema 305 As espécies que apresentam carregamento apoplástico do floema como estratégia principal translocam quase exclusivamente sacarose possuem células companhei ras ordinárias ou células de transferência nas nervu ras menores Essas espécies geralmente têm poucas conexões entre o complexo elemento crivadocélula companheira e as células adjacentes Os carregadores ativos no complexo elemento crivadocélula compa nheira concentram sacarose nas células e geram a for ça motriz para o transporte de longa distância As espécies que utilizam carregamento simplástico do floema com aprisionamento de polímeros translocam oligossacarídeos como rafinose além da sacarose Elas apresentam células companheiras do tipo intermediá rias nas nervuras menores com conexões abundantes entre o complexo elemento crivadocélula companheira e as células adjacentes O aprisionamento de polímeros concentra açúcares de transporte nas células do floema e gera a força motriz para o transporte de longa distância As espécies que utilizam carregamento simplástico pas sivo do floema translocam sacarose e açúcaresalcoóis e apresentam células companheiras ordinárias nas ner vuras menores Essas espécies também possuem cone xões abundantes entre o complexo elemento crivado célula companheira e as células adjacentes As espécies com carregamento simplástico passivo são caracteri zadas por altas concentrações totais de açúcares nas folhasfonte o que mantém um gradiente de concen tração entre o mesofilo e o complexo elemento crivado célula companheira A concentração alta de açúcares proporciona pressões de turgor altas nos elementos cri vados das folhasfonte gerando a força motriz para o transporte de longa distância Muitas das espécies com carregamento simplástico passivo são arbóreas O Tópico 117 na internet discute as relações entre as ca racterísticas de carregamento tipo de célula companheira açúcares de transporte e abundância de plasmodesmos e os mecanismos de carregamento em várias espécies Na discussão anterior o carregamento apoplástico o carregamento simplástico com o aprisionamento de polí meros e o carregamento passivo foram considerados sepa radamente No entanto evidências têm mostrado que mui tas se não todas as plantas são capazes de utilizar mais de um mecanismo de carregamento pelo menos em alguma extensão Por exemplo dados estruturais e fisiológicos indi cam que algumas plantas que apresentam aprisionamento de polímeros também são capazes de carregar o floema de forma apoplástica Algumas dessas plantas como o péde urso Acanthus mollis possuem tanto células de transfe rência quanto células intermediárias em suas nervuras menores Outra espécie com aprisionamento de polímeros Alonsoa meridionalis expressa um gene para estaquiose sin tase em células intermediárias o que é indicativo de apri sionamento de polímeros mas não o expressa em células companheiras ordinárias as mesmas plantas expressam um transportador de sacarose em células companheiras or dinárias indicativo de carregamento apoplástico mas não o fazem nas células intermediárias Outras espécies como Fraxinus utilizam possivelmente todas as três estratégias de carregamento No outro extremo do espectro estão as espécies que fazem o carregamento do floema quase intei ramente por um único mecanismo Mesmo uma ligeira re dução na atividade do transportador de sacaroseH do tipo simporte e assim na capacidade de carregamento a partir do apoplasto resultou na inibição significativa do carrega mento em tabaco Nicotiana tabacum um carregador apo plástico mas reduções ainda mais severas na atividade do transportador do tipo simporte têm pouco efeito sobre Ver bascum phoeniceum um carregador simplástico As frequências de plasmodesmos sugerem que a es tratégia de carregamento passivo é ancestral nas angios permas enquanto o carregamento apoplástico e o aprisio namento de polímeros evoluíram mais tarde No entanto é possível que a capacidade de carregamento por múlti plos mecanismos possa ter estado presente mesmo nas primeiras angiospermas Mecanismos múltiplos de carre gamento podem permitir a rápida adaptação das plantas a estresses abióticos como a baixas temperaturas Os meca nismos de comutação também podem refletir estresses bi óticos como infecções virais Com certeza a evolução dos diferentes tipos de carregamento e as pressões ambientais relacionadas à sua evolução continuarão sendo importan tes áreas de pesquisa à medida que as rotas de carrega mento são esclarecidas em um maior número de espécies Descarregamento do floema e transição drenofonte Como os eventos que levam à exportação de açúcares já foram discutidos o processo de importação pelos dre nos como as raízes em desenvolvimento os tubérculos e as estruturas reprodutivas será examinado De muitas maneiras os eventos nos tecidosdreno são simplesmente o inverso dos eventos que ocorrem nos tecidosfonte As etapas seguintes estão envolvidas na importação de açú cares pelas célulasdreno 1 Descarregamento do floema Esse é o processo pelo qual os açúcares importados deixam os elementos crivados dos tecidosdreno 2 Transporte de curta distância Após o descarregamento dos elementos crivados os açúcares são transporta dos para as células no dreno por meio de uma rota de transporte de curta distância Essa rota também é chamada de transporte póselemento crivado 3 Armazenamento e metabolismo Na etapa final os açú cares são armazenados e metabolizados nas células dreno Nesta seção são discutidas as seguintes questões o descarregamento do floema e o transporte de curta distância são processos simplásticos ou apoplásticos A sacarose é hi drolisada durante o processo O descarregamento do floema e as etapas subsequentes requerem energia Por último é examinado o processo de transição pelo qual uma folha im portadora jovem se torna uma folhafonte exportadora Taiz11indd 305 Taiz11indd 305 27102016 144726 27102016 144726 306 Unidade II Bioquímica e Metabolismo O descarregamento do floema e o transporte de curta distância podem ocorrer via rotas simplástica ou apoplástica Nos órgãosdreno os açúcares movemse dos elementos crivados para as células que armazenam ou metabolizam essas moléculas Os drenos variam desde órgãos vegeta tivos em crescimento ápices de raízes e folhas jovens até órgãos de reserva raízes e caules e órgãos de reprodução e dispersão frutos e sementes Como os drenos variam bastante em estrutura e função não há um esquema único para o descarregamento do floema e para o transporte de curta distância Nesta seção são enfatizadas as diferenças nas rotas de importação devido a variações nos tipos de dreno no entanto muitas vezes a rota também depende do estágio de desenvolvimento do dreno Como nas fontes os açúcares podem se mover no dre no completamente no simplasto pelos plasmodesmos ou podem entrar no apoplasto em determinado ponto da rota A Figura 1118 ilustra as várias rotas possíveis nos drenos Tanto a rota de descarregamento quanto o transporte de curta distância parecem ser completamente simplásticos em algumas das folhas jovens de eudicotiledôneas como beter raba e tabaco ver Figura 1118A As regiões meristemáticas e de alongamento dos ápices das raízes primárias também parecem apresentar o descarregamento simplástico Enquanto a importação pela rota simplástica predo mina na maioria dos tecidosdreno parte do transporte de curta distância é apoplástica em alguns órgãosdreno em algumas etapas do desenvolvimento por exemplo em frutos sementes e outros órgãos de armazenamento que acumulam concentrações altas de açúcares ver Figura 1118B A rota pode alternar entre simplástica e apoplástica nesses drenos com uma etapa apoplástica sendo necessá ria quando as concentrações de açúcar no dreno são eleva das A etapa apoplástica poderia ocorrer no próprio local de descarregamento tipo 1 na Figura 1118B ou em um ponto mais distante dos elementos crivados tipo 2 Esse sistema tipo 2 típico de sementes em desenvolvimento parece ser o mais comum nas rotas de descarregamento apoplástico Uma etapa apoplástica é necessária nas sementes em desenvolvimento pois não há conexões citoplasmáticas en tre os tecidos maternos e os tecidos do embrião Os açúcares saem dos elementos crivados descarregamento do floema por meio da rota simplástica e são transferidos do simplasto para o apoplasto em determinado ponto distante do com plexo elemento crivadocélula companheira tipo 2 na Figura 1118B A etapa apoplástica permite o controle da membra na sobre as substâncias que entram no embrião pois duas membranas devem ser atravessadas nesse processo Quando ocorre uma etapa apoplástica na rota de im portação o açúcar de transporte pode ser parcialmente metabolizado no apoplasto ou pode atravessar o apoplasto sem sofrer modificações ver Tópico 118 na internet Por exemplo a sacarose pode ser hidrolisada à glicose e à fru tose no apoplasto pela invertase uma enzima de clivagem da sacarose e a glicose eou frutose poderiam então entrar nas célulasdreno Tais enzimas de clivagem de sacarose têm função no controle que os tecidosdreno exercem sobre o transporte no floema ver Tópico 1110 na internet O transporte para os tecidosdreno necessita de energia metabólica Estudos com inibidores demonstraram que a importação para os tecidosdreno depende de energia As folhas em crescimento as raízes e os drenos de reserva nos quais o carbono é armazenado como amido ou proteína parecem utilizar a rota simplástica de descarregamento do floema e o transporte de curta distância Os açúcares de transporte são usados como substratos para a respiração e metaboli Rota de descarregamento do floema Descarregamento simplástico do EC A Descarregamento simplástico do floema e transporte de curta distância B Descarregamento apoplástico do floema e transporte de curta distância Plasmodesmo Céluladreno ECCC 1 2A 2B Parede celular Tipo 1 Esta rota de curta distância é designada apoplástica pois uma etapa a de descarregamento do floema do complexo elemento crivadocélula companheira ocorre no apoplasto Uma vez que os açúcares estejam de volta ao simplasto das células contíguas o transporte é simplástico Tipo 2 Estas rotas também apresentam uma etapa apoplástica No entanto o descarregamento do floema a partir do complexo elemento crivadocélula companheira é simplástico A etapa apoplástica ocorre mais adiante nas rotas A figura superior 2A ilustra uma etapa apoplástica próxima do complexo elemento crivadocélula companheira a figura inferior 2B mostra uma etapa apoplástica que é posteriormente removida Figura 1118 Rotas de descarregamento do floema e transpor te de curta distância O complexo elemento crivadocélula compa nheira ECCC é considerado uma unidade funcional isolada A pre sença de plasmodesmos estabelece uma continuidade simplástica funcional A ausência de plasmodesmos entre as células indica a etapa de transporte apoplástico A Descarregamento simplástico do floema e transporte de curta distância Todas as etapas são sim plásticas B Descarregamento apoplástico do floema e transporte de curta distância Taiz11indd 306 Taiz11indd 306 27102016 144726 27102016 144726 Capítulo 11 Translocação no Floema 307 zados em polímeros de reserva e em compostos necessá rios para o crescimento Assim o metabolismo da sacarose leva à baixa concentração desse açúcar nas célulasdreno mantendo o gradiente de concentração para a absorção de açúcar Nessa rota os açúcares absorvidos pelas células dreno não atravessam membranas e o transporte é pas sivo os açúcares movemse de uma alta concentração nos elementos crivados para uma baixa concentração nas célulasdreno Portanto nesses órgãosdreno a energia metabólica é necessária principalmente para respiração e reações de biossíntese Na importação apoplástica os açúcares devem atra vessar pelo menos duas membranas a membrana plas mática da célula que está liberando o açúcar e a membra na plasmática da céluladreno Quando os açúcares são transportados para o vacúolo da céluladreno eles devem também atravessar o tonoplasto Conforme discutido an teriormente o transporte através de membranas em uma rota apoplástica pode depender de energia Apesar de al gumas evidências indicarem que tanto o efluxo quanto a absorção de sacarose podem ser processos ativos ver Tó pico 118 na internet os transportadores já foram com pletamente caracterizados Uma vez demonstrado em alguns estudos que os transportadores podem ser bidirecionais alguns dos mes mos transportadores de sacarose descritos anteriormente para o carregamento de sacarose poderiam também estar envolvidos no descarregamento desse carboidrato a dire ção do transporte dependeria do gradiente da sacarose do gradiente de pH e do potencial de membrana Além disso os transportadores do tipo simporte importantes no carre gamento do floema foram encontrados em alguns tecidos dreno como o SUT1 em tubérculos de batata O trans portador do tipo simporte pode atuar na recuperação da sacarose do apoplasto na importação para as célulasdreno ou em ambos Os transportadores de monossacarídeos de vem estar envolvidos na importação para as célulasdreno quando a sacarose é hidrolisada no apoplasto Em uma folha a transição de dreno para fonte é gradual As folhas de eudicotiledôneas como do tomateiro ou do feijoeiro iniciam seu desenvolvimento como órgãosdre no Uma transição entre o estado de dreno e de fonte ocor re mais tarde no desenvolvimento quando a folha está cerca de 25 expandida e normalmente completase quando a folha está de 40 a 50 expandida A exportação a partir da folha inicia na extremidade ou no ápice da lâ mina foliar e progride em direção à base até que toda a fo lha se torne exportadora de açúcar Durante o período de transição a extremidade exporta açúcar enquanto a base o importa de outras folhasfonte Figura 1119 A maturação das folhas é acompanhada por um grande número de mudanças anatômicas e funcionais resultando na reversão da direção do transporte ou seja passando de importação para exportação Em geral o encerramento da importação e o início da exportação são eventos indepen dentes Em folhas albinas de tabaco que não apresentam clorofila e são portanto incapazes de realizar fotossíntese a importação é interrompida no mesmo estágio de desen volvimento das folhas verdes embora a exportação não seja possível Portanto algumas outras mudanças devem ocorrer nas folhas de tabaco em desenvolvimento para que elas cessem a importação de açúcares Em tabaco os açúcares são carregados e descarrega dos quase que inteiramente por nervuras diferentes Figu ra 1120 contribuindo para a conclusão de que o encerra mento da importação e o início da exportação são eventos separados As nervuras de menor porte em última análi se responsáveis pela maioria do carregamento no tabaco e em outras espécies de Nicotiana não amadurecem até o momento de parada da importação e não participam do descarregamento Desse modo a alteração que interrompe a impor tação deve envolver o bloqueio do descarregamento das nervuras maiores em determinado ponto do desenvolvi mento das folhas maduras Os fatores que poderiam ser responsáveis por essa interrupção no descarregamento in A B C D Figura 1119 Autorradiografias de uma folha de abobrinha Cucurbita pepo ilustrando a transição da folha do estado de dre no para fonte Em cada caso a folha importou o 14C da folhafonte na planta por 2 horas O carbono marcado é visualizado como o acúmulo preto A A folha inteira como um dreno importando açú car da folhafonte BD A base ainda é dreno À medida que a extremidade da folha perde a capacidade de descarregar e deixa de importar açúcar conforme mostrado pela perda dos acúmulos pretos ela adquire a capacidade de carregar e exportar açúcar De Turgeon e Webb 1973 Taiz11indd 307 Taiz11indd 307 27102016 144726 27102016 144726 308 Unidade II Bioquímica e Metabolismo cluem o fechamento dos plasmodesmos e o decréscimo na frequência de plasmodesmos Dados experimentais têm mostrado que podem ocorrer tanto o fechamento quanto a eliminação dos plasmodesmos A exportação de açúcares inicia quando ocorrem even tos que interrompem a rota de importação e ativam o carre gamento apoplástico e quando o carregamento acumula fo tossintatos suficientes nos elementos crivados para acionar a translocação para fora da folha As condições seguintes são necessárias para iniciar a exportação A folha está sintetizando fotossintatos em quantidade suficiente de modo que um pouco fica disponível para exportação Os genes para a síntese de sacarose estão sendo expressos As nervuras de menor porte responsáveis pelo car regamento atingem a maturação Um elemento re gulador enhancer foi identificado no DNA de Arabi dopsis e atua como parte de uma cascata de eventos que levam à maturação das nervuras de menor porte O elemento regulador pode ativar um gene repórter fusionado a um promotor específico de célula compa nheira e o faz no padrão ápicebase como na transição do dreno para a fonte O transportador de sacaroseH do tipo simporte é expresso e está localizado no plasmalema do comple xo elemento crivadocélula companheira A regulação desses eventos está sendo investigada Em Arabidop sis o promotor do gene SUC2 por exemplo tornase ativo nas células companheiras em um padrão que corresponde à transição do dreno para a fonte Figura 1121 Os sítios de ligação para fatores de transcri ção foram identificados no promotor de SUC2 o qual coordena a expressão gênica específica para a fonte e para a célula companheira Em folhas de beterraba e tabaco a capacidade de acu mular sacarose exógena no complexo elemento crivado célula companheira é adquirida à medida que as folhas entram na transição drenofonte sugerindo que o trans portador do tipo simporte necessário para o carregamen to do floema tornouse funcional Nas folhas em desen volvimento de Arabidopsis a expressão do transportador do tipo simporte que parece ser o responsável pelo trans porte de açúcares durante o carregamento inicia no ápice 1 1 2 2 3 3 3 A B C Folhafonte Folha em transição drenofonte Figura 1120 A divisão de tarefas em nervuras de folha de tabaco é mostrada em A Quando a folha está imatura e ainda na fase de dreno B o fotos sintato é importado das folhas maduras e distribuído setas por toda a lâmina foliar pelas nervuras maiores linhas espessas As nervuras maiores estão nume radas sendo a nervura central a de primeira ordem O fotossintato importado é descarregado das mesmas nervuras principais no mesofilo As nervuras menores estão mostradas nas áreas delimitadas por nervuras de terceira ordem e não atuam na importação e no descarregamento pois estão imaturas Na folhafonte C a importação é interrompida e a exportação ini cia Os fotossintatos são carregados nas nervuras me nores linhas espessas enquanto as nervuras maio res atuam somente na exportação setas Elas não podem mais realizar o descarregamento Embora B tenha sido desenhada em escala com a autorradiogra fia C não está em proporções corretas pois a lâmina cresce consideravelmente à medida que a folha avan ça na maturação De Turgeon 2006 Figura 1121 A exportação a partir do tecidofonte depende do local e da atividade dos transportadores ativos de sacarose A figura mostra uma roseta de Arabidopsis transformada com uma constru ção consistindo em um gene repórter sob controle de um promotor AtSUC2 O SUC2 um transportador de sacaroseH do tipo simporte é um dos principais transportadores de sacarose que atuam no carre gamento do floema O sistema repórter GUS forma um produto azul visível onde o promotor está ativo A coloração é visível somente no tecido vascular das folhasfonte e nos ápices das folhas que estão em transição drenofonte De Schneidereit et al 2008 Taiz11indd 308 Taiz11indd 308 27102016 144726 27102016 144726 Capítulo 11 Translocação no Floema 309 e prossegue em direção à base da folha durante a transição drenofonte O mesmo padrão basípeto é visto no desen volvimento da capacidade de exportação Distribuição dos fotossintatos alocação e partição A taxa fotossintética determina a quantidade total de car bono fixado disponível para a folha Entretanto a quan tidade de carbono fixado disponível para translocação depende dos eventos metabólicos subsequentes Neste capítulo a regulação da distribuição do carbono fixado em várias rotas metabólicas é denominada alocação Os feixes vasculares de uma planta formam um sistema de tubos que podem direcionar o fluxo dos fotossintatos para vários tecidosdreno folhas jovens caules raízes frutos ou sementes No entanto o sistema vascular com frequência é altamente interconectado formando uma rede aberta que permite a comunicação entre as folhasfonte e os múltiplos drenos Sob essas condições o que determina o volume de fluxo para determinado dreno Neste capítulo a distribuição diferencial dos fotossintatos na planta é chamada de parti ção Os termos alocação e partição algumas vezes são usados alternadamente nas publicações recentes Após uma visão geral sobre alocação e partição será examinada a coordenação da síntese do amido e da sacarose Observe nesta seção que um número limitado de espécies tem sido estudado principalmente aquelas que fazem o car regamento ativo de sacarose a partir do apoplasto É provável que o mecanismo de carregamento do floema afete a regu lação da alocação de modo que estudos nessa área deverão ser estendidos a uma gama maior de espécies Para concluir será discutido como os drenos competem como a demanda do dreno pode regular a taxa fotossintética na folhafonte e como as fontes e os drenos se comunicam entre si A alocação inclui reserva utilização e transporte O carbono fixado em uma célulafonte pode ser usado para armazenamento metabolismo e transporte Síntese dos compostos de reserva O amido é sintetizado e armazenado nos cloroplastos e na maioria das es pécies é a principal forma de reserva mobilizada para translocação durante a noite As plantas que armaze nam carbono principalmente em forma de amido são chamadas de armazenadoras de amido Utilização metabólica O carbono fixado pode ser utili zado em vários compartimentos da célula fotossinte tizante para satisfazer as demandas energéticas da cé lula ou fornecer esqueletos de carbono para a síntese de outros compostos necessários à célula Síntese dos compostos transportados O carbono fixado pode ser incorporado em açúcares de transporte para exportação a diferentes tecidosdreno Uma parte do açúcar de transporte pode também ser estocada tem porariamente no vacúolo A alocação é também um processochave nos tecidos dreno Uma vez descarregados nas célulasdreno os açú cares de transporte podem permanecer como tal ou po dem ser transformados em vários outros compostos Nos drenos de reserva o carbono fixado pode ser acumulado como sacarose ou hexose nos vacúolos ou como amido nos amiloplastos Nos drenos em crescimento os açúcares po dem ser utilizados para a respiração e para a síntese de outras moléculas necessárias ao crescimento Partição dos açúcares de transporte entre vários drenos Os drenos competem pelos fotossintatos que estão sen do exportados pelas fontes Essa competição determina a distribuição de açúcares de transporte entre os vários tecidosdreno da planta partição pelo menos em curto prazo A alocação de açúcar no dreno armazenamento ou metabolismo afeta sua capacidade de competir pelos açúcares disponíveis Dessa maneira há interação entre os processos de partição e de alocação Evidentemente os eventos nas fontes e nos drenos de vem ser sincronizados O processo de partição determina os padrões de crescimento e o crescimento deve ser equi librado entre a parte aérea produtividade fotossintética e a raiz absorção de água e minerais de tal modo que a planta pode responder aos desafios de um ambiente variável O ob jetivo não é uma razão constante raizparte aérea mas uma razão que assegure um suprimento de carbono e nutrientes minerais apropriado para as necessidades da planta Assim existe um nível adicional de controle na intera ção entre as áreas de suprimento e de demanda A pressão de turgor nos elementos crivados poderia ser um meio impor tante de comunicação entre as fontes e os drenos atuando na coordenação das taxas de carregamento e descarrega mento Os mensageiros químicos também são importantes na sinalização do estado de um órgão para o outro na planta Esses mensageiros químicos incluem os hormônios vegetais e nutrientes como o potássio e o fosfato bem como os pró prios açúcares transportados Descobertas recentes sugerem que as macromoléculas RNA e proteínas também podem atuar na partição de fotossintatos talvez influenciando o transporte através dos plasmodesmos A conquista de produtividades mais altas de plantas cultivadas é uma meta da pesquisa de alocação e partição dos fotossintatos Enquanto os grãos e os frutos são exem plos de produção comestível a produção total inclui partes não comestíveis da parte aérea O índice de produção a proporção de rendimento econômico grão comestível em relação à biomassa total da parte aérea tem aumentado ao longo dos anos em grande parte devido aos esforços de especialistas em melhoramento vegetal Um dos obje tivos da fisiologia vegetal moderna é aumentar ainda mais a produtividade com base em uma compreensão funda mental do metabolismo do desenvolvimento e no presen te contexto da partição Contudo os processos de alocação e de partição na planta devem ser coordenados integralmente de tal modo que o aumento do transporte para os tecidos comestíveis não ocorra à custa de outros processos e estruturas essen ciais A produtividade de plantas cultivadas também pode Taiz11indd 309 Taiz11indd 309 27102016 144727 27102016 144727 310 Unidade II Bioquímica e Metabolismo ser aumentada se os fotossintatos normalmente perdi dos pela planta forem mantidos Por exemplo as perdas decorrentes da respiração não essencial ou da exsudação pelas raízes poderiam ser reduzidas Nesse último caso devese tomar cuidado para não interromper processos essenciais externos à planta como o crescimento de es pécies microbianas benéficas na região adjacente à raiz as quais obtêm nutrientes a partir dos exsudados da raiz As folhasfonte regulam a alocação Os aumentos na taxa de fotossíntese nas folhasfonte ge ralmente resultam em aumento na taxa de translocação a partir da fonte Os pontos de controle para alocação de fo tossintatos Figura 1122 incluem a distribuição de trioses fosfato para os seguintes processos Regeneração de intermediários do ciclo fotossintético C3 de redução do carbono o ciclo de CalvinBenson ver Capítulo 8 Síntese de amido Síntese de sacarose bem como distribuição da saca rose entre os pools de transporte e de armazenamento temporário Várias enzimas atuam nas rotas que processam os fotossintatos e o controle dessas etapas é complexo A pesquisa descrita a seguir foi centrada em espécies que carregam sacarose ativamente a partir do apoplasto espe cificamente durante o dia Estudos adicionais serão neces sários para aumentar nosso conhecimento em plantas que utilizam outras estratégias de carregamento bem como na regulação da alocação nessas espécies Durante o dia a taxa de síntese de amido nos cloro plastos deve ser coordenada com a síntese de sacarose no citosol As trioses fosfato gliceraldeído3fosfato e dihi droxiacetona fosfato produzidas no cloroplasto pelo ciclo de CalvinBenson ver Capítulo 8 podem ser usadas tan to na síntese de amido ou sacarose quanto na respiração A síntese de sacarose no citoplasma desvia a triose fosfato da síntese e da reserva do amido Por exemplo tem sido demonstrado que quando a demanda de sacarose por ou tras partes de uma planta de soja é alta menos carbono é armazenado como amido pelas folhasfonte As enzimas chave envolvidas na regulação da síntese de sacarose no citoplasma e na síntese de amido no cloroplasto são a sa carose fosfato sintase e a frutose16bifosfatase no cito plasma e a ADPglicose pirofosforilase no cloroplasto ver Figura 1122 e Capítulo 8 Entretanto há um limite na quantidade de carbono que em geral pode ser desviada da síntese de amido em espé cies que estocam o carbono principalmente na forma desse polissacarídeo Os estudos sobre alocação do amido e da sa carose sob diferentes condições sugerem que uma taxa rela tivamente estável de translocação durante um período de 24 horas é prioridade da maioria das plantas Ver Tópico 119 na internet para discussão complementar sobre o equilíbrio entre a síntese de amido e de sacarose nas folhasfonte Os tecidosdreno competem pelos fotossintatos translocados disponíveis Como discutido anteriormente a translocação para os teci dosdreno depende da posição do dreno em relação à fonte e das conexões vasculares entre a fonte e o dreno Outro fator determinante do padrão de transporte é a competição entre os drenos como entre os drenos terminais ou entre estes e os drenos axiais ao longo da rota de transporte Fo lhas jovens por exemplo podem competir com raízes pelos fotossintatos na corrente da translocação Essa competição tem sido demonstrada em numerosos experimentos em que a remoção de um tecidodreno de uma planta geral mente resulta em aumento da translocação para drenos alternativos e por conseguinte competitivos Inversamen te o tamanho aumentado do dreno como por exemplo o carregamento aumentado para o fruto diminui a translo cação para outros drenos especialmente as raízes Em um tipo inverso de experimento o suprimento das fontes pode ser alterado enquanto os tecidosdreno perma necem intactos Quando o suprimento de fotossintatos das fontes para drenos competidores é repentino e drasticamen Membrana interna do cloroplasto Sistema antiporte translocador de fosfato Frutose16 bifosfato Frutose6 fosfato Transporte ESTROMA DO CLOROPLASTO CITOSOL Intermediários do ciclo de CalvinBenson CO2 Triose fosfato Triose fosfato ADPG Reserva Amido Reserva Sacarose Sacarose fosfato UDPG 1 3 2 Pi Pi Pi Figura 1122 Esquema simplificado para a síntese de amido e sacarose durante o dia A triose fosfato formada no ciclo de Calvin Benson pode ser utilizada na formação de amido no cloroplasto ou transportada para o citosol em troca de fosfato inorgânico Pi via translocador de fosfato na membrana interna do cloroplasto A membrana externa do cloroplasto omitida aqui para simplificar o esquema é permeável a moléculas pequenas No citosol a triose fosfato pode ser convertida em sacarose para sua armazenagem no vacúolo ou para transporte ou ainda para ser degradada via glicólise As enzimaschave que estão envolvidas são a amido sinte tase 1 a frutose16bifosfatase 2 e a sacarose fosfato sintase 3 A segunda e a terceira enzimas em conjunto com a ADPglicose pi rofosforilase a qual forma a glicose adenosina difosfato ADPG de adenosine diphosphate glucose são enzimas reguladas na síntese de amido e sacarose ver Capítulo 8 UDPG glicose uridina difosfa to uridine diphosphate glucose De Preiss 1982 Taiz11indd 310 Taiz11indd 310 27102016 144727 27102016 144727 Capítulo 11 Translocação no Floema 311 te reduzido por sombreamento de todas as folhas com ex ceção de uma os tecidosdreno tornamse dependentes de uma única fonte Na beterraba e no feijoeiro as taxas de fo tossíntese e de exportação a partir de uma única folhafonte remanescente não sofrem alterações em curto prazo cerca de 8 horas Entretanto as raízes recebem menos açúcar de uma única fonte enquanto as folhas jovens recebem relati vamente mais Nesse sentido o sombreamento diminui a partição para as raízes Presumivelmente as folhas jovens podem exaurir o conteúdo de açúcar dos elementos criva dos de modo mais rápido e assim aumentar o gradiente de pressão e a taxa de translocação em sua própria direção Os tratamentos que tornam o potencial hídrico do dre no mais negativo aumentam o gradiente de pressão e pro movem o transporte para o dreno O tratamento de extremi dades de raízes de plântulas de ervilha Pisum sativum com soluções de manitol aumenta em pouco tempo a importa ção de sacarose em mais de 300 possivelmente devido ao decréscimo de turgor nas célulasdreno Experimentos de longo prazo mostraram a mesma tendência O estresse hí drico moderado nas raízes induzido por tratamento como polietilenoglicol aumentou a proporção de assimilados transportados para as raízes de macieiras por um período de 15 dias No entanto houve uma diminuição na propor ção transportada para o ápice caulinar Isso contrasta com o tratamento de sombra acima no qual a limitação da fonte desvia mais açúcar para as folhas jovens A intensidade do dreno depende de seu tamanho e atividade A capacidade do dreno de mobilizar fotossintatos em sua direção frequentemente é descrita como intensidade do dreno a qual depende de dois fatores o tamanho e a atividade do dreno como indicado a seguir Intensidade do dreno tamanho do dreno atividade do dreno O tamanho do dreno é a biomassa total do tecidodreno e a atividade do dreno é a taxa de absorção de fotossin tatos por unidade de biomassa do tecidodreno A alte ração do tamanho ou da atividade do dreno resulta em mudanças nos padrões de translocação Por exemplo a capacidade de uma vagem de ervilha de importar carbono depende da massa seca daquela vagem como uma propor ção do número total de vagens As mudanças na atividade do dreno podem ser com plexas pois várias atividades nos tecidosdreno podem limitar potencialmente a taxa de absorção por ele Essas atividades incluem o descarregamento dos elementos cri vados o metabolismo na parede celular a absorção a par tir do apoplasto e os processos metabólicos que utilizam os fotossintatos no crescimento ou no armazenamento Os tratamentos experimentais para manipular a in tensidade do dreno são com frequência não específicos Por exemplo o resfriamento de um tecidodreno que ini ba as atividades que necessitam de energia metabólica em geral resulta na diminuição da velocidade do transporte em direção ao dreno Experimentos mais recentes utilizam o conhecimento para superexpressar ou subexpressar en zimas específicas relacionadas à atividade do dreno como aquelas envolvidas no metabolismo da sacarose nesses te cidos As duas enzimas principais que clivam a sacarose são a invertase ácida e a sacarose sintase ambas com ca pacidade de catalisar a primeira etapa da utilização de sa carose O Tópico 1110 na internet discute a evidência da relação entre a atividade das enzimas de clivagem da sa carose especialmente a invertase e a demanda do dreno A fonte ajustase às alterações de longo prazo na razão fontedreno Se em uma planta de soja onde as folhas foram sombrea das uma única folha permanecer descoberta por um lon go período p ex oito dias muitas mudanças ocorrerão na folhafonte remanescente Tais mudanças incluem o decréscimo na concentração de amido e o aumento na taxa fotossintética na atividade da rubisco na concentração de sacarose no transporte a partir da fonte e na concentração de ortofosfato Assim além das alterações observadas em curto prazo na distribuição de fotossintatos entre os dife rentes drenos o metabolismo da fonte ajustase às condi ções alteradas em um prazo mais longo A taxa fotossintética a quantidade líquida de carbono fixado por unidade de área foliar por unidade de tempo muitas vezes aumenta por vários dias quando aumenta a demanda do tecidodreno e decresce quando diminui a demanda desse tecido Uma acumulação de fotossintatos sacarose ou hexoses na folhafonte pode ser responsável pela ligação entre a demanda do dreno e a taxa fotossinté tica nas plantas com armazenamento de amido ver Tópi co 1111 na internet Os açúcares agem como moléculas sinalizadoras que regulam muitos processos metabólicos e de desenvolvimento nos vegetais Em geral a depleção de carboidratos aumenta a expressão de genes para fotos síntese mobilização de reservas e processos de exportação enquanto o suprimento abundante de carbono promove a expressão de genes de armazenamento e utilização A sacarose ou as hexoses que seriam acumuladas como um resultado do decréscimo da demanda dos drenos repri mem a expressão dos genes fotossintéticos Curiosamente os genes que codificam a invertase e a sacarose sintase que podem catalisar a primeira etapa na utilização da sacarose e os genes para os transportadores de sacaroseH do tipo simporte que desempenham um papelchave no carrega mento apoplástico também estão entre aqueles regulados pelo suprimento de carboidratos Essa regulação da fotossíntese pela demanda do dre no sugere que aumentos contínuos na fotossíntese em resposta a concentrações elevadas de CO2 na atmosfera podem depender do aumento na intensidade do dreno aumentando a intensidade do dreno existente ou criando novos drenos Ver Capítulo 9 para discussão dos efeitos do aumento dos níveis de CO2 atmosférico na fotossíntese e o crescimento de plantas Taiz11indd 311 Taiz11indd 311 27102016 144727 27102016 144727 312 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Transporte de moléculas sinalizadoras Além de possuir como função principal o transporte de fo tossintatos em longas distâncias o floema é uma das vias de transporte para moléculas sinalizadoras de uma parte para outra do vegetal Esses sinais de longa distância co ordenam a atividade de fontes e drenos e regulam o cres cimento e o desenvolvimento da planta Como indicado anteriormente os sinais entre as fontes e os drenos podem ser físicos ou químicos Os sinais físicos como a mudan ça de turgor são transmitidos rapidamente por meio do sistema interconectado dos elementos crivados Molécu las consideradas tradicionalmente como sinais químicos como as proteínas e os hormônios vegetais são encontra das na seiva do floema bem como mRNAs e pequenos RNAs os quais recentemente foram incluídos na lista de moléculas sinalizadoras Os carboidratos translocados também podem atuar como sinais A pressão de turgor e os sinais químicos coordenam as atividades das fontes e dos drenos A pressão de turgor pode exercer um papel na coordena ção das atividades das fontes e dos drenos Por exemplo se o descarregamento do floema fosse rápido sob condições de utilização rápida de açúcar no tecidodreno as pres sões de turgor nos elementos crivados dos drenos seriam reduzidas e essa redução seria transmitida às fontes Se o carregamento fosse controlado em parte pelo turgor dos elementos crivados haveria um aumento no carregamento em resposta a este sinal dos drenos A resposta contrária seria observada quando o descarregamento fosse lento nos drenos O carregamento de açúcares de reservas em células ao longo da rota axial também responde às altera ções na demanda de soluto Alguns dados sugerem que o turgor celular pode modificar a atividade da ATPase bom beadora de prótons na membrana plasmática e portanto alterar as taxas de transporte As partes aéreas produzem reguladores de crescimen to como auxina a qual pode ser rapidamente transportada para as raízes pelo floema as raízes por sua vez produ zem citocininas que se movem para a parte aérea através do xilema As giberelinas GAs e o ácido abscísico ABA também são transportados por toda a planta no sistema vascular Os hormônios vegetais desempenham um papel importante na regulação das relações fontedreno Eles afetam a partição dos fotossintatos ao controlarem o cres cimento do dreno a senescência foliar e outros processos do desenvolvimento As respostas de defesa das plantas contra herbívoros e patógenos também podem alterar a alocação e a partição de fotoassimilados com hormônios de defesa como o ácido jasmônico mediando as respostas O carregamento da sacarose é estimulado por auxina exógena mas inibido pelo ABA em alguns tecidosfonte enquanto o ABA exógeno intensifica e a auxina inibe a absorção de sacarose por alguns tecidosdreno Os hor mônios poderiam regular o carregamento e o descarrega mento apoplástico influenciando os níveis de proteínas transportadoras na membrana plasmática Outros sítios potenciais da regulação hormonal do descarregamento in cluem os transportadores do tonoplasto as enzimas para o metabolismo da sacarose absorvida a extensibilidade da parede celular e a permeabilidade dos plasmodesmos no caso do descarregamento simplástico ver próxima seção Como indicado anteriormente os níveis de carboidra tos podem influenciar a expressão de genes que codificam componentes da fotossíntese assim como genes envolvi dos na hidrólise da sacarose Muitos genes têm sido ca racterizados como apresentando resposta à depleção e à abundância de açúcar Portanto a sacarose não é apenas transportada no floema esse carboidrato ou seus metabó litos podem atuar como sinais que modificam as ativida des das fontes e dos drenos Por exemplo na beterraba o mRNA do transportador de sacaroseH do tipo simporte diminui nas folhasfonte supridas com sacarose exóge na pelo xilema O declínio do mRNA do transportador é acompanhado por uma perda da atividade do transpor tador nas vesículas da membrana plasmática isoladas das folhas Um modelo funcional inclui as seguintes etapas 1 A diminuição da demanda do dreno leva a altos níveis de sacarose no sistema vascular 2 Níveis altos de sacarose levam a uma diminuição do transportador na fonte 3 A diminuição do carregamento resulta em aumento da concentração de sacarose na fonte O aumento das concentrações de sacarose na fonte pode resultar em taxa fotossintética menor ver Tópico 1111 na internet O aumento na acumulação de amido nas folhasfonte de plantas transformadas com DNA an tissenso para o transportador de sacaroseH do tipo sim porte SUT1 também apoia esse modelo Os açúcares e outros metabólitos parecem interagir com sinais hormonais para o controle e a integração de muitos processos nos vegetais A expressão gênica em al guns sistemas fontedreno responde tanto a sinais hormo nais quanto a açúcares Proteínas e RNAs atuam como moléculas sinalizadoras no floema para regular o crescimento e o desenvolvimento vegetal Sabese há muito tempo que os vírus podem se mover no floema deslocandose como complexos de proteínas e ácidos nucleicos ou como partículas virais intactas Recen temente moléculas endógenas de RNA e proteínas foram encontradas na seiva do floema e algumas delas podem atuar como moléculas sinalizadoras ou gerar sinais mó veis no floema Para ser considerada como um sinalizador vegetal a macromolécula deve preencher alguns critérios A macromolécula deve moverse da fonte ao dreno pelo floema A macromolécula deve ser capaz de sair do complexo elemento crivadocélula companheira nos tecidos Taiz11indd 312 Taiz11indd 312 27102016 144727 27102016 144727 Capítulo 11 Translocação no Floema 313 dreno De forma alternativa ela deve desencadear a formação de um sinal secundário que transmite a in formação para os tecidosfonte adjacentes ao floema ou seja deve iniciar uma cascata de sinal Talvez o mais importante a macromolécula deve ser capaz de modificar as funções de células específicas no dreno O quanto as várias moléculas presentes no floema preen chem esses critérios Pelo menos algumas proteínas sintetizadas nas célu las companheiras podem entrar nos elementos crivados pelos plasmodesmos que conectam os dois tipos celulares e se mover pela corrente de translocação para os tecidos dreno Por exemplo o movimento passivo de proteínas das células companheiras para os elementos crivados foi demonstrado em plantas de Arabidopsis e de tabaco trans formadas com o gene da proteína verde fluorescente GFP green fluorescent protein de águaviva sob o controle do promotor SUC2 de Arabidopsis O transportador de saca roseH SUC2 do tipo simporte é sintetizado nas células companheiras de modo que as proteínas expressas sob o controle do promotor desse gene também são sintetizadas nessas células incluindo a GFP A GFP que é localiza da por sua fluorescência após a excitação com a luz azul movese pelos plasmodesmos das células companheiras para os elementos crivados de folhasfonte Figura 1123A e migra pelo floema até os tecidosdreno como fazem as proteínas maiores fusionadas à GFP No entanto somente a GFP livre é capaz de se mover pela via simplástica para os tecidosdreno da raiz Figura 1123B De fato existem poucas evidências de um movimento de proteínas a partir de células externas ao complexo elemento crivadocélula companheira para o floema da fonte ou de um movimento de proteínas do floema para os tecidosdreno externos ao complexo elemento crivadocélula companheira Entretan to o transporte pelo floema de proteínas que modificam funções celulares foi demonstrado sugerindo que algum sinal seja a própria proteína ou outra molécula sinaliza dora movese entre o complexo elemento crivadocélula companheira e as células adjacentes das fontes e dos dre nos Um exemplo clássico é a proteína FLOWERING LO CUS T FT que parece ser um componente importante no estímulo floral que se move da folhafonte ao ápice onde induz o florescimento em resposta a condições de indução ver Capítulo 20 A proteína FT parece se mover das célu las companheiras das folhasfonte onde é expressa para os elementos crivados das fontes provavelmente por difu são pelos plasmodesmos O movimento da proteína FT nos tecidos apicais também foi demonstrado e acreditase que ocorra por uma via seletiva Ver próxima seção Os RNAs transportados no floema consistem em mRNAs endógenos RNAs patogênicos e pequenos RNAs associados ao silenciamento gênico ver Capítulo 2 A maioria desses RNAs parece se deslocar no floema como complexos RNAproteína ribonucleoproteínas RNPs Assim como as proteínas no floema existe pouca evidên cia sobre o movimento desses RNAs entre o complexo ele mento crivadocélula companheira e os tecidos adjacen tes No entanto alguns mRNAs transportados no floema podem causar mudanças visíveis nos drenos após serem descarregados nos tecidosalvo Por exemplo o mRNA para um regulador das respostas ao ácido giberélico de nominado GAI foi localizado nos elementos crivados e nas células companheiras de abóbora Curcubita pepo e foi encontrado na seiva do floema dessa espécie Indivíduos transgênicos de tabaco expressando uma versão mutante do gene regulador apresentaram fenótipo anão e colo ração verdeescura O mRNA para o regulador mutante foi localizado nos elementos crivados e foi capaz de mo verse pelas junções do portaenxerto até o enxerto tipo selvagem sendo descarregado nos tecidos apicais Como consequência o fenótipo mutante foi observado no novo crescimento do enxerto selvagem Somente poucos mRNAs específicos parecem ser transportados por longas distâncias no floema Motivos nas sequências codificadoras e nas regiões não traduzidas do RNA desempenham função importante no movimento de longa distância do RNA GAI Resultados semelhantes 01 mm 2 mm A B Figura 1123 A fluorescência da GFP em folhafonte e folha dreno em indivíduos transgênicos de Arabidopsis expressando a GFP sob controle do promotor SUC2 indica que ela se move pelos plasmodesmos a partir das células companheiras para os elementos crivados das folhasfonte e a partir dos elementos crivados para o mesofilo adjacente das folhasdreno A A GFP é sintetizada nas células companheiras e se desloca para os elementos crivados da fonte conforme indicado pela fluorescência brilhante nas nervuras B A GFP livre é importada pela folhadreno e se desloca para o mesofilo adjacente Uma vez que a GFP se desloca para os teci dos circundantes as nervuras não ficam nitidamente delineadas e a fluorescência da GFP é muito mais difusa Embora a folhafonte em A pareça ter o mesmo tamanho da folhadreno em B a folha fonte é de fato muito maior Observe que as escalas em A e B são diferentes De Stadler et al 2005 Taiz11indd 313 Taiz11indd 313 27102016 144727 27102016 144727 314 Unidade II Bioquímica e Metabolismo foram obtidos para mRNA do fator de transcrição BEL5 em batata Solanum tuberosum Os transcritos BEL5 for mados nas folhas movemse no floema através das jun ções do portaenxerto aos ápices dos estolões no local da indução do tubérculo e o movimento está relacionado ao aumento da produção de tubérculos O acúmulo preferen cial de mRNA ocorre quando além das regiões codifica doras estão presentes regiões não traduzidas Ver Tópico 1112 na internet para discussão adicional sobre esses tópicos Plasmodesmos atuam na sinalização do floema Os plasmodesmos têm sido relacionados a praticamente todos os aspectos da translocação no floema do carrega mento e do transporte de longa distância os poros nas áreas crivadas e nas placas crivadas são plasmodesmos modificados à alocação e à partição Que função os plas modesmos exercem na sinalização macromolecular no floema O mecanismo de transporte pelos plasmodesmos denominado tráfego pode ser passivo sem destino ou seletivo e regulado Quando uma molécula se move pas sivamente seu tamanho deve ser menor que o limite de exclusão por tamanho SEL size exclusion limit do plas modesmo Como indicado anteriormente a GFP move se passivamente pelos plasmodesmos Por outro lado quando uma molécula se move de forma seletiva ela deve possuir um sinal de tráfego ou ser destinada de outra ma neira para o plasmodesmo O transporte de alguns fatores de transcrição e de proteínas de movimento viral parece ocorrer por meio de mecanismos seletivos As proteínas de movimento viral interagem diretamente com os plas modesmos para permitir a passagem dos ácidos nuclei cos virais entre as células Uma vez nos plasmodesmos as proteínas de movimento atuam para aumentar o SEL dos plasmodesmos permitindo a passagem do genoma viral entre as células Acreditase que as proteínas endó genas desempenhem funções similares às proteínas FT e às proteínas P ver Tópico 1112 na internet Também é necessária a interação com os componentes junto aos ou dentro dos plasmodesmos como as chaperonas É adequado finalizar este capítulo com tópicos de pes quisas que continuarão a desafiar fisiologistas vegetais no futuro a regulação do crescimento e do desenvolvimen to pelo transporte de RNA endógeno e proteínas sinali zadoras a natureza das proteínas que facilitam o trans porte dos sinais pelos plasmodesmos e a possibilidade de direcionar os sinais para drenos específicos em contraste com o fluxo de massa Muitas outras áreas potenciais de questionamentos foram indicadas neste capítulo como o mecanismo de transporte no floema de gimnospermas a natureza e a função de proteínas no lume dos elementos crivados e a magnitude dos gradientes de pressão nos ele mentos crivados especialmente em árvores Como sempre ocorre na ciência a resposta a uma pergunta gera muitas outras perguntas RESUMO A translocação no floema move os produtos da fotossíntese de folhas maduras para as áreas de crescimento e armazenagem O floema também transporta sinais químicos e redistribui íons e ou tras substâncias pelo corpo da planta Rotas de translocação Os elementos crivados floema conduzem açúcares e outros compostos orgânicos pela planta Figuras 111113 Durante o desenvolvimento os elementos crivados perdem muitas organelas mantendo somente a membrana plasmática as mitocôndrias e os plastídios modificados além do REL Figu ras 113 114 Os elementos crivados são interconectados por poros presentes em suas paredes celulares Figura 115 Em gimnospermas o REL recobre as áreas crivadas e é contínuo através dos poros crivados e a cavidade mediana Figura 116 Tabela 111 As proteínas P e a calose vedam o floema danificado limitando a perda de seiva As células companheiras auxiliam no transporte dos produtos fotossintéticos para os elementos crivados Elas também for necem proteínas e ATP aos elementos crivados Figuras 113 115 117 Padrões de translocação fontedreno A translocação no floema não é definida pela gravidade A sei va é translocada das fontes para os drenos e as rotas envolvidas muitas vezes são complexas Figura 118 Materiais translocados no floema A composição da seiva foi determinada os açúcares não redu tores são as principais moléculas transportadas Tabela 112 Figura 119 A seiva inclui proteínas muitas das quais podem ter funções relacionadas com reações ao estresse e de defesa Taxa de movimento As velocidades de transporte no floema são elevadas e exce dem muito a taxa de difusão em longa distância Modelo de fluxo de pressão um mecanismo passivo para a translocação no floema O modelo de fluxo de pressão explica a translocação no floema como um fluxo de massa de solução acionado por um gradien te de pressão gerado osmoticamente entre a fonte e o dreno Taiz11indd 314 Taiz11indd 314 27102016 144727 27102016 144727 Capítulo 11 Translocação no Floema 315 O carregamento do floema na fonte e o descarregamento do floema no dreno estabelecem o gradiente de pressão para o fluxo de massa passivo e de longa distância Figura 1110 Os gradientes de pressão nos elementos crivados podem ser moderados as pressões em plantas herbáceas e árvores pare cem ser semelhantes Modelos alternativos para a translocação de fluxo de massa estão sendo desenvolvidos Carregamento do floema A exportação de açúcares a partir das fontes envolve alocação de fotossintatos para o transporte transporte de curta distância e carregamento do floema O carregamento do floema pode ocorrer pelas rotas simplástica ou apoplástica Figura 1114 A sacarose é ativamente transportada para o complexo elemen to crivadocélula companheira na rota apoplástica Figuras 1115 1116 O modelo de aprisionamento de polímeros retém os polímeros que são sintetizados a partir da sacarose nas células interme diárias os oligossacarídeos maiores podem difundirse somente para os elementos crivados Figura 1117 As rotas de carregamento apoplástico e simplástico do floema apresentam características definidas Tabela 113 Descarregamento do floema e transição drenofonte A importação de açúcares nas célulasdreno envolve descarre gamento do floema transporte de curta distância e armazena mentometabolismo O descarregamento do floema e o transporte de curta distância podem ocorrer pelas rotas simplástica ou apoplástica em dre nos diferentes Figura 1118 O transporte para os tecidosdreno depende de energia A interrupção da importação e o início da exportação são even tos separados e há uma transição gradual de dreno para fonte Figuras 1119 1120 A transição de dreno para fonte requer algumas condições in cluindo a expressão e a localização do transportador de sacaro seH do tipo simporte Figura 1121 Distribuição dos fotossintatos alocação e partição A alocação nas folhasfonte inclui a síntese de compostos de armazenamento a utilização metabólica e a síntese de com postos para transporte A regulação da alocação deve controlar a distribuição do car bono fixado no ciclo de CalvinBenson a síntese de amido a síntese de sacarose e a respiração Figura 1122 Diversos sinais químicos e físicos estão envolvidos na partição de recursos entre os vários drenos Na competição por fotossintatos a intensidade do dreno de pende do seu tamanho e da sua atividade Em resposta a condições alteradas mudanças de curto prazo alteram a distribuição de fotossintatos entre diferentes drenos enquanto mudanças de longo prazo ocorrem no metabolismo da fonte e alteram a quantidade de fotossintatos disponíveis para transporte Transporte de moléculas sinalizadoras A pressão de turgor as citocininas as giberelinas e o ácido abs císico têm funções sinalizadoras na coordenação das atividades das fontes e dos drenos Algumas proteínas podem se mover das células companhei ras para os elementos crivados de folhasfonte e através do floema para folhasdreno Figura 1123 As proteínas e os RNAs transportados no floema podem alterar as funções celulares Mudanças no limite de exclusão por tamanho SEL podem con trolar o que passa pelos plasmodesmos MATERIAL DA INTERNET Tópico 111 Elementos crivados como células de trans porte entre fontes e drenos Vários métodos demonstram que o açúcar é transportado nos elementos crivados floema fatores anatômicos e de desenvolvimento afetam o padrão bá sico de transporte fontedreno Tópico 112 Um mecanismo adicional para bloquear elementos crivados danificados na família das legumi nosas Corpos de proteína P rapidamente se dispersam e blo queiam os tubos crivados de leguminosas após o ferimento Tópico 113 Amostra da seiva do floema Exsudação a par tir de ferimentos e de estiletes excisados de afídeos libera seiva do floema suficiente para análise Tópico 114 Transporte de nitrogênio no floema A soja é uma espécie de importância econômica amplamente utilizada para estudar o transporte de nitrogênio no floema Tópico 115 Monitoramento do trânsito na autoestrada de açúcar taxas de transporte de açúcar no floema Várias técnicas medem a taxa de transferência de massa no floema a massa seca em movimento por um corte transversal do elemen to crivado por unidade de tempo Tópico 116 Modelos alternativos para o fluxo de mas sa Alguns modelos matemáticos sugerem que o gradiente de pressão nos elementos crivados é pequeno Tópico 117 Experimentos sobre o carregamento do floema Existem evidências para o carregamento apoplástico Taiz11indd 315 Taiz11indd 315 27102016 144727 27102016 144727 316 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Leituras sugeridas Andriunas F A Zhang HM Xia X Patrick J W and Offler C E 2013 Intersection of transfer cells with phloem biologyBroad evolutionary trends function and induction Front Plant Sci 4 221 DOI 103389 fpls201300221 Holbrook N M and Zwieniecki M A eds 2005 Vascular Transport in Plants Elsevier Academic Press Burlington MA Jekat S B Ernst A M von Bohl A Zielonka S Twyman R M Noll G A and Prufer D 2013 Pproteins in Arabidopsis are heteromeric structures involved in rapid sieve tube sealing Front Plant Sci 4 225 DOI 103389 fpls201300225 Knoblauch M and Oparka K 2012 The structure of the phloem Still more questions than answers Plant J 70 147156 Liesche J and Schulz A 2013 Modeling the parameters for plasmodesmatal sugar filtering in active symplasmic phloem loaders Front Plant Sci 4 207 DOI 103389 fpls201300207 Mullendore D L Windt C W Van As H and Knoblauch M 2010 Sieve tube geometry in relation to phloem flow Plant Cell 22 579593 Patrick J W 2013 Does Don Fishers highpressure manifold model account for phloem transport and resource partitioning Front Plant Sci 4 184 Slewinski T L Zhang C and Turgeon R 2013 Structural and functional heterogeneity in phloem loading and transport Front Plant Sci 4 244 DOI 103389 fpls201300244 Thompson G A and van Bel A J E eds 2013 Phloem Molecular Cell Biology Systemic Communication Biotic Interactions WileyBlackwell Ames IA Turgeon R 2010 The puzzle of phloem pressure Plant Physiol 154 578581 Yoo SC Chen C Rojas M Daimon Y Ham BK Araki T and Lucas W J 2013 Phloem longdistance delivery of FLOWERING LOCUS T FT to the apex Plant J 75 456 468 Zhang C Yu X Ayre B G and Turgeon R 2012 The origin and composition of cucurbit phloem exudate Plant Physiol 158 18731882 dos elementos crivados em algumas espécies e para o carrega mento simplástico aprisionamento de polímeros em outras En quanto carreadores ativos foram identificados e caracterizados para algumas substâncias que entram no floema outras subs tâncias podem entrar passivamente nos elementos crivados Tópico 118 Experimentos sobre o descarregamento do floema O descarregamento apoplástico varia em suas neces sidades de energia e na função da invertase da parede celular Tópico 119 Alocação nas folhasfonte o equilíbrio entre a síntese de amido e sacarose Experimentos com mutantes e plantas transgênicas revelam a flexibilidade na regulação da síntese de amido e de sacarose nas folhasfonte Tópico 1110 Partição o papel das enzimas do metabo lismo de sacarose nos drenos O aumento na atividade da invertase da parede celular pode potencializar o transporte para um dreno enquanto a diminuição na atividade pode inibir o transporte para o dreno Tópico 1111 Os possíveis mecanismos de ligação entre a demanda do dreno e a taxa fotossintética nos armaze nadores de amido A acumulação de fotossintatos diminui a taxa fotossintética Tópico 1112 Proteínas e RNAs moléculas de sinalização no floema Algumas proteínas e RNAs são transportados en tre células companheiras e elementos crivados deslocamse pelos elementos crivados entre as fontes e os drenos e podem alterar funções celulares nos drenos Existe pouca evidência sobre o movimento de proteínas fora das células compa nheiras Taiz11indd 316 Taiz11indd 316 27102016 144727 27102016 144727 12 A fotossíntese fornece as unidades orgânicas básicas das quais de pendem as plantas e quase todos os outros organismos Com seu metabolismo de carbono associado a respiração libera de maneira contro lada a energia armazenada nos compostos de carbono para uso celular Ao mesmo tempo ela gera muitos precursores de carbono para a biossíntese Este capítulo inicia revisando a respiração em seu contexto metabólico enfatizando as conexões entre os processos envolvidos e as características especiais peculiares às plantas A respiração será também relacionada aos recentes desenvolvimentos na compreensão da bioquímica e da biologia molecular das mitocôndrias vegetais e dos fluxos respiratórios em tecidos de plantas intactas Em seguida são descritas as rotas da biossíntese de lipídeos que levam à acumulação de gorduras e óleos usados para a arma zenagem de energia e carbono por muitas espécies vegetais A síntese de lipídeos e sua influência sobre as propriedades das membranas também são examinadas Finalmente são discutidas as rotas catabólicas envolvidas na decomposição de lipídeos e na conversão de seus produtos da degradação em açúcares que ocorre durante a germinação de sementes oleaginosas Visão geral da respiração vegetal A respiração aeróbica que exige oxigênio é comum a quase todos os orga nismos eucarióticos e em linhas gerais o processo respiratório em plantas é similar àquele encontrado em animais e outros eucariotos aeróbicos No entanto alguns aspectos específicos da respiração vegetal distinguemna de seu equivalente animal A respiração aeróbica é o processo biológico pelo qual compostos orgânicos reduzidos são oxidados em uma maneira controlada Durante a respiração a energia é liberada e armazenada tran sitoriamente em um composto trifosfato de adenosina ATP de adeno sine triphosphate que é usado pelas reações celulares para manutenção e desenvolvimento A glicose geralmente é citada como o substrato para a respiração Na maioria dos tipos de células vegetais entretanto o carbono reduzido é deri vado de fontes como o dissacarídeo sacarose outros açúcares ácidos orgâ nicos trioses fosfato da fotossíntese e metabólitos da degradação lipídica e proteica Figura 121 Respiração e Metabolismo de Lipídeos Taiz12indd 317 Taiz12indd 317 27102016 145441 27102016 145441 318 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Do ponto de vista químico a respiração vegetal pode ser expressa como a oxidação da molécula de 12 carbonos sacarose e a redução de 12 moléculas de O2 C12H22O11 13 H2O 12 CO2 48 H 48 e 12 O2 48 H 48 e 24 H2O resultando na seguinte reação líquida C12H22O11 12 O2 12 CO2 11 H2O Essa reação é o inverso do processo fotossintético ela re presenta uma reação redox acoplada na qual a sacarose é completamente oxidada a CO2 enquanto o oxigênio ser ve como aceptor final de elétrons sendo reduzido à água no processo A variação na energia livre de Gibbs padrão ΔG0 para a reação líquida é 5760 kJ por mol 342 g de sacarose oxidada Esse grande valor negativo significa que o ponto de equilíbrio é fortemente deslocado para a direita e muita energia é portanto liberada pela degrada ção da sacarose A liberação controlada dessa energia livre em conjunto com seu acoplamento à síntese de ATP é a principal função do metabolismo respiratório embora de maneira alguma a única Para impedir o dano por aquecimento de estrutu ras celulares a célula oxida a sacarose em uma série de reações graduais Essas reações podem ser agrupadas em quatro processos principais a glicólise a rota oxidativa das pentoses fosfato o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa Essas rotas não funcionam isoladamente mas trocam metabólitos em vários níveis Os substratos para a respiração entram no processo respiratório em diferentes pontos das rotas conforme resumido na Figura 121 A glicólise envolve uma série de reações catalisadas por enzimas localizadas tanto no citosol quanto nos plastídios Um açúcar por exemplo a sacarose é parcialmente oxidado via açúcares fosfato de seis car bonos hexoses fosfato e açúcares fosfato de três car bonos trioses fosfato para produzir um ácido orgâ nico por exemplo piruvato O processo rende uma pequena quantidade de energia como ATP e exerce poder redutor sob a forma do nucleotídeo nicotinami da reduzido NADH Na rota oxidativa das pentoses fosfato também lo calizada tanto no citosol quanto nos plastídios a gli cose6fosfato de seis carbonos é inicialmente oxida da a ribulose5fosfato de cinco carbonos O carbono é perdido como CO2 e o poder redutor é conservado na forma de outro nucleotídeo nicotinamida reduzi do NADPH Nas reações subsequentes próximas ao equilíbrio da rota das pentoses fosfato a ribulose5 fosfato é convertida em açúcares de 3 a 7 carbonos Esses intermediários podem ser usados em rotas bios sintéticas ou reentrar na glicólise NADPH ATP ATP NADH NADH FADH2 NADPH Açúcares Amido Armazenagem transporte no floema CITOSOL PLASTÍDIO MITOCÔNDRIA HexoseP HexoseP TrioseP TrioseP Fotossíntese Ácidos orgânicos Rota das pentoses fosfato Glicólise Ciclo do ácido cítrico Fosforilação oxidativa Decomposição de lipídeos PentoseP CO2 CO2 O2 Rota das pentoses fosfato PentoseP CO2 Armazenagem Figura 121 Visão geral da respiração Os substratos para a respiração são gera dos por outros processos celulares e en tram nas rotas respiratórias As rotas da glicólise e oxidativa das pentoses fosfato no citosol e nos plastídios convertem açúcares em ácidos orgânicos como o piruvato via hexoses fosfato e trioses fosfato gerando NADH ou NADPH e ATP Os ácidos orgâni cos são oxidados no ciclo mitocondrial do ácido cítrico o NADH e o FADH2 produzi dos fornecem a energia para a síntese de ATP pela cadeia de transporte de elétrons e ATPsintase na fosforilação oxidativa Na gliconeogênese o carbono oriundo da de composição de lipídeos é degradado nos glioxissomos metabolizado no ciclo do áci do cítrico e após utilizado para sintetizar açúcares no citosol por glicólise reversa Taiz12indd 318 Taiz12indd 318 27102016 145442 27102016 145442 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 319 No ciclo do ácido cítrico piruvato é oxidado comple tamente a CO2 via oxidações graduais de ácidos orgâ nicos no compartimento mais interno da mitocôndria a matriz Esse processo mobiliza a maior quantidade de poder redutor 16 NADH 4 FADH2 por sacarose e uma pequena quantidade de energia ATP a partir da decomposição da sacarose Na fosforilação oxidativa os elétrons são transferi dos ao longo de uma cadeia de transporte de elétrons que consiste em uma série de complexos proteicos in seridos na mais interna das duas membranas mito condriais Esse sistema transfere elétrons do NADH e espécies relacionadas produzidos por glicólise rota oxidativa das pentoses fosfato e ciclo do ácido cítrico ao oxigênio Essa transferência de elétrons desprende uma grande quantidade de energia livre da qual boa parte é conservada por meio da síntese de ATP a par tir de ADP e Pi fosfato inorgânico e catalisada pela enzima ATPsintase Coletivamente as reações redox da cadeia de transporte de elétrons e a síntese de ATP são chamadas de fosforilação oxidativa Nicotinamida adenina dinucleotídeo NADNADH é um cofator orgânico coenzima associado a muitas en zimas que catalisam reações redox celulares NAD é a forma oxidada que sofre uma redução reversível envol vendo dois elétrons para produzir NADH Figura 122 O potencial de reduçãopadrão para o par redox NAD NADH é cerca de 320 mV Isso indica que o NADH é um redutor relativamente forte ie doador de elétrons que pode conservar a energia livre carregada pelos elétrons liberados durante as oxidações graduais da glicólise e do ciclo do ácido cítrico Um composto relacionado nicoti namida adenina dinucleotídeo fosfato NADPNADPH tem uma função similar na fotossíntese ver Capítulos 7 e 8 e na rota oxidativa das pentoses fosfato bem como participa do metabolismo mitocondrial Esses papéis serão discutidos mais adiante neste capítulo NAD NADP NADPH FAD FMN FADH2 FMNH2 A B H H P O OCH2 O H2CO O O O P O H O H H H HO H H H NH2 H H H CONH2 N N N N 2O3P O HO OH H H H N H H O H3C H3C N N N H H H H H CONH2 P O O H2CO O O O P O CH2 CH2 HCOH HCOH HCOH O H O H H HO H H H H NH2 2 e 2 H N N N N NH O H H H H O H3C CH2 HCOH H3C N N NH O 2 e H N N Figura 122 Estruturas e reações dos principais nucleotídeos carregadores de elétrons envolvidos na bioenergética respiratória A Redução do NADP a NADPH Um hidrogênio em vermelho no NAD é substituído por um grupo fosfato também em verme lho no NADP B Redução do FAD a FADH2 O FMN é idêntico à porção flavina do FAD e é mostrado na caixa tracejada As áreas sombreadas de azul mostram as porções das moléculas que estão envolvidas na reação redox Taiz12indd 319 Taiz12indd 319 27102016 145442 27102016 145442 320 Unidade II Bioquímica e Metabolismo ATP ATP ATP CITOSOL CLOROPLASTO Amido Fotossíntese Trioses fosfato Frutose Glicose UDPglicose Frutose 6P Frutose16bifosfato Gliceraldeído3 fosfato 13bifosfoglicerato 3fosfoglicerato Dihidroxiacetona fosfato Glicose 6P Glicose 6P Glicose 1P UDP A Sacarose sintase Hexoquinase Hexose fosfato isomerase Fosfofrutoquinase dependente de PPi Hexose fosfato isomerase Triose fosfato isomerase Gliceraldeído3fosfato desidrogenase Fosfoglicerato quinase Piruvato quinase Lactato desidrogenase Piruvato descarboxilase Álcool desidrogenase Fosfoglicerato mutase Fosfofrutoquinase dependente de ATP Hexoquinase Invertase UDPglicose pirofosforilase PPi UTP NAD H2O CO2 2fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Oxaloacetato Malato Piruvato Lactato Etanol Reações de fermentação Acetaldeído Enolase HCO3 Malato desidrogenase Vacúolo MITOCÔNDRIA Fosfoglicomutase Aldolase Sacarose Glicólise ADP ADP ADP ATP ATP ADP ADP Trioses fosfato Hexoses fosfato NAD NAD NADH NADH NADH NAD NADH PEPcarboxilase Fase inicial da glicólise Substratos de diferentes fontes são canalizados em triose fosfato Para cada molécula de sacarose que é metabolizada quatro moléculas de triose fosfato são formadas O processo requer uma adição de até 4 ATPs Fase de conservação de energia da glicólise A triose fosfato é convertida a piruvato NAD é reduzido a NADH pela gliceraldeído3fosfato desidrogenase ATP é sintetizado nas reações catalisadas por fosfoglicerato quinase e piruvato quinase Um produto final alternativo fosfoenolpiruvato pode ser convertido a malato para oxidação mitocondrial ou armazenagem no vacúolo NADH pode ser reoxidado durante a fermentação tanto pela lactato desidrogenase como pela álcool desidrogenase Pi Pi Pi PPi Taiz12indd 320 Taiz12indd 320 27102016 145442 27102016 145442 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 321 A oxidação do NADH pelo oxigênio via cadeia de transporte de elétrons desprende energia livre 220 kJ mol1 que governa a síntese de cerca de 60 ATPs como será visto mais adiante Podese elaborar um quadro mais complexo da respiração relacionado ao seu papel no meta bolismo energético celular acoplando as duas reações que seguem C12H22O11 12 O2 12 CO2 11 H2O 60 ADP 60 Pi 60 ATP 60 H2O Deve ser lembrado que nem todo carbono que entra na rota respiratória termina como CO2 Muitos interme diários de carbono respiratórios são os pontos de parti da para rotas que sintetizam aminoácidos nucleotídeos lipídeos e muitos outros compostos Glicólise Nas etapas iniciais da glicólise das palavras gregas glykos açúcar e lysis quebra carboidratos são convertidos em hexosesfosfato cada uma das quais é então decomposta em duas trioses fosfato Em uma fase subsequente conser vadora de energia cada triose fosfato é oxidada e rearranja da produzindo uma molécula de piruvato um ácido orgâ nico Além de preparar o substrato para a oxidação no ciclo do ácido cítrico a glicólise produz uma pequena quantidade de energia química sob a forma de ATP e de NADH Quando o oxigênio molecular não está disponível por exemplo em raízes em solos alagados a glicólise pode ser a fonte principal de energia para as células Para essa tarefa as rotas fermentativas realizadas no citosol de vem reduzir o piruvato para reciclar o NADH produzido na glicólise Nesta seção são descritas as rotas glicolíticas e fermentativas básicas enfatizando as características que são específicas para as células vegetais Na seção seguinte será discutida a rota das pentoses fosfato outra rota em plantas para a oxidação de açúcares A glicólise metaboliza carboidratos de várias fontes A glicólise ocorre em todos os organismos vivos proca riotos e eucariotos As principais reações associadas à rota glicolítica clássica em plantas são quase idênticas àquelas em células animais Figura 123 No entanto a glicólise em plantas tem características reguladoras singulares ro tas enzimáticas alternativas para várias etapas e uma rota glicolítica parcial paralela em plastídios Em animais o substrato para a glicólise é a glicose e o produto final é o piruvato Visto que na maioria das plantas a sacarose é o principal açúcar translocado e portanto a forma de carbono que a maioria dos tecidos não fotossintéticos importa ela e não a glicose pode ser considerada como o verdadeiro substrato de açúcar para a respiração vegetal Os produtos finais da glicólise vegetal incluem outro ácido orgânico o malato Nas etapas iniciais da glicólise a sacarose é decompos ta em duas unidades de monossacarídeos glicose e fruto se que podem prontamente ingressar na rota glicolítica Duas rotas para a decomposição da glicose são conhecidas em plantas sendo que ambas participam na utilização da sacarose a partir do descarregamento do floema ver Ca pítulo 11 a rota da invertase e a rota da sacarose sintase As invertases hidrolisam a sacarose na parede celular no vacúolo ou no citosol em suas duas hexoses compo nentes glicose e frutose As hexoses são então fosfori ladas no citosol por uma hexoquinase que usa ATP para formar hexoses fosfato Alternativamente sacarose sintase combina a sacarose com UDP produzindo frutose e UDP glicose no citosol A UDPglicose pirofosforilase então Sacarose Glicose 6P B Frutose 6P Frutose16bifosfato Gliceraldeído3P 3Pglicerato 2Pglicerato Piruvato Lactato Acetaldeído Etanol Fosfoenolpiruvato DihidroxiacetonaP 13bifosfoglicerato O P P P P P C H O HCOH H2CO P C O O HCOH H2CO P C O O HCO H2COH P C O O CO H2C C O O C O C O CH3 C O O HCOH CH3 H CH3 CH2OH CH3 P P CO O HCOH H2CO P C O H2COH H2CO O CH2OH CH2OH OH H H H H OH OH HO HO H H OH2C OH H OH OH HO O HOCH2 CH2OH OH OH OH2C HO CH2O OH OH OH2C H H H H H H H HO H O O O Figura 123 Reações da glicólise e da fermentação vegetais A Na rota glicolítica principal a sacarose é oxidada via hexoses fosfato e trioses fosfato ao ácido orgânico piruvato mas as plantas também realizam reações alternativas Todas as enzimas incluídas nesta figu ra foram medidas em níveis suficientes para sustentar as taxas de respiração observadas em tecidos intactos e os fluxos pela rota fo ram observados in vivo As setas duplas indicam reações reversíveis as setas simples reações essencialmente irreversíveis B Estruturas de intermediários de carbono P grupo fosfato Taiz12indd 321 Taiz12indd 321 27102016 145442 27102016 145442 322 Unidade II Bioquímica e Metabolismo converte UDPglicose e pirofostafo PPi em UTP e glico se6fosfato ver Figura 123 Enquanto a reação da saca rose sintase é próxima ao equilíbrio a reação da invertase é essencialmente irreversível dirigindo o fluxo adiante Por meio de estudos de plantas transgênicas caren tes de invertases específicas ou sacarose sintase foi cons tatado que cada enzima é essencial para processos vitais específicos mas diferenças são observadas entre tecidos e espécies vegetais Por exemplo a sacarose sintase e a invertase da parede celular são necessárias para o desen volvimento normal do fruto em várias espécies cultivadas enquanto a degradação citosólica da sacarose pela inverta se é necessária para a integridade ótima da parede celular de células da raiz e a respiração foliar em Arabidopsis tha liana Tanto a sacarose sintase e quanto a invertase podem degradar sacarose na glicólise e se uma das enzimas não está presente por exemplo em um mutante as outras enzimas podem ainda manter a respiração A existên cia de rotas diferentes que servem a uma função similar e podem portanto substituirse mutuamente sem uma clara perda de função é chamada de redundância meta bólica ela é uma característica comum no metabolismo vegetal Em plastídios ocorre uma glicólise parcial que produz metabólitos para reações biossintéticas plastidiais por exemplo a síntese de ácidos graxos tetrapirróis e ami noácidos aromáticos O amido é sintetizado e catabolizado somente nos plastídios e o carbono obtido da degradação do amido p ex em um cloroplasto à noite ingressa na rota glicolítica no citosol primariamente como glicose ver Capítulo 8 Na luz os produtos fotossintéticos entram na rota glicolítica diretamente como triose fosfato Em linhas gerais a glicólise funciona como um funil com uma fase inicial coletando carbono de diferentes fontes de carboi dratos dependendo da condição fisiológica Na fase inicial da glicólise cada unidade de hexose glicose é fosforilada duas vezes e depois decomposta produzindo consequentemente duas moléculas de triose fosfato Essa série de reações consome de 2 a 4 moléculas de ATP por unidade de sacarose dependendo de a sacaro se ser decomposta pela sacarose sintase ou pela invertase Essas reações também incluem duas das três reações es sencialmente irreversíveis da rota glicolítica as quais são catalisadas pela hexoquinase e pela fosfofrutoquinase ver Figura 123 Como será visto mais adiante a reação da fosfofrutoquinase é um dos pontos de controle da glicóli se tanto em plantas quanto em animais A fase de conservação de energia da glicólise extrai energia utilizável As reações discutidas até agora transferem carbono dos diversos pools de substrato para trioses fosfato Uma vez formado o gliceraldeído3fosfato a rota glicolítica pode co meçar a extrair energia utilizável na fase de conservação de energia A enzima gliceraldeído3fosfato desidrogenase catalisa a oxidação de aldeído a um ácido carboxílico re duzindo NAD a NADH Essa reação desprende energia livre suficiente permitindo a fosforilação usando fosfa to inorgânico do gliceraldeído3fosfato para produzir 13bifosfoglicerato O ácido carboxílico fosforilado no carbono 1 do 13bifosfoglicerato ver Figura 123 tem uma grande variação de energia livre padrão ΔG0 de hi drólise 493 kJ mol1 Assim o 13bifosfoglicerato é um forte doador de grupos fosfato Na etapa seguinte da glicólise catalisada pela fosfo glicerato quinase o fosfato no carbono 1 é transferido para uma molécula de ADP produzindo ATP e 3fosfoglicerato Para cada sacarose que entra na rota são gerados quatro ATPs por essa reação um para cada molécula de 13bi fosfoglicerato Esse tipo de síntese de ATP tradicionalmente deno minada fosforilação em nível de substrato envolve a transferência direta de um grupo fosfato de uma molécula de substrato para o ADP formando ATP A síntese de ATP por fosforilação em nível de substrato tem mecanismo distinto da síntese de ATP pelas ATPsintases envolvidas na fosforilação oxidativa em mitocôndrias que é descrita mais adiante neste capítulo ou na fotofosforilação em clo roplastos ver Capítulo 7 Nas duas reações seguintes o fosfato do 3fosfoglice rato é transferido para o carbono 2 e então uma molécula de água é removida produzindo o composto fosfoenolpiru vato PEP de phosphoenolpyruvate O grupo fosfato no PEP tem uma alta ΔG0 de hidrólise 619 kJ mol1 que faz do PEP um doador de fosfato extremamente adequado para a formação de ATP Usando PEP como substrato a enzi ma piruvato quinase catalisa uma segunda fosforilação em nível de substrato produzindo ATP e piruvato Essa etapa final que é o terceiro passo essencialmente irreversível na glicólise produz quatro moléculas adicionais de ATP para cada sacarose que ingressa na rota As plantas têm reações glicolíticas alternativas A degradação glicolítica de açúcares em piruvato ocorre na maioria dos organismos mas muitos deles podem operar também uma rota similar na direção oposta Esse proces so para sintetizar açúcares a partir de ácidos orgânicos é conhecido como gliconeogênese A gliconeogênese é particularmente importante em plantas como a mamona Ricinus communis e o girassol que armazenam carbono na forma de óleos triacilglice róis nas sementes Quando a semente germina o óleo é convertido pela gliconeogênese em sacarose que é trans portada para as células em crescimento na plântula Na fase inicial da glicólise a gliconeogênese sobrepõese à rota de síntese da sacarose a partir da triosefosfato fo tossintética descrita no Capítulo 8 que é típica de plantas Uma vez que a reação glicolítica catalisada pela fosfo frutoquinase dependente de ATP é essencialmente irreversível ver Figura 123 uma enzima adicional a frutose16bifos fato fosfatase converte a frutose16bifosfato irreversivel mente em frutose6fosfato e Pi durante a gliconeogênese A fosfofrutoquinase dependente de ATP e a frutose16 Taiz12indd 322 Taiz12indd 322 27102016 145442 27102016 145442 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 323 bifosfato fosfatase representam um importante ponto de controle do fluxo de carbono mediante as rotas glicolítica gliconeogênica tanto em plantas quanto em animais assim como na síntese de sacarose em plantas ver Capítulo 8 Em plantas a interconversão da frutose6fosfato e da frutose16bifosfato tornase mais complexa devido à presença de uma enzima citosólica adicional uma fos fofrutoquinase dependente de PPi pirofosfatofrutose6fos fato 1fosfotransferase a qual catalisa a seguinte reação reversível ver Figura 123 Frutose6P PPi frutose16bifosfato Pi em que P representa fosfato ligado A fosfofrutoquinase dependente de PPi é encontrada no citosol da maioria dos tecidos vegetais em níveis consideravelmente mais altos do que aqueles da fosfofrutoquinase dependente de ATP A reação catalisada pela fosfofrutoquinase dependente de PPi é prontamente reversível mas é improvável que ela opere na síntese de sacarose A supressão da fosfo frutoquinase dependente de PPi em plantas transgênicas mostrou que ela contribui para a conversão glicolítica de hexoses fosfato a trioses fosfato porém ela não é essencial para a sobrevivência da planta indicando que a fosfofru toquinase dependente de ATP pode assumir sua função As três enzimas que interconvertem frutose6fosfato e frutose16bifosfato são todas reguladas para correspon der às exigências da planta tanto pela respiração como pela síntese de sacarose e polissacarídeos Como consequência a operação de rota glicolítica em plantas tem várias carac terísticas singulares ver Ensaio 121 na internet No final do processo glicolítico as plantas exibem rotas alternativas para metabolizar o PEP Em uma rota o PEP é carboxilado pela enzima citosólica de ocorrên cia generalizada PEPcarboxilase para formar o ácido orgânico oxalacetato O oxalacetato é então reduzido a malato pela ação da malato desidrogenase que usa NADH como uma fonte de elétrons ver Figura 123 O malato resultante pode ser armazenado por exportação para o vacúolo ou transportado para a mitocôndria onde pode ser usado no ciclo do ácido cítrico discutido mais adian te Assim a ação da piruvato quinase e da PEPcarboxi lase pode produzir piruvato ou malato para a respiração mitocondrial se bem que o piruvato predomina na maio ria dos tecidos Na ausência de oxigênio a fermentação regenera o NAD necessário para a glicólise A fosforilação oxidativa não funciona na ausência de oxi gênio Portanto a glicólise não pode continuar porque o suprimento celular de NAD é limitado e uma vez que o NAD fica aprisionado no estado reduzido NADH a gliceraldeído3fosfatodesidrogenase chega a um im passe Para superar essa limitação as plantas e outros organismos podem prosseguir na metabolização do pi ruvato realizando uma ou mais formas de fermentação ver Figura 123 A fermentação alcoólica é comum em plantas embo ra mais amplamente conhecida pela levedura de cerveja Duas enzimas piruvato descarboxilase e álcool desidro genase atuam sobre o piruvato produzindo ao final eta nol e CO2 e oxidando NADH no processo Na fermentação do ácido láctico comum em músculo de mamíferos mas também encontrada em plantas a enzima lactato desi drogenase utiliza NADH para reduzir piruvato a lactato regenerando assim NAD Os tecidos vegetais podem ser submetidos a ambien tes com baixas concentrações hipóxicas ou zero anóxi cas de oxigênio O exemplo mais bem estudado diz res peito a solos inundados ou saturados de água nos quais a difusão do oxigênio é suficientemente reduzida para os tecidos das raízes se tornarem hipóxicos Tais condições forçam os tecidos a realizar o metabolismo fermentativo No milho Zea mays a resposta metabólica inicial às bai xas concentrações de oxigênio é a fermentação do ácido láctico mas a resposta subsequente é a fermentação alcoó lica Acreditase que o etanol seja um produto final menos tóxico da fermentação pois ele pode se difundir para fora da célula enquanto o lactato se acumula e promove a aci dificação do citosol Em numerosos outros casos as plan tas ou partes das plantas funcionam sob condições quase anóxicas realizando alguma forma de fermentação É importante considerar a eficiência da fermentação Eficiência é definida aqui como a energia conservada sob forma de ATP em relação à energia potencialmente dispo nível em uma molécula de sacarose A variação na energia livre padrão ΔG0 para a completa oxidação da sacarose a CO2 é de 5760 kJ mol1 A ΔG0 para a síntese de ATP é de 32 kJ mol1 No entanto sob as condições não padroni zadas que normalmente ocorrem em células tanto de ma míferos quanto de vegetais a síntese de ATP requer um acréscimo de energia livre de cerca de 50 kJ mol1 A glicólise normal leva à síntese líquida de quatro moléculas de ATP para cada molécula de sacarose que é convertida em piruvato Com etanol ou lactato como pro duto final a eficiência da fermentação é apenas de cerca de 4 A maioria da energia disponível na sacarose perma nece no etanol ou no lactato Alterações na rota glicolítica sob deficiência de oxigênio podem aumentar a produção de ATP Esse é o caso quando a sacarose é degradada via sacarose sintase em vez de invertase evitando o consu mo de ATP pela hexoquinase na fase inicial da glicólise Essas modificações enfatizam a importância da eficiência energética para a sobrevivência das plantas na ausência de oxigênio ver Ensaio 121 na internet Devido à baixa recuperação de energia da fermenta ção uma taxa maior de degradação de carboidratos é re querida para sustentar a produção de ATP necessária para a sobrevivência celular O aumento da taxa glicolítica é denominado efeito Pasteur em homenagem ao microbio logista francês Louis Pasteur que foi o primeiro a perce ber esse efeito quando leveduras mudaram da respiração aeróbica para a fermentação A glicólise é suprarregulada Taiz12indd 323 Taiz12indd 323 27102016 145442 27102016 145442 324 Unidade II Bioquímica e Metabolismo upregulated por variações nos níveis de metabólitos e pela indução de genes que codificam as enzimas da glicó lise e da fermentação Genes induzidos por baixas concen trações de oxigênio são regulados pela degradação depen dente de oxigênio de fatores reguladores gênicos Ao contrário dos produtos da fermentação o piruva to produzido pela glicólise durante a respiração aeróbica é posteriormente oxidado pelas mitocôndrias resultando em uma utilização muito mais eficiente da energia livre disponível na sacarose A glicólise vegetal é controlada por seus produtos In vivo a glicólise parece ser regulada na etapa da fosfori lação da frutose6fosfato e da reposição do PEP Diferente dos animais AMP e ATP não são os principais efetores da fosfofrutoquinase e da piruvato quinase vegetais Um regulador mais importante da glicólise vegetal é a concen tração citosólica de PEP o qual é um potente inibidor da fosfofrutoquinase dependente de ATP dos vegetais O efeito inibidor do PEP sobre a fosfofrutoquinase é fortemente diminuído por fosfato inorgânico fazendo da razão citosólica entre PEP e Pi um fator crítico no contro le da atividade glicolítica vegetal A piruvato quinase e a PEPcarboxilase enzimas que metabolizam o PEP nas úl timas etapas da glicólise ver Figura 123 são por sua vez sensíveis à inibição por retroalimentação pelos interme diários do ciclo do ácido cítrico e seus derivados incluindo malato citrato 2oxoglutarato e glutamato Nas plantas portanto o controle da glicólise vem de baixo para cima bottom up conforme discutido mais adiante no capítulo com a regulação primária no nível do metabolismo do PEP pela piruvato quinase e pela PEP carboxilase A regulação secundária é exercida pelo PEP na conversão da frutose6fosfato em frutose16bifosfato ver Figura 123 Por outro lado a regulação em animais opera de cima para baixo top down com a ativação pri mária ocorrendo na fosfofrutoquinase e a ativação secun dária na piruvato quinase Um possível benefício do controle de baixo para cima da glicólise é que ele permite às plantas regularem o fluxo glicolítico líquido para o piruvato independentemen te de processos metabólicos relacionados como o ciclo de CalvinBenson e a interconversão sacarosetriose fosfato amido Outro benefício desse mecanismo de controle é que a glicólise pode se ajustar à demanda por precursores biossintéticos Uma consequência do controle de baixo para cima da glicólise é que sua taxa pode influenciar as concentra ções celulares de açúcares em combinação com processos fornecedores de açúcares como o transporte no floema A glicose e a sacarose são moléculas sinalizadoras poten tes que induzem a planta a ajustar seu crescimento e de senvolvimento a seu status de carboidratos Por exemplo a hexoquinase não funciona somente como uma enzima glicolítica mas também como um receptor de glicose que induz a expressão gênica dependente de açúcar A presença de mais de uma enzima metabolizando o PEP em células vegetais piruvato quinase e PEPcarbo xilase pode ter consequências para o controle da glicóli se Embora as duas enzimas sejam inibidas por produtos metabólicos similares a PEPcarboxilase pode sob certas condições catalisar uma reação que desvia da piruvato quinase O malato resultante pode então entrar no ciclo do ácido cítrico mitocondrial O suporte experimental para múltiplas rotas de me tabolismo do PEP vem do estudo de plantas transgênicas de tabaco com menos de 5 do nível normal de piruvato quinase citosólica em suas folhas Nessas plantas nem as taxas de respiração nem as taxas de fotossíntese foliares diferiram daquelas em controles com níveis de piruvato quinase semelhantes aos de plantas selvagens No entan to o crescimento reduzido das raízes nas plantas transgê nicas indicou que a reação da piruvato quinase não podia ser evitada sem alguns efeitos prejudiciais A frutose26bifosfato também afeta a reação da fos fofrutoquinase mas diferente do PEP ela afeta a reação tanto para frente como na direção inversa ver Capítulo 8 para uma discussão detalhada Portanto a frutose26 bifosfato atua na mediação do controle da partição de açúcares entre a respiração e a biossíntese Outro nível de regulação pode resultar de mudanças na localização das enzimas glicolíticas Acreditavase que essas enzimas estavam dissolvidas no citosol entretanto atualmente é evidente que sob alta demanda respiratória há um pool substancial de enzimas glicolíticas ligado à su perfície mitocondrial externa Essa localização permite o movimento direto dos intermediários de uma enzima para a próxima chamado de canalização de substrato que sepa ra a glicólise ligada à mitocôndria da glicólise no citosol A última pode então contribuir com intermediários de carbono para outros processos sem interferir com a produ ção de piruvato para a respiração O conhecimento da regulação da glicólise requer o es tudo das variações temporais nos níveis de metabólitos A extração a separação e a análise rápidas de vários me tabólitos podem ser alcançadas por uma abordagem de nominada elaboração de perfil metabólico ver Ensaio 122 na internet Rota oxidativa das pentoses fosfato A rota glicolítica não é a única disponível para a oxidação de açúcares em células vegetais A rota oxidativa das pentoses fosfato também conhecida como desvio das hexoses mono fosfato também pode realizar essa tarefa Figura 124 As reações são realizadas por enzimas solúveis presentes no ci tosol e em plastídios Sob a maioria das situações a rota nos plastídios predomina em relação à rota citosólica As duas primeiras reações dessa rota envolvem os eventos oxidativos que convertem a molécula de seis car bonos glicose6fosfato em uma unidade de cinco car bonos a ribulose5fosfato com perda de uma molécula Taiz12indd 324 Taiz12indd 324 27102016 145442 27102016 145442 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 325 Glicose6fosfato 6Fosfogluconato Glicose6 fosfato desidrogenase Ribulose5fosfato Ribulose5fosfato Gluconato6 fosfato desidrogenase Ribose5fosfato Xilulose5fosfato Frutose6fosfato Eritrose4 fosfato Gliceraldeído 3fosfato Sedoheptulose 7fosfato Gliceraldeído 3fosfato Pentose fosfato epimerase Transcetolase Transaldolase Transcetolase NADPH é gerado nas duas primeiras reações da rota onde a glicose6fosfato é oxidada a ribulose5fosfato Essas reações são essencialmente irreversíveis A ribulose5fosfato é convertida nos intermediários glicolíticos frutose 6fosfato e gliceraldeído3fosfato por uma série de interconversões metabólicas Essas reações são livremente conversíveis Pentose fosfato isomerase Hexose fosfato isomerase H H H H H OH OH OH O COOH HCOH HO CH2O HOCH HCOH HCOH CH2O CH2OH C O HCOH HCOH CH2O CO2 CHO HCOH HCOH HCOH CH2O CH2OH HOCH HCOH CH2O C O HOCH CH2OH HCOH HCOH CH2O HCOH HCOH CH2O CHO CHO HCOH CH2O CH2OH HOCH HCOH HCOH HCOH CH2O C O C O HCOH CH2O CHO P P P P P P P P P NADPH NADP NADPH NADP P Figura 124 Reações da rota oxidativa das pentoses fosfato em plantas As duas pri meiras reações que são reações de oxidação são essencialmente irreversíveis Elas su prem NADPH para o citoplasma e plastídios na ausência de fotossíntese A parte posterior a jusante da rota é reversível como indicado pelas setas duplas de modo que ela pode suprir substratos de cinco carbonos para a biossíntese mesmo quando as reações de oxi dação são inibidas como por exemplo nos cloroplastos na luz Taiz12indd 325 Taiz12indd 325 27102016 145442 27102016 145442 326 Unidade II Bioquímica e Metabolismo de CO2 e a geração de duas moléculas de NADPH não de NADH As reações restantes da rota convertem ribu lose5fosfato nos intermediários glicolíticos gliceraldeí do3fosfato e frutose6fosfato Esses produtos podem ser depois metabolizados pela glicólise para produzir pi ruvato Alternativamente glicose6fosfato pode ser rege nerada a partir do gliceraldeído3fosfato e da frutose6 fosfato por enzimas glicolíticas Para seis voltas do ciclo podese escrever a reação da seguinte forma 6 Glicose6P 12 NADP 7 H2O 5 Glicose6P 6 CO2 Pi 12 NADPH 12 H O resultado líquido é a completa oxidação de uma molé cula de glicose6fosfato a CO2 cinco moléculas são rege neradas com a síntese concomitante de 12 moléculas de NADPH Estudos de liberação de CO2 de glicose marcada iso topicamente indicam que a rota das pentoses fosfato con tribui com 10 a 25 da degradação da glicose com o resto ocorrendo principalmente via glicólise Como será visto a contribuição da rota das pentoses fosfato varia duran te o desenvolvimento e com as mudanças nas condições de crescimento à medida que as exigências da planta por produtos específicos variam A rota oxidativa das pentoses fosfato produz NADPH e intermediários biossintéticos A rota oxidativa das pentosesfosfato desempenha diver sos papéis no metabolismo vegetal Suprimento de NADPH no citosol O produto das duas etapas oxidativas é NADPH Esse NADPH dirige as etapas redutoras associadas com reações biossintéti cas e defesa ao estresse além de ser um substrato para reações que removem espécies reativas de oxigênio EROs Como as mitocôndrias vegetais possuem uma NADPHdesidrogenase localizada sobre a superfície externa da membrana interna o poder redutor gera do pela rota das pentoses fosfato pode ser equilibrado pela oxidação do NADPH mitocondrial A rota das pentoses fosfato pode portanto contribuir também para o metabolismo energético celular isto é elétrons do NADPH podem terminar reduzindo O2 e gerando ATP por meio da fosforilação oxidativa Suprimento de NADPH nos plastídios Em plastídios não verdes como os amiloplastos e em cloroplastos que funcionam no escuro a rota das pentoses fosfato é a principal fornecedora de NADPH O NADPH é usa do para reações biossintéticas como a biossíntese de lipídeos e a assimilação de nitrogênio A formação de NADPH pela oxidação da glicose6fosfato em ami loplastos pode também sinalizar o status de açúcares ao sistema tiorredoxina para o controle da síntese de amido Suprimento de substratos para processos biossintéticos Na maioria dos organismos a rota das pentoses fos fato produz ribose5fosfato um precursor da ribose e da desoxirribose necessárias na síntese de ácidos nucleicos Em plantas no entanto a ribose parece ser sintetizada por outra rota ainda desconhecida Ou tro intermediário na rota das pentoses fosfato a eri trose4fosfato de quatro carbonos combinase com PEP na reação inicial que produz compostos fenólicos incluindo aminoácidos aromáticos e os precursores de lignina flavonoides e fitoalexinas ver Apêndice 4 na internet Esse papel da rota das pentoses fosfato é sustentado pela observação de que suas enzimas são induzidas por condições de estresse como lesões nas quais a biossíntese de compostos aromáticos é neces sária para reforçar e proteger o tecido A rota oxidativa das pentoses fosfato é regulada por reações redox Cada etapa enzimática na rota oxidativa das pentoses fos fato é catalisada por um grupo de isozimas que variam em sua abundância e propriedades reguladoras nos órgãos ve getais A reação inicial da rota catalisada pela glicose6 fosfatodesidrogenase é em muitos casos inibida por uma alta razão entre NADPH e NADP Na luz ocorre uma baixa operação da rota das pento sesfosfato nos cloroplastos A glicose6fosfatodesidro genase é inibida por uma inativação redutora envolvendo o sistema ferredoxinatiorredoxina ver Capítulo 8 e pela razão entre NADPH e NADP Além disso os produtos finais da rota frutose6fosfato e gliceraldeído3fosfato estão sen do sintetizados pelo ciclo de CalvinBenson Assim a ação em massa vai governar as reações não oxidativas da rota na direção contrária Desse modo a síntese de eritrose4 fosfato pode ser mantida na luz Em plastídios não verdes a glicose6fosfatodesidrogenase é menos sensível à inati vação por tiorredoxina reduzida e NADPH podendo por tanto reduzir NADP para manter uma elevada redução de componentes do plastídio na ausência de fotossíntese Ciclo do ácido cítrico Durante o século XIX os biólogos descobriram que na au sência de ar as células produzem etanol ou ácido láctico enquanto na presença de ar as células consomem O2 e produzem CO2 e H2O Em 1937 o bioquímico inglês nas cido na Alemanha Hans A Krebs relatou a descoberta do ciclo do ácido cítrico também chamado de ciclo dos ácidos tricarboxílicos ou ciclo de Krebs A elucidação do ciclo do ácido cítrico não somente explicou como o piruvato é degradado em CO2 e H2O mas também salientou o con ceitochave de ciclos em rotas metabólicas Por essa des coberta Hans Krebs foi agraciado com o Prêmio Nobel em fisiologia ou medicina em 1953 Como o ciclo do ácido cítrico está localizado na matriz mitocondrial inicialmente será feita uma descrição geral da estrutura e do funcionamento mitocondriais conheci mentos obtidos principalmente por meio de experimentos com mitocôndrias isoladas ver Tópico 121 na internet Taiz12indd 326 Taiz12indd 326 27102016 145443 27102016 145443 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 327 Em seguida serão revisadas as etapas do ciclo do ácido cítrico enfatizando as características específicas para as plantas e como elas afetam a função respiratória As mitocôndrias são organelas semiautônomas A degradação da sacarose em piruvato libera menos que 25 da energia total da sacarose a energia restante é armazenada nas quatro moléculas de piruvato As duas próximas etapas da respiração o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa ocorrem dentro de uma organela limitada por uma membrana dupla a mitocôndria As mitocôndrias vegetais em geral são esféricas ou em forma de bastão e têm de 05 a 10 μm de diâmetro e até 3 μm de comprimento Figura 125 Como os cloroplastos as mitocôndrias são organelas semiautônomas porque contêm ribossomos RNA e DNA os quais codificam um número limitado de proteínas mitocondriais As mitocôn drias vegetais são portanto capazes de realizar as várias etapas da síntese proteica e de transmitir suas informa ções genéticas O número e os tamanhos de mitocôndrias em uma célula podem variar dinamicamente devido à di visão e à fusão mitocondrial ver Figura 125C e Ensaio 123 na internet enquanto mantêmse com a divisão celular Tecidos metabolicamente ativos em geral contêm mais mitocôndrias que tecidos menos ativos refletindo o papel das mitocôndrias no metabolismo energético As célulasguarda por exemplo são extraordinariamente ri cas em mitocôndrias As características ultraestruturais da mitocôndria ve getal são similares àquelas das mitocôndrias em outros or ganismos ver Figura 125A e B As mitocôndrias vegetais têm duas membranas uma membrana mitocondrial ex terna lisa circunda completamente uma membrana mito condrial interna altamente invaginada As invaginações da membrana interna são conhecidas como cristas Como consequência de sua área de superfície significativamente aumentada a membrana interna pode conter mais de 50 do total de proteína mitocondrial A região entre as duas membranas mitocondriais é conhecida como espaço in termembrana O compartimento envolto pela membrana interna é referido como matriz mitocondrial Ela tem um conteúdo bastante alto de macromoléculas cerca de 50 em massa Como há pouca água na matriz a mobilidade é restringida e é provável que as proteínas da matriz estejam organizadas em complexos multienzimáticos para facilitar a canalização de substratos As mitocôndrias intactas são osmoticamente ativas isto é elas absorvem água e intumescem quando coloca das em um meio hiposmótico Íons e moléculas polares em geral são incapazes de se difundir livremente através da membrana interna que funciona como a barreira os mótica A membrana externa é permeável a solutos que têm massa molecular menor do que cerca de 10000 Da isto é a maioria dos metabólitos celulares e íons mas não a proteínas A fração lipídica de ambas as membranas é principalmente formada por fosfolipídeos 80 dos quais são ou fosfatidilcolina ou fosfatidiletanolamina Cerca de 15 são difosfatidilglicerol também chamado de cardio lipina que ocorre nas células somente na membrana mi tocondrial interna 05 μm 05 μm A C Espaço intermembrana Membrana externa Membrana interna Matriz Cristas B Figura 125 Estrutura das mitocôndrias de animais e plantas A Imagem de tomo grafia tridimensional de uma mitocôndria do cérebro de frango mostrando as invagina ções da membrana interna denominadas cristas bem como as localizações da matriz e do espaço intermembrana ver também Figura 1210 B Micrografia ao micros cópio eletrônico de uma mitocôndria em uma célula do mesofilo de fava Vicia faba Normalmente as mitocôndrias individuais têm 1 a 3 μm de comprimento em células vegetais ou seja elas são substancialmente menores do que o núcleo e os plastídios C Imagens em sequência temporal mostrando uma mitocôndria dividindose em uma célula epidérmica de Arabidopsis pontas de setas Todas as organelas visíveis são mitocôndrias marcadas com proteína fluorescente verde As imagens exibidas foram tomadas em intervalos de 2 s Barra de escala 1 μm Ver Ensaio 123 na internet para o vídeo completo A de Perkins et al 1997 B de Gunning e Steer 1996 C cortesia de David C Logan Taiz12indd 327 Taiz12indd 327 27102016 145443 27102016 145443 328 Unidade II Bioquímica e Metabolismo O piruvato entra na mitocôndria e é oxidado pelo ciclo do ácido cítrico O ciclo do ácido cítrico também é conhecido como ciclo dos ácidos tricarboxílicos devido à importância dos ácidos cítrico citrato e isocítrico isocitrato como intermediários iniciais Figura 126 Esse ciclo constitui o segundo es tágio da respiração e ocorre na matriz mitocondrial Sua operação requer que o piruvato gerado no citosol durante a glicólise seja transportado pela membrana impermeável interna da mitocôndria através de uma proteína de trans porte específica como será descrito brevemente Uma vez dentro da matriz mitocondrial o piruvato é descarboxilado em uma reação de oxidação catalisada pela piruvato desidrogenase um grande complexo con tendo diversas enzimas Os produtos são NADH CO2 e acetilCoA na qual o grupo acetil derivado do piruvato é ligado por uma ligação tioéster a um cofator a coenzima A CoA ver Figura 126 Na próxima reação a enzima citrato sintase formal mente a primeira enzima no ciclo do ácido cítrico combina ATP ADP FADH2 FAD Aconitase CO2 CO2 Citrato Isocitrato Oxalacetato Malato Succinato SuccinilCoA 2oxoglutarato Fumarato Isocitrato desidrogenase 2oxoglutarato desidrogenase CoA SuccinilCoAsintetase Succinato desidrogenase Fumarase Malato desidrogenase Ciclo do ácido cítrico NADH NADH NADH NADH NAD NAD NAD NAD Uma molécula de ATP é sintetizada por uma fosforilação em nível do substrato durante a reação catalisada pela succinilCoAsintetase CO2 Piruvato Piruvato desidrogenase CO2 NADH NAD A enzima málica pode descarboxilar o malato a piruvato Em combinação com a malato desidrogenase isso possibilita à mitocôndria vegetal oxidar malato a CO2 AcetilCoA Citrato sintase CH3 O O OH C C C C C CH2 C H H OH OH C O O O O O O C C C CH2 C H H C O O O O O O O C CH3 CoA C CH2 CH2 C O C O O O O C CH2 CH2 O O C C C H H H H C O O O O C C C C O O O O H H C C H OH CH2 C O O O O C C CH2 C O O O O O C CoA CoA O H2O H2O Enzima málica CoA CoA Figura 126 Ciclo do ácido cítrico em plantas e reações associadas As reações e as enzimas do ciclo do ácido cítrico são exibidas em conjunto com as reações acessórias da piruvato desidrogenase e da enzima málica O piruvato é completa mente oxidado a três moléculas de CO2 e em combinação a malato desidrogenase e a enzima málica possibilitam às mito côndrias vegetais oxidar completamente o malato Os elétrons liberados durante essas oxidações são utilizados para reduzir quatro moléculas de NAD a NADH e uma molécula de FAD a FADH2 Taiz12indd 328 Taiz12indd 328 27102016 145443 27102016 145443 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 329 o grupo acetil da acetilCoA com um ácido dicarboxílico de quatro carbonos oxalacetato para gerar um ácido tri carboxílico de seis carbonos citrato O citrato é então isomerizado a isocitrato pela enzima aconitase As duas reações seguintes são descarboxilações oxi dativas sucessivas Cada uma delas produz um NADH e libera uma molécula de CO2 gerando um produto de qua tro carbonos ligado à CoA succinilCoA Nesse ponto três moléculas de CO2 foram produzidas para cada piru vato que ingressou na mitocôndria ou 12 CO2 para cada molécula de sacarose oxidada No restante do ciclo do ácido cítrico succinilCoA é oxidada a oxalacetato permitindo a operação continuada do ciclo Inicialmente a grande quantidade de energia livre disponível na ligação tioéster da succinilCoA é conser vada pela síntese de ATP a partir de ADP e Pi via uma fosforilação em nível de substrato catalisada pela succinil CoAsintetase Lembre que a energia livre disponível na ligação tioéster da acetilCoA foi usada para formar uma ligação carbonocarbono na etapa catalisada pela citrato sintase O succinato resultante é oxidado a fumarato pela succinato desidrogenase que é a única enzima do ciclo do ácido cítrico associada a membranas e também parte da cadeia de transporte de elétrons Os elétrons e os prótons removidos do succinato não terminam no NAD mas em outro cofator envolvido em reações redox flavina adenina dinucleotídeo FAD A FAD é ligada covalentemente ao sítio ativo da succina to desidrogenase e sofre uma redução reversível com dois elétrons para produzir FADH2 ver Figura 122B Nas duas reações finais do ciclo do ácido cítrico o fumarato é hidratado para produzir malato que é subse quentemente oxidado pela malato desidrogenase para rege nerar oxaloacetato e produzir outra molécula de NADH O oxaloacetato produzido é agora capaz de reagir com ou tra acetilCoA e continuar o ciclo A oxidação em etapas de uma molécula de piruvato na mitocôndria dá origem a três moléculas de CO2 sendo que a maior parte da energia livre desprendida durante essas oxidações é conservada na forma de quatro NADH e um FADH2 Além disso uma molécula de ATP é produzida por uma fosforilação em nível de substrato O ciclo do ácido cítrico em plantas tem características singulares As reações do ciclo do ácido cítrico destacadas na Figu ra 126 não são todas idênticas àquelas realizadas pelas mitocôndrias animais A etapa catalisada pela succinil CoAsintetase por exemplo produz ATP em plantas e GTP em animais Esses nucleotídeos são equivalentes energeticamente Uma característica do ciclo do ácido cítrico em plantas inexistente em muitos outros organismos é a presença da enzima málica na matriz mitocondrial de vegetais Essa enzima catalisa a descarboxilação oxidativa do malato Malato NAD piruvato CO2 NADH A atividade da enzima málica permite às mitocôndrias vegetais operarem rotas alternativas para o metabolismo do PEP derivado da glicólise ver Ensaio 121 na internet Conforme já descrito o malato pode ser sintetizado a par tir do PEP no citosol via enzimas PEPcarboxilase e ma lato desidrogenase ver Figura 123 Para a degradação o malato é transportado para a matriz mitocondrial onde a enzima málica pode oxidálo a piruvato Essa reação torna possível a completa oxidação líquida dos intermediários do ciclo do ácido cítrico como o malato Figura 127A ou o ci trato Figura 127B Muitos tecidos vegetais não somente aqueles que realizam o metabolismo ácido das crassuláceas ver Capítulo 8 armazenam nos seus vacúolos quantida des significativas de malato e de outros ácidos orgânicos A degradação do malato via enzima málica mitocondrial é importante para regular os níveis de ácidos orgânicos em células por exemplo durante o amadurecimento de frutos Em vez de ser degradado o malato produzido via PEPcarboxilase pode repor os intermediários do ciclo do ácido cítrico utilizados na biossíntese As reações que repõem intermediários em um ciclo metabólico são co nhecidas como anapleróticas Por exemplo a exportação de 2oxoglutarato para a assimilação de nitrogênio no cloroplasto provoca uma falta de malato para a reação da citratosintase Esse malato pode ser reposto pela rota da PEPcarboxilase Figura 127C O ácido gamaaminobutírico GABA de gammaami nobutyric acid é um aminoácido que se acumula em plan tas sob condições de vários estresses bióticos e abióticos O GABA é sintetizado a partir de 2oxoglutarato e degra dado a succinato pelo chamado desvio de GABA que evi ta as enzimas do ciclo do ácido cítrico A relação funcional entre o acúmulo de GABA e o estresse permanece pouco compreendida Transporte de elétrons mitocondrial e a síntese de ATP O ATP é o carregador de energia utilizado pelas células para impulsionar os processos vitais assim a energia química conservada durante o ciclo do ácido cítrico sob a forma de NADH e FADH2 deve ser convertida em ATP para realizar trabalho útil dentro da célula Esse proces so dependente de O2 denominado fosforilação oxidativa ocorre na membrana mitocondrial interna Nesta seção será descrito o processo pelo qual o nível de energia dos elétrons de NADH e FADH2 é reduzido de maneira gradual e conservado na forma de um gradiente eletroquímico de prótons através da membrana mitocondrial interna Embora fundamentalmente similar em todas as cé lulas aeróbicas a cadeia de transporte de elétrons em plantas e em muitos fungos e protistas contém múltiplas NADP Hdesidrogenases e uma oxidase alternativa nenhuma das quais é encontrada nas mitocôndrias de mamíferos Será examinada também a enzima que utiliza a ener gia do gradiente de prótons para sintetizar ATP a FoF1 Taiz12indd 329 Taiz12indd 329 27102016 145443 27102016 145443 330 Unidade II Bioquímica e Metabolismo ATPsintase Depois de examinar os diversos estágios na produção de ATP serão resumidas as etapas de conserva ção de energia em cada estágio bem como os mecanismos reguladores que coordenam as diferentes rotas A cadeia de transporte de elétrons catalisa o fluxo de elétrons do NADH ao O2 Para cada molécula de sacarose oxidada pela glicólise e pelo ciclo do ácido cítrico quatro moléculas de NADH são geradas no citosol e dezesseis moléculas de NADH mais quatro moléculas de FADH2 associadas à succinatode sidrogenase são geradas na matriz mitocondrial Esses compostos reduzidos precisam ser reoxidados ou todo o processo respiratório para A cadeia de transporte de elétrons catalisa uma transferência de dois elétrons do NADH ou FADH2 ao oxigênio o aceptor final de elétrons do processo respira tório Para a oxidação do NADH a reação pode ser escrita como NADH H ½ O2 NAD H2O A partir dos potenciais de redução para o par NADH NAD 320 mV e o par H2O½ O2 810 mV pode ser calculado que a energia livre padrão liberada durante essa reação global nFΔE0 é de cerca de 220 kJ por mol de NADH Como o potencial de redução do succinato fuma rato é mais alto 30 mV apenas 152 kJ por mol de suc cinato são liberados O papel da cadeia de transporte de elétrons é realizar a oxidação do NADH e FADH2 e no processo utilizar parte da energia livre liberada para gerar um gradiente eletroquímico de prótons Δμ H através da membrana mitocondrial interna A cadeia de transporte de elétrons de plantas contém o mesmo conjunto de carregadores de elétrons encontra dos em mitocôndrias de outros organismos Figura 128 As proteínas individuais de transporte de elétrons estão organizadas em quatro complexos transmembrana mul tiproteicos identificados pelos numerais romanos de I a IV todos localizados na membrana mitocondrial interna Três desses complexos estão envolvidos no bombeamento de prótons I III e IV COMPLEXO I NADHDESIDROGENASE Elétrons do NADH gerados pelo ciclo do ácido cítrico na matriz mi tocondrial são oxidados pelo complexo I uma NADHde sidrogenase Os carregadores de elétrons no complexo I incluem um cofator fortemente ligado flavina mononu cleotídeo ou FMN o qual é quimicamente similar a FAD ver Figura 122B além de vários centros ferroenxofre O complexo I então transfere esses elétrons à ubiquino na Quatro prótons são bombeados da matriz para o es paço intermembrana para cada par de elétrons que passa pelo complexo A ubiquinona um pequeno carregador de prótons e elétrons lipossolúvel está localizada dentro da membra na interna Ela não está fortemente associada a qualquer Enzima málica Enzima málica PEP carboxilase 2 Malato 1 Oxalacetato 1 Piruvato A 1 Citrato 1 Isocitrato 1 AcetilCoA 2 Malato 1 Piruvato B 1 Citrato 2 Isocitrato 1 AcetilCoA 1 Citrato Do citosol 1 Malato Do citosol 1 Oxalacetato 1 Malato 1 Piruvato 2 PEP C 1 Citrato 1 Isocitrato 1 2Oxoglutarato Assimilação do nitrogênio 1 AcetilCoA 1 Oxaloacetato Figura 127 A enzima málica e a PEPcarboxilase conferem às plantas flexibilidade metabólica para o metabolismo do PEP e do piruvato A enzima málica converte malato em piruvato e assim possibilita às mitocôndrias vegetais oxidar tanto A malato como B citrato a CO2 sem envolver o piruvato liberado pela glicólise C Com a ação adicional da PEPcarboxilase à rotapadrão o PEP gli colítico é convertido em 2oxoglutarato que é usado para a assimi lação de nitrogênio Taiz12indd 330 Taiz12indd 330 27102016 145443 27102016 145443 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 331 proteína e pode se difundir no interior hidrofóbico da bi camada da membrana COMPLEXO II SUCCINATO DESIDROGENASE A oxidação do succinato no ciclo do ácido cítrico é cata lisada por esse complexo sendo os equivalentes reduto res transferidos via FADH2 e um grupo de centros ferro enxofre para a ubiquinona O complexo II não bombeia prótons COMPLEXO III COMPLEXO DE CITOCROMOS bc1 O complexo III oxida a ubiquinona reduzida ubiquinol e transfere os elétrons via um centro ferroenxofre dois citocromos tipo b b565 e b560 e um citocromo c1 ligado à membrana para o citocromo c Quatro prótons por par de elétrons são bombeados para fora da matriz pelo complexo III usando um mecanismo chamado de ciclo Q ver Tópico 122 na internet O citocromo c é uma pequena proteína fracamente presa à superfície externa da membrana interna e serve como um carregador móvel que transfere elétrons entre os complexos III e IV COMPLEXO IV CITOCROMO c OXIDASE O complexo IV contém dois centros de cobre CuA e CuB e os citocro mos a e a3 Esse complexo é a oxidase terminal e realiza a redução do O2 a duas moléculas de H2O com quatro elé trons Dois prótons são bombeados para cada par de elé trons ver Figura 128 Tanto estrutural quanto funcionalmente a ubiquino na e o complexo de citocromos bc1 são muito similares à plastoquinona e ao complexo de citocromos b6f respecti vamente na cadeia fotossintética de transporte de elétrons ver Capítulo 7 A realidade pode ser mais complexa do que a descri ção anterior sugere Os complexos respiratórios vegetais contêm certo número de subunidades específicas às plan tas cujas funções são ainda desconhecidas Muitos dos complexos contêm subunidades que participam em ou tras funções que não o transporte de elétrons como a im portação de proteínas Finalmente vários dos complexos parecem estar presentes em supercomplexos em vez de estarem livremente móveis na membrana embora o sig nificado funcional desses supercomplexos não seja claro e e e e e e Membrana interna 4 H 4 H 2 H 3 H H H 3 H ATP NADPHdesidrogenases externas insensíveis à rotenona podem aceitar elétrons diretamente do NADH ou do NADPH produzido no citosol O pool de ubiquinona UQ difundese livremente dentro da membrana interna e serve para transferir elétrons das desidrogenases tanto para o complexo III como para a oxidase alternativa NADPHdesidrogenases internas insensíveis à rotenona existem sobre o lado matricial da membrana A oxidase alternativa AOX aceita elétrons diretamente da ubiquinona ESPAÇO INTERMEMBRANA MATRIZ NADH NAD AOX Ca2 NADPH NADPH NADP NADP Succinato Fumarato O2 H2O O2 H2O UQ Cit c UCP ADP Pi Complexo I NADH desidrogenase Complexo II Succinato desidrogenase Complexo III Complexo citocromo bc1 Complexo IV Citocromo c oxidase Complexo V ATPsintase FO F1 O citocromo c é uma proteína periférica que transfere elétrons do complexo III para o complexo IV A proteína desacopladora UCP transporta H diretamente através da membrana e Figura 128 Organização da cadeia de transporte de elétrons e síntese de ATP na membrana interna da mitocôndria vegetal As mitocôndrias de quase todos os eucariotos contêm os quatro complexos proteicos padrão I II III e IV As estruturas de todos os complexos foram determinadas mas eles são mostrados aqui como formas simplificadas A cadeia de transporte de elétrons da mitocôndria vegetal contém enzimas adicionais marcadas em ver de que não bombeiam prótons Adicionalmente proteínas desaco pladoras desviam diretamente da ATPsintase ao permitir o influxo passivo de prótons Essa multiplicidade de desvios dá uma maior flexibilidade ao acoplamento energético em plantas os mamíferos possuem apenas a enzima desacopladora Taiz12indd 331 Taiz12indd 331 27102016 145443 27102016 145443 332 Unidade II Bioquímica e Metabolismo A cadeia de transporte de elétrons tem ramificações suplementares Além do conjunto de complexos proteicos já descrito a cadeia de transporte de elétrons das plantas contém com ponentes não encontrados em mitocôndrias de mamíferos ver Figura 128 e Tópico 123 na internet Especialmen te NADPHdesidrogenases adicionais e uma assim cha mada oxidase alternativa são ligadas à membrana inter na Elas não bombeiam prótons de modo que a energia liberada da oxidação do NADH não é conservada como ATP mas em vez disso é convertida em calor Figura 129 Essas enzimas por conseguinte são frequentemen te chamadas de não fosforilativas diferente dos complexos de bombeamento de prótons I III e IV As mitocôndrias vegetais têm duas rotas de oxida ção do NADH matricial O fluxo de elétrons através do complexo I descrito anteriormente é sensível à inibição por vários compostos incluindo a rotenona e a piericidina Além disso as mitocôndrias vegetais possuem uma desidrogenase insensível à rotenona NDinNADH sobre a superfície voltada para a ma triz da membrana mitocondrial interna Essa enzima oxida NADH derivado do ciclo do ácido cítrico e pode também ser um desvio utilizado quando o complexo I está sobrecarregado como será visto em breve Uma NADPHdesidrogenase NDinNADPH também está presente sobre a superfície matricial mas muito pouco é conhecido sobre essa enzima As NADPHdesidrogenases insensíveis à rotenona a maior parte dependente de Ca2 também estão ade ridas à superfície externa da membrana interna volta da para o espaço intermembrana Elas oxidam tanto NADH como NADPH do citosol Os elétrons dessas NADPHdesidrogenases externas NDexNADH e NDexNADPH entram na cadeia de transporte de elétrons principal ao nível do pool de ubiquinona A maioria das plantas se não todas tem uma rota res piratória alternativa para a oxidação do ubiquinol e a redução de oxigênio Essa rota envolve a oxidase al ternativa que diferente da citocromo c oxidase é in sensível à inibição por cianeto monóxido de carbono e a molécula sinalizadora óxido nítrico ver Tópico 123 na internet e Ensaio 124 na internet O significado fisiológico dessas enzimas suplementa res do transporte de elétrons será considerado de maneira mais completa posteriormente neste capítulo Algumas desidrogenases adicionais da cadeia de trans porte de elétrons presentes na mitocôndria vegetal realizam diretamente importantes conversões de carbono A prolina desidrogenase oxida o aminoácido prolina A prolina acumu lase durante o estresse osmótico ver Capítulo 24 e ela é degradada por essa rota mitocondrial quando o status hídri co retorna ao normal Uma flavoproteínaquinona oxidor redutase de transferência de elétrons medeia a degradação de vários aminoácidos que são usados pelas plantas como uma reserva sob condições de fome de carbono induzida pela falta de luz Por fim uma galactonogamalactonade sidrogenase específica de plantas realiza a última etapa na principal rota para a síntese do antioxidante ácido ascórbi co também conhecido como vitamina C A enzima usa o citocromo c como seu aceptor de elétrons em competição com a respiração normal FAD Centro ferroferro NADH H NADHdesidrogenase Oxidase alternativa NAD O2 H2O UQH2 UQ Espaço intermembrana Membrana mitocondrial interna Matriz Figura 129 Transporte de elétrons não fosforilativo A NADH desidrogenase interna insensível à rotenona e a oxidase alternati va são ambas homodímeros e as reações são desempenhadas por cada um dos monômeros As enzimas são parcialmente embebidas no folheto interno da membrana interna da mitocôndria Portanto a transferência de elétrons entre os pares redox hidrofílicos NADH NAD e H2OO2 e a ubiquinona hidrofóbica UQH2UQ via centros redox internos solitários single FAD ou grupos ferroferro não pode envolver o bombeamento de prótons a energia liberada pela reação é em vez disso desprendida como calor O bombeamento de prótons através da membrana mitocondrial interna requer grandes complexos proteicos transmembrana Modelo de NADHdesidro genase de levedura de cerveja Saccharomyces cerevisiae com base em dados de Iwata et al 2012 modelo da oxidase alternativa do parasita da doença do sono Trypanosoma brucei com base em dados de Shiba et al 2013 Taiz12indd 332 Taiz12indd 332 27102016 145443 27102016 145443 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 333 A síntese de trifosfato de adenosina na mitocôndria está acoplada ao transporte de elétrons Na fosforilação oxidativa a transferência de elétrons para o oxigênio via os complexos I III e IV é acoplada à sín tese de ATP a partir de ADP e Pi via a FoF1ATPsintase complexo V O número de ATPs sintetizados depende da natureza do doador de elétrons Em experimentos conduzidos em mitocôndrias iso ladas elétrons doados para o complexo I p ex gerados pela oxidação do malato geram razões ADPO o número de ATPs sintetizados por dois elétrons transferidos para o oxigênio de 24 a 27 Tabela 121 Elétrons doados para o complexo II do succinato e para a NADHdesidrogenase externa geram valores na faixa de 16 a 18 enquanto elé trons doados diretamente à citocromo c oxidase complexo IV via carregadores artificiais de elétrons geram valores de 08 a 09 Resultados como esses para mitocôndrias tanto vegetais quanto animais levaram ao conceito geral de que existem três locais de conservação de energia ao longo da cadeia de transporte de elétrons nos complexos I III e IV As razões ADPO experimentais aproximamse bas tante dos valores calculados com base no número de H bombeados pelos complexos I III e IV e no custo de 4 H para sintetizar um ATP ver próxima seção e Tabela 121 Por exemplo os elétrons de NADH externo passam ape nas pelos complexos III e IV de modo que um total de 6 H é bombeado gerando 15 ATP quando não é usada a rota alternativa de oxidase O mecanismo da síntese mitocondrial de ATP tem como base a hipótese quimiosmótica descrita no Capítu lo 7 que foi inicialmente proposta em 1961 pelo ganhador do prêmio Nobel Peter Mitchell como um mecanismo ge ral de conservação de energia através de membranas bio lógicas De acordo com a hipótese quimiosmótica a orien tação dos carregadores de elétrons dentro da membrana mitocondrial interna permite a transferência de prótons através da membrana interna durante o fluxo de elétrons ver Figura 128 Como a membrana mitocondrial interna é altamente impermeável a prótons um gradiente eletroquímico de prótons pode se formar Como discutido nos Capítulos 6 e 7 a energia livre associada com a formação de um gradien te eletroquímico de prótons Δμ H também referida como força motriz de prótons Δp quando expressa em unidades de volts é composta de um componente potencial elétrico transmembrana ΔE e um componente potencial químico ΔpH de acordo com a seguinte equação aproximada Δp ΔE 59ΔpH a 25C em que ΔE Edentro Efora e ΔpH pHdentro pHfora ΔE resulta da distribuição assimétrica de uma espécie carre gada H e outros íons através da membrana e ΔpH é devi do à diferença na concentração de H através da membrana Como os prótons são translocados da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana o ΔE resultante através da membrana mitocondrial interna tem um valor negativo Sob condições normais o ΔpH é de cerca de 05 e o ΔE é de cerca de 02 V Como a membrana tem apenas 7 a 8 nm de espessura esse ΔE corresponde a um campo elétrico de pelo menos 25 milhões de Vm ou 10 vezes o campo gerado por um relâmpago durante uma tempestade enfatizando as enormes forças envolvidas no transporte de elétrons Como esta equação mostra ambos ΔE e ΔpH con tribuem para a força motriz de prótons nas mitocôndrias vegetais embora o ΔpH constitua a menor parte prova velmente devido à grande capacidade de tamponamen to tanto do citosol como da matriz que impede grandes variações de pH Essa situação contrasta com aquela no cloroplasto na qual quase toda a força motriz de prótons na membrana tilacoide é devida ao ΔpH ver Capítulo 7 O aporte de energia livre exigido para gerar Δμ H provém da energia livre liberada durante o transporte de elétrons Não está completamente entendido em todos os casos como esse transporte é acoplado à translocação de prótons Devido à baixa permeabilidade condutância da membrana interna a prótons o gradiente eletroquímico de prótons pode ser utilizado para realizar trabalho quí mico síntese de ATP O Δμ H está acoplado à síntese de ATP por um complexo proteico adicional associado com a membrana interna a FoF1ATPsintase N de T Os subscritos dentro e fora referemse à matriz mito condrial e ao espaço intermembrana respectivamente TABELA 121 Razões ADPO teóricas e experimentais em mitocôndrias vegetais isoladas Elétrons alimentando Razão ADPO Teóricaa Experimental Complexo I 25 2427 Complexo II 15 1618 NADHdesidrogenase externa 15 1618 Complexo IV 10b 0809 aAdmitese que os complexos I III e IV bombeiam 4 4 e 2 H por 2 elétrons respectivamente que o custo de sintetizar 1 ATP e exportálo para o citosol é 4 H e que as rotas não fosforilativas não estão ativas bA citocromo c oxidase complexo IV bombeia somente 2 prótons Entretanto 2 elétrons movemse da superfície externa da membrana interna onde os elétrons são doados através da membrana interna para o lado de dentro o lado matricial Como resultado 2 H são consumidos no lado da matriz Isso significa que o movimento líquido de H e cargas é equivalente ao movimento de um total de 4 H resultando em uma razão ADPO de 10 Taiz12indd 333 Taiz12indd 333 27102016 145443 27102016 145443 334 Unidade II Bioquímica e Metabolismo A FoF1ATPsintase também chamada de complexo V consiste em dois componentes principais Fo e F1 ver Fi gura 128 Fo subscrito o para sensível à oligomicina é um complexo proteico integral de membrana de pelo menos três polipeptídeos diferentes Eles formam o ca nal pelo qual os prótons atravessam a membrana interna O outro componente F1 é um complexo proteico periféri co de membrana composto de pelo menos cinco subuni dades diferentes e contém o sítio catalítico para conversão de ADP e Pi em ATP Esse complexo é ligado ao lado ma tricial de Fo A passagem de prótons através do canal é acoplada ao ciclo catalítico do componente F1 da ATPsintase permi tindo a síntese continuada de ATP e o uso simultâneo do Δμ H Para cada ATP sintetizado 3 H passam pelo com ponente Fo vindos do espaço intermembrana para a ma triz ao longo de um gradiente eletroquímico de prótons Uma estrutura de alta resolução para o componente F1 da ATPsintase de mamíferos forneceu evidência para um modelo em que uma parte de Fo gira em relação a F1 para acoplar o transporte de H para a síntese de ATP ver Tópico 124 na internet A estrutura e a função da CF0CF1ATPsintase em cloroplastos são similares àquelas da ATPsintase mitocondrial ver Capítulo 7 O funcionamento do mecanismo quimiosmótico da síntese de ATP tem várias implicações Primeiro o verda deiro sítio de formação do ATP sobre a membrana mito condrial interna é a ATPsintase e não os complexos I III ou IV Esses complexos servem como sítios de conservação de energia enquanto o transporte de elétrons está acopla do à geração de um Δμ H A síntese de ATP diminui o Δμ H e em consequência sua restrição sobre os complexos de transporte de elétrons O transporte de elétrons é portan to estimulado por um grande suprimento de ADP A hipótese quimiosmótica também explica o me canismo de ação dos desacopladores Estes constituem uma ampla gama de compostos químicos artificiais não relacionados incluindo 24dinitrofenol e ptrifluorome toxicarbonilcianeto fenilidrazona FCCP que diminuem a síntese mitocondrial de ATP mas que normalmente es timulam a taxa de transporte de elétrons ver Tópico 125 na internet Todos esses compostos desacopladores tor nam a membrana interna permeável a prótons o que im pede o acúmulo de um Δμ H suficientemente grande para gerar síntese de ATP ou restringir o transporte de elétrons Os transportadores trocam substratos e produtos O gradiente eletroquímico de prótons também desempe nha um papel no movimento de ácidos orgânicos do ci clo do ácido cítrico e dos substratos e produtos da síntese de ATP para dentro e para fora das mitocôndrias Figura 1210 Embora o ATP seja sintetizado na matriz mitocon drial a maioria é utilizada fora da mitocôndria de modo que se torna necessário um mecanismo eficiente para mo ver ADP para dentro e ATP para fora da organela O transportador ADPATP adenina nucleotídeo rea liza a permuta ativa de ADP e ATP através da membrana interna O movimento do ATP4 mais negativamente car regado para fora da mitocôndria em troca de ADP3 ou seja uma carga negativa líquida para fora é acionado pelo gradiente de potencial elétrico ΔE positivo do lado de fora gerado pelo bombeamento de prótons A absorção de fosfato inorgânico Pi envolve uma proteína de transporte ativo de fosfato que usa o compo nente de potencial químico ΔpH da força motriz de pró tons para acionar a permuta eletroneutra de Pi para den tro por OH para fora Desde que um ΔpH seja mantido através da membrana interna o conteúdo de Pi dentro da matriz permanece alto Raciocínio similar aplicase à ab sorção de piruvato a qual é acionada pela troca eletroneu tra de piruvato por OH levando à absorção continuada de piruvato do citosol ver Figura 1210 O custo energético total de absorção de um fosfato e de um ADP para a matriz e de exportação de um ATP é o movimento de um H do espaço intermembrana para a matriz Mover um OH para fora em troca de Pi é equivalente a um H para dentro de modo que essa permuta ele troneutra consome o ΔpH mas não o ΔE Mover uma carga negativa para fora ADP3 entrando na matriz em troca de ATP4 saindo é o mesmo que mover uma carga positiva para dentro de modo que esse transporte reduz apenas o ΔE Esse próton que aciona a troca de ATP por ADP e Pi de veria ser também incluído no cálculo do custo de síntese de um ATP Assim o custo total é de 3 H usados pela ATPsintase mais 1 H para a troca através da membrana ou um total de 4 H A membrana interna também contém transportadores para ácidos dicarboxílicos malato ou succinato trocados por Pi 2 e para ácidos tricarboxílicos citrato aconitato ou isocitrato trocados por ácidos dicarboxílicos ver Figura 1210 e Tópico 125 na internet A respiração aeróbica gera cerca de 60 moléculas de trifosfato de adenosina por molécula de sacarose A oxidação completa de uma molécula de sacarose leva à formação líquida de Oito moléculas de ATP por fosforilação em nível de substrato quatro durante a glicólise e quatro no ciclo do ácido cítrico Quatro moléculas de NADH no citosol Dezesseis moléculas de NADH mais quatro molécu las de FADH2 via succinato desidrogenase na matriz mitocondrial Com base nos valores teóricos de ADPO ver Tabela 121 podese estimar que 52 moléculas de ATP serão geradas por molécula de sacarose pela fosforilação oxidativa A oxidação aeróbica completa da sacarose incluindo a fosforilação em nível de substrato resulta em um volume aproximado de 60 ATPs sintetizados por molécula de sacarose Tabela 122 Taiz12indd 334 Taiz12indd 334 27102016 145443 27102016 145443 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 335 H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H O componente potencialelétrico ΔE do gradiente de prótons aciona a troca eletrogênica de ADP do citosol por ATP da matriz mitocondrial via transportador de adenina nucleotídeo O ácido tricarboxílico citrato é trocado por um ácido dicarboxílico como o malato ou o succinato A absorção de ácidos dicarboxílicos como malato ou succinato em troca de um íon fosfato é mediada pelo transportador de dicarboxilato Uma proteína desacopladora ativa ou desacopladores químicos artificiais permite o rápido movimento de prótons através da membrana interna impedindo o acúmulo do gradiente eletroquímico de prótons e reduzindo a taxa de síntese de ATP mas não a taxa de transporte de elétrons O ΔpH aciona a absorção eletroneutra de Pi através do transportador de fosfato A energia livre liberada pela dissipação do gradiente de prótons é acoplada à síntese de ATP a partir de ADP e Pi via muitos complexos FoF1ATPsintase que atravessam a membrana interna A absorção de piruvato em troca de um íon hidroxila é mediada pelo transportador de piruvato Transportador de piruvato OH OH Transportador de fosfato I II III IV Complexos de transporte de elétrons ATPsintase complexo V Desacopladores Proteína desacopladora Transportador de dicarboxilato Baixo H Alto Transportador de adenina nucleotídeo F1 Fo Malato2 ADP3 ATP4 ADP3 Pi Pi2 Pi Piruvato ATP4 Membrana interna Espaço intermembrana Poro Membrana externa CITOSOL MATRIZ pH 75 pH 80 Citrato2 Malato2 F1 F1 Fo Fo Transportador de tricarboxilatos H Figura 1210 Transporte transmembrana em mitocôndrias ve getais Um gradiente eletroquímico de prótonsΔμ H consistindo em um componente potencialelétrico ΔE 200 mV negativo den tro e um componente potencialquímico ΔpH alcalino dentro é estabelecido através da membrana mitocondrial interna duran te o transporte de elétrons O Δμ H é usado por transportadores específicos que movem metabólitos através da membrana interna De Douce 1985 Taiz12indd 335 Taiz12indd 335 27102016 145443 27102016 145443 336 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Usando 50 kJ mol1 como a energia livre real de forma ção de ATP in vivo verificase que cerca de 3010 kJ mol1 de energia livre são conservados na forma de ATP por mol de sacarose oxidada durante a respiração aeróbica Essa quantidade representa em torno de 52 da energia livre padrão disponível para a oxidação completa da sacarose o resto é perdido como calor Ela representa também uma enorme melhoria em relação ao metabolismo fermentati vo no qual apenas 4 de energia disponível na sacarose são convertidos em ATP Diversas subunidades dos complexos respiratórios são codificadas pelo genoma mitocondrial O sistema genético das mitocôndrias vegetais difere não somente daquele do núcleo e do cloroplasto mas também daquele encontrado nas mitocôndrias de animais protis tas ou fungos Mais proeminentemente os processos en volvendo RNA diferem entre as mitocôndrias vegetais e as mitocôndrias da maioria dos demais organismos ver Tópico 126 na internet As principais diferenças são en contradas em Splicing do RNA p ex íntrons especiais estão pre sentes Edição de RNA na qual a sequência de nucleotídeos é alterada Sinais que regulam a estabilidade de RNA Tradução as mitocôndrias vegetais usam o código ge nético universal enquanto as mitocôndrias em outros eucariotos têm códons desviantes O tamanho do genoma mitocondrial de plantas varia substancialmente de 180 a quase 11 mil pares de quiloba ses kbp de kilobase pairs mesmo entre espécies intima mente relacionadas sendo sempre maior que o genoma compacto e uniforme de 16 kbp encontrado nas mitocôn drias de mamíferos As diferenças de tamanho são devidas principalmente à presença de DNA não codificante in cluindo numerosos íntrons no DNA mitocondrial mtDNA de plantas O mtDNA de mamíferos codifica somente 13 proteínas em comparação com as 35 proteínas conhecidas codificadas pelo mtDNA de Arabidopsis Tanto as mitocôn drias de vegetais quanto as de mamíferos contêm genes para rRNAs e tRNAs contudo mais importante vários ge nes nucleares de tRNA são necessários para fornecer o con junto completo de tRNA O mtDNA vegetal codifica várias subunidades de complexos respiratórios I a V bem como as proteínas que tomam parte na biogênese de citocromos As subunidades codificadas pelas mitocôndrias são essenciais para a atividade dos complexos respiratórios Exceto pelas proteínas codificadas pelo mtDNA todas as proteínas mitocondriais possivelmente mais de 2 mil são codificadas pelo DNA nuclear incluindo todas as proteí nas do ciclo do ácido cítrico Essas proteínas mitocondriais codificadas pelo núcleo são sintetizadas por ribossomas ci tosólicos e importadas via translocadores das membranas mitocondriais externas e internas Portanto a fosforilação oxidativa é dependente da expressão de genes localizados em dois genomas separados que devem ser coordenados para permitir a síntese de novos complexos respiratórios Enquanto a expressão de genes nucleares para proteí nas mitocondriais é regulada da mesma maneira que ou tros genes nucleares pouco se conhece sobre a regulação de genes mitocondriais Os genes podem ser infrarregula dos downregulated por uma redução no número de cópias para o segmento de mtDNA que contém o gene Além dis so os promotores gênicos no mtDNA são de vários tipos e mostram diferentes atividades de transcrição Entretanto a biogênese de complexos respiratórios parece ser controlada por mudanças na expressão das subunidades codificadas pelo núcleo a coordenação com o genoma mitocondrial se realiza principalmente em nível de póstradução O genoma mitocondrial é especialmente importante para o desenvolvimento polínico Rearranjos gênicos que ocorrem naturalmente no mtDNA levam à chamada este rilidade masculina citoplasmática CMS cytoplasmic male sterility Essa característica leva ao desenvolvimento anor mal do pólen pela indução da morte celular programada prematura ver Ensaio 125 na internet em plantas de resto não afetadas As características da CMS são usadas na reprodução de diversas plantas cultivadas para produ zir linhagens de sementes híbridas As plantas têm diversos mecanismos que reduzem a produção de ATP Como visto uma complexa maquinaria é necessária para a conservação da energia na fosforilação oxidativa Por isso talvez seja surpreendente que as mitocôndrias vegetais tenham várias proteínas funcionais que reduzem essa efi ciência ver Tópico 123 na internet As plantas são prova velmente menos limitadas pelo suprimento de energia luz solar que por outros fatores no ambiente p ex acesso à TABELA 122 Produção máxima de ATP citosólico a partir da oxidação completa de sacarose a CO2 via glicólise aeróbica e ciclo do ácido cítrico Reação parcial ATP por sacarosea Glicólise 4 fosforilações em nível de substrato 4 4 NADH 4 15 6 Ciclo do ácido cítrico 4 fosforilações em nível de substrato 4 4 FADH2 4 15 6 16 NADH 16 25 40 Total 60 Fonte Adaptada de Brand 1994 Nota Admitese que o NADH citosólico é oxidado pela NADH desidrogenase externa Assumese que outras rotas não fosforilativas p ex a oxidase alternativa não estão comprometidas aCalculado usando os valores teóricos de ADPO da Tabela 121 Taiz12indd 336 Taiz12indd 336 27102016 145444 27102016 145444 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 337 água e a nutrientes Como consequência para elas a fle xibilidade metabólica pode ser mais importante do que a eficiência energética Nas próximas subseções serão discutidos o papel dos três mecanismos não fosforilativos e a possível utilidade deles na vida da planta a oxidase alternativa a proteína desacopladora e a NADPHdesidrogenase insensível à rotenona A OXIDASE ALTERNATIVA A maioria das plantas exibe uma capacidade para respiração resistente ao cianeto compa rável à capacidade da rota da citocromo c oxidase sensível ao cianeto A captura de oxigênio resistente ao cianeto é catali sada pela oxidase alternativa ver Figura 129 e Tópico 123 na internet Os elétrons saem da cadeia principal de transporte de elétrons para essa rota alternativa no nível do pool de ubi quinona ver Figura 128 A oxidase alternativa o único componente da rota alternativa catalisa uma redução com quatro elétrons de oxigênio para água e é inibida especifi camente por vários compostos em especial o ácido salicil hidroxâmico SHAM Quando os elétrons passam à rota alternativa a partir do pool de ubiquinona dois locais de bombeamento de prótons nos complexos III e IV são dei xados de lado Como não existe um local de conservação de energia na rota alternativa entre a ubiquinona e o oxigênio a energia livre que normalmente seria conservada na forma de ATP é perdida como calor quando os elétrons são des viados por essa rota Como um processo que aparentemente desperdiça tan ta energia como a rota alternativa pode contribuir para o metabolismo vegetal Um exemplo da utilidade funcional da oxidase alternativa é sua atividade nas chamadas flores termogênicas de várias famílias de plantas por exemplo o lírio vodu Sauromatum guttatum ver Ensaio 126 na inter net Um pouco antes da polinização partes da inflorescên cia exibem uma dramática elevação na taxa de respiração causada por um grande aumento na expressão da oxida se alternativa ou proteína desacopladora dependendo da espécie Como resultado a temperatura da parte superior do apêndice aumenta até 25oC acima da temperatura am biente Durante essa extraordinária explosão de produção de calor certas aminas indóis e terpenos são volatilizados e a planta portanto exala um odor pútrido que atrai inse tos polinizadores O ácido salicílico foi identificado como o sinal iniciador desse evento termogênico no lírio vodu e posteriormente foi descoberto que também está envolvido na defesa de plantas a patógenos ver Capítulo 23 Na maioria das plantas as taxas respiratórias são bai xas demais para gerar calor suficiente para aumentar sig nificativamente a temperatura Quais outros papéis são desempenhados pela rota alternativa Para responder a essa pergunta devese considerar a regulação da oxidase alternativa Sua transcrição normalmente é induzida de forma específica por exemplo por vários tipos de estresses abióticos e bióticos A atividade da oxidase alternativa que funciona como um dímero é regulada pela oxidaçãoredu ção reversível de uma ponte dissulfeto intermolecular pelo nível de redução do pool de ubiquinona e pelo piruvato Os dois primeiros fatores asseguram que a enzima seja mais ativa sob condições redutoras enquanto o último fator asse gura que a enzima tenha elevada atividade quando houver abundância de substrato para o ciclo do ácido cítrico ver Tópico 123 na internet Se a taxa respiratória exceder a demanda celular por ATP ie se os níveis de ADP estão muito baixos o nível de redução na mitocôndria será alto e a oxidase alternati va será ativada Portanto a oxidase alternativa possibilita à mitocôndria ajustar suas taxas relativas de produção de ATP e de síntese de esqueletos de carbono para uso em reações biossintéticas Outra possível função da rota alternativa está na res posta das plantas a uma diversidade de estresses defi ciência de fosfato frio seca estresse osmótico e assim por diante muitos dos quais podem inibir a respiração mito condrial ver Capítulo 24 Em resposta ao estresse a cadeia de transporte de elétrons leva ao aumento na formação de espécies reativas de oxigênio EROs inicialmente superó xido mas também peróxido de hidrogênio e radical hidro xila que atuam como um sinal para a ativação da expressão da oxidase alternativa Por meio da drenagem de elétrons do pool de ubiquinona ver Figura 128 a rota alternativa evita a superredução limitando assim a produção de EROs e minimizando os efeitos prejudiciais do estresse sobre a respiração ver Ensaio 127 na internet A suprarregulação upregulation da oxidase alternativa é um exemplo de regu lação retrógrada na qual a expressão gênica nuclear respon de a alterações no status de organelas Figura 1211 A PROTEÍNA DESACOPLADORA Uma proteína encon trada na membrana interna das mitocôndrias de mamífe ros a proteína desacopladora pode aumentar drastica mente a permeabilidade da membrana a prótons e assim atuar como um desacoplador Como resultado são gerados menos ATP e mais calor A produção de calor parece ser uma das principais funções da proteína desacopladora em células de mamíferos Por muito tempo se pensou que a oxidase alternativa em plantas e a proteína desacopladora em mamíferos fos sem simplesmente duas maneiras diferentes de atingir o mesmo objetivo Houve surpresa portanto quando uma proteína similar à proteína desacopladora foi descoberta em mitocôndrias de plantas Essa proteína é induzida por estresse e estimulada por EROs Em mutantes silenciados knockout a assimilação fotossintética de carbono e o cres cimento foram reduzidos coerentemente com a interpreta ção de que a proteína desacopladora assim como a oxidase alternativa funciona para impedir a superredução da ca deia de transporte de elétrons e a formação de EROs ver Tópico 123 na internet e Ensaio 127 na internet NADHDESIDROGENASES INSENSÍVEIS À ROTENO NA Múltiplas desidrogenases insensíveis à rotenona oxidando NADH ou NADPH são encontradas em mito Taiz12indd 337 Taiz12indd 337 27102016 145444 27102016 145444 338 Unidade II Bioquímica e Metabolismo côndrias de plantas ver Figura 129 e Tópico 123 na in ternet A NADHdesidrogenase interna insensível à ro tenona NDinNADH pode trabalhar como um desvio não bombeador de prótons quando o complexo I está so brecarregado O complexo I tem uma afinidade mais alta por NADH Km dez vezes menor do que NDinNADH Em níveis mais baixos de NADH na matriz normalmente quando ADP está disponível o complexo I domina en quanto quando o ADP está limitando o processo os ní veis de NADH aumentam e a NDinNADH é mais ativa A NDinNADH e a oxidase alternativa provavelmente reciclam o NADH em NAD para manter a atividade da rota Uma vez que o poder redutor pode ser transferido da matriz para o citosol pela troca de diferentes ácidos orgânicos as NADHdesidrogenases externas podem ter funções de desvio semelhantes àquelas da NDinNADH Tomadas em conjunto essas NADHdesidrogenases e as NADPHdesidrogenases provavelmente tornam a respi ração das plantas mais flexível e permitem o controle da homeostase redox específica de NADH e NADPH nas mi tocôndrias e no citosol ver Figura 1211 O controle da respiração mitocondrial em curto prazo ocorre em diferentes níveis Os substratos para a síntese de ATP ADP e Pi parecem ser os reguladoreschave em curto prazo das taxas de gli cólise no citosol e do ciclo do ácido cítrico e da fosforilação oxidativa nas mitocôndrias Em todos os três estágios da respiração há pontos de controle aqui é apresentado ape Expressão gênica da oxidase alternativa Espécies reativas de oxigênio Ácido ascórbico NADPH NADP Sistemas de defesa ao estresse NADH NAD Prolina ATPADP Malato oxalacetato Citrato 2oxoglutarato Glicina serina Cadeia de transporte de elétrons Metabolismo mitocondrial de carbono MITOCÔNDRIA Metabolismo de carbono central Figura 1211 Interações metabólicas entre a mitocôndria e o cito sol A atividade mitocondrial pode influenciar os níveis citosólicos de moléculas redox e energéticas envolvidas na defesa ao estresse e no metabolismo central de carbono como os processos de crescimento e fotossíntese Uma distinção exata entre a defesa ao estresse e o me tabolismo de carbono não pode ser feita pois eles têm componentes em comum As setas indicam influências causadas por mudanças na síntese mitocondrial p ex espécies reativas de oxigênio EROs ATP ou ácido ascórbico ou degradação p ex NADPH prolina ou glici na A ativação da expressão genes nucleares mediada por EROs para a oxidase alternativa é um exemplo de regulação retrógrada PDH Inativa PDH Ativa H2O PDH quinase PDH fosfatase Piruvato CoA NAD AcetilCoA CO2 NADH H Efeito sobre a atividade da PDH Ativação Inibe a quinase Inibe a quinase Estimula a fosfatase Mecanismo Inibe a PDH Estimula a quinase Inibe a PDH Estimula a quinase Inibe a PDH Estimula a quinase Piruvato ADP Mg2 ou Mn2 Inativação NADH AcetilCoA NH4 ATP ADP P Pi Figura 1212 Regulação metabólica da atividade da piruvato desidrogenase PDH diretamente ou por fosforilação reversível Os metabólitos do início a montante upstream e do final a ju sante downstream regulam a atividade da PDH por ações diretas sobre a própria enzima ou pela regulação de sua proteína quinase ou proteína fosfatase nas um pequeno panorama geral de algumas característi cas importantes do controle respiratório O sítio de regulação póstradução mais bem caracte rizado do metabolismo respiratório mitocondrial é o com plexo piruvato desidrogenase que é fosforilado por uma proteína quinase reguladora e desfosforilado por uma pro teína fosfatase A piruvato desidrogenase encontrase ina tiva no estado fosforilado e a quinase reguladora é inibida pelo piruvato permitindo a atividade da enzima quan do o substrato está disponível Figura 1212 A piruvato desidrogenase forma o ponto de entrada do ciclo do ácido cítrico de modo que essa regulação ajusta a atividade do ciclo à demanda celular Taiz12indd 338 Taiz12indd 338 27102016 145444 27102016 145444 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 339 As tiorredoxinas controlam muitas enzimas pela di merização redox reversível de resíduos de cisteína ver Ca pítulo 8 Numerosas enzimas mitocondriais representan do quase todas as rotas são potencialmente modificadas por tiorredoxinas Embora o mecanismo detalhado não tenha sido elucidado ainda é provável que o status redox mitocondrial exerça um importante controle sobre os pro cessos respiratórios As oxidações do ciclo do ácido cítrico e subsequen temente a respiração são controladas de modo dinâmico pelo nível celular de nucleotídeos de adenina À medida que a demanda celular por ATP no citosol diminui em re lação à taxa de síntese de ATP nas mitocôndrias menos ADP está disponível e a cadeia de transporte de elétrons opera em uma taxa reduzida ver Figura 1210 Essa redu ção na atividade poderia ser sinalizada para as enzimas do ciclo do ácido cítrico por uma elevação de NADH na matriz que inibe a atividade de várias desidrogenases do ciclo do ácido cítrico O acúmulo de intermediários do ciclo do ácido cítrico como o citrato e de seus derivados como o glutamato inibe a ação da piruvato quinase citosólica Isso aumenta a concentração de PEP citosólico que por sua vez reduz a taxa de conversão da frutose6fosfato em frutose16 bifosfato inibindo assim a glicólise Em resumo as taxas respiratórias das plantas são con troladas alostericamente de baixo para cima pelo nível ce lular de ADP Figura 1213 O ADP regula inicialmente a taxa de transferência de elétrons e a síntese de ATP que por sua vez regula a atividade do ciclo do ácido cítrico a qual finalmente regula as taxas das reações glicolíticas Esse controle de baixo para cima permite que as rotas respiratórias do carbono se ajustem à demanda por unida des estruturais biossintéticas aumentando assim a flexibi lidade respiratória A respiração é fortemente acoplada a outras rotas A glicólise a rota oxidativa das pentoses fosfato e o ciclo do ácido cítrico são ligados a várias outras importantes rotas metabólicas algumas das quais serão tratadas mais detalhadamente no Apêndice 4 na internet As rotas res piratórias produzem os constituintes fundamentais para a síntese de uma ampla diversidade de metabólitos vegetais incluindo aminoácidos lipídeos e compostos relacionados isoprenoides e porfirinas Figura 1214 De fato boa parte do carbono reduzido que é metabolizado na glicólise e no ciclo do ácido cítrico é desviada para fins biossintéticos e não oxidada a CO2 As mitocôndrias também estão integradas à rede redox celular Variações no consumo ou na produção de compostos redox ou transportadores de energia como NADPH e ácidos orgânicos provavelmente irão afetar as rotas metabólicas no citosol e nos plastídios De impor tância especial é a síntese do ácido ascórbico uma molé cula central do equilíbrio redox e na defesa ao estresse em plantas pela cadeia de transporte de elétrons ver Figura 1211 As mitocôndrias também realizam etapas na bios síntese de coenzimas necessárias para muitas enzimas metabólicas em outros compartimentos celulares ver En saio 128 na internet Malato Oxalacetato Piruvato Fosfoenolpiruvato Frutose16bifosfato Frutose6fosfato Citrato Isocitrato 2oxoglutarato AcetilCoA Ciclo do ácido cítrico Cadeia de transporte de elétrons ATP ADP NADH NAD Pi Figura 1213 Modelo de regulação de baixo para cima bottomup da respiração vegetal Diversos substratos para a respiração p ex ADP estimulam enzimas nas etapas iniciais das rotas setas verdes Em contraste a acumulação de produtos p ex ATP inibe as reações a montante linhas vermelhas de uma maneira gradativa Por exemplo o ATP inibe a cadeia de transporte de elétrons levando a uma acumulação de NADH O NADH inibe as enzimas do ciclo do ácido cítrico como a isocitratodesidrogenase e a 2oxoglutaratodesidrogenase Os in termediários do ciclo do ácido cítrico como o citrato inibem enzimas metaboliza doras do PEP no citosol Por fim o PEP inibe a conversão de frutose6fosfato em frutose16bifosfato e restringe o fluxo de carbono para a glicólise Desse modo a respiração pode ser regulada para cima up ou para baixo down em resposta a demandas variáveis por qualquer um de seus produtos ATP e ácidos orgânicos Taiz12indd 339 Taiz12indd 339 27102016 145444 27102016 145444 340 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Respiração em plantas e em tecidos intactos Muitos estudos relevantes sobre a respiração vegetal e a sua regulação foram desenvolvidos em organelas isoladas e em extratos livres de células de tecidos vegetais Porém como esse conhecimento se relaciona à função da planta como um todo em condições naturais ou agrícolas Nesta seção são examinadas a respiração e a função mi tocondrial no contexto da planta inteira sob uma diversida de de condições Primeiro é explorado o que acontece quan do órgãos verdes são expostos à luz respiração e fotossíntese operam de maneira simultânea e são funcionalmente inte gradas na célula A seguir são discutidas as taxas de respira ção em diferentes tecidos as quais podem estar sob controle do desenvolvimento Finalmente é analisada a influência de vários fatores ambientais sobre taxas respiratórias As plantas respiram aproximadamente metade da produção fotossintética diária Muitos fatores podem afetar a taxa de respiração de plan tas intactas ou de seus órgãos individuais Entre os fato res relevantes estão a espécie e o hábito de crescimento da planta o tipo e a idade do órgão específico e variáveis ambientais como luz concentração externa de O2 e CO2 ADP ATP NAD NADP FMN CoA Citocininas Alcaloides Flavonoides Lignina Triptofano Tirosina Fenilalanina Proteínas Aspartato Piruvato Alanina AcetilCoA Oxalacetato Ciclo do ácido cítrico Nucleotídeos Ácidos nucleicos Ácido indolacético auxina Ácido chiquímico Eritrose4fosfato Pentose fosfato Hexose fosfato Celulose Gliceraldeído3fosfato Fosfoenolpiruvato Dihidroxiacetona fosfato Glicerol3fosfato Lipídeos e substâncias relacionadas Glutamato Outros aminoácidos Citrato Isocitrato Malato Fumarato Succinato 2oxoglutarato Proteínas Ácidos graxos Giberelinas Carotenoides Esteróis Ácido abscísico Clorofilas Ficocianinas Fitocromo Citocromo Catalase Sacarose Glicólise Rota das pentoses fosfato Figura 1214 A glicólise a rota oxidativa das pentoses fosfa to e o ciclo do ácido cítrico contribuem com precursores para vá rias rotas biossintéticas em plantas As rotas mostradas ilustram a extensão com a qual a biossíntese vegetal depende do fluxo de carbono por meio dessas rotas e enfatizam o fato de que nem todo o carbono que entra na rota glicolítica é oxidado a CO2 temperatura e suprimento de nutrientes e água ver Capí tulo 24 Pela medição de diferentes isótopos de oxigênio é possível medir in vivo as atividades da oxidase alternativa e da citocromo c oxidase simultaneamente Portanto sabe mos que uma parte significativa da respiração na maioria dos tecidos se realiza pela rota alternativa desperdiçadora de energia ver Ensaio 129 na internet As taxas respiratórias da planta inteira em particular quando consideradas com base na matéria fresca em geral são menores do que as taxas respiratórias encontradas em tecidos animais Essa diferença é devida principalmente à presença nas células vegetais de um grande vacúolo e uma parede celular nenhum deles contendo mitocôndrias En tretanto as taxas respiratórias em alguns tecidos vegetais são tão altas quanto aquelas observadas em tecidos ani mais respirando ativamente assim o processo respiratório em plantas não é inerentemente mais lento do que em ani mais Na verdade mitocôndrias vegetais isoladas respiram tão ou mais rapidamente que mitocôndrias de mamíferos Taiz12indd 340 Taiz12indd 340 27102016 145444 27102016 145444 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 341 A contribuição da respiração para a economia geral de carbono da planta pode ser substancial Enquanto apenas os tecidos verdes fotossintetizam todos os tecidos res piram e fazem isso 24 horas por dia Mesmo em tecidos fotossinteticamente ativos a respiração se integrada ao longo do dia utiliza uma fração considerável da fotossín tese bruta Um levantamento de várias espécies herbáce as indicou que 30 a 60 do ganho diário de carbono na fotossíntese são perdidos para a respiração embora esses valores tendam a diminuir em plantas mais velhas As ár vores respiram uma fração similar de sua produção fotos sintética mas suas perdas respiratórias aumentam com a idade e com a redução da razão entre tecidos fotossintéti cos e não fotossintéticos Em geral condições de cresci mento desfavoráveis aumentarão a respiração em relação à fotossíntese e assim reduzirão o rendimento global de carbono da planta A respiração opera durante a fotossíntese As mitocôndrias estão envolvidas no metabolismo de folhas fotossintetizantes de várias maneiras A glicina gerada pela fotorrespiração é oxidada à serina na mitocôndria em uma reação que envolve consumo de oxigênio ver Capítulo 8 Ao mesmo tempo as mitocôndrias em tecido fotossintético realizam respiração normal ie pela via do ciclo do ácido cítrico Em relação à taxa máxima de fotossíntese as taxas de respiração mitocondrial medidas em tecidos verdes na luz são muito menores em geral por um fator que varia de 6 a 20 vezes Considerando que as taxas de fotorrespiração geralmente podem alcançar de 20 a 40 da taxa fotossin tética bruta a fotorrespiração diurna é uma fornecedora de NADH para a cadeia respiratória maior do que as rotas res piratórias normais A atividade da piruvato desidrogenase uma das por tas de entrada no ciclo do ácido cítrico decresce na luz a 25 de sua atividade no escuro Coerentemente a taxa ge ral de respiração mitocondrial decresce na luz mas a mag nitude do decréscimo permanece incerta até o momento É claro no entanto que a mitocôndria é um importante fornecedor de ATP ao citosol p ex para desencadear ro tas biossintéticas mesmo em folhas iluminadas Outro papel das rotas respiratórias durante a fotos síntese é suprir precursores para as reações biossintéticas como o 2oxoglutarato necessário à assimilação de nitro gênio ver Figuras 127C e 1214 A formação de 2oxo glutarato também produz NADH na matriz ligando o processo à fosforilação oxidativa ou a atividades não fosfo rilativas da cadeia respiratória Evidência adicional do envolvimento da respiração mitocondrial na fotossíntese foi obtida em estudos com mutantes mitocondriais deficientes nos complexos respi ratórios Comparadas com o tipo selvagem essas plantas têm desenvolvimento foliar e fotossíntese mais lentos porque mudanças nos níveis de metabólitos com atividade redox são comunicadas entre mitocôndrias e cloroplastos afetando negativamente a função fotossintética Tecidos e órgãos diferentes respiram com taxas diferentes Considerase com frequência que a respiração tem dois componentes de magnitude comparável A respiração de manutenção é necessária para sustentar o funcionamen to e a reposição dos tecidos já presentes A respiração de crescimento fornece a energia utilizada na conversão de açúcares em unidades estruturais que produzem os no vos tecidos Uma regra geral útil é que quanto maior a atividade metabólica geral de determinado tecido mais alta é sua taxa respiratória Gemas em desenvolvimento normalmente mostram taxas de respiração muito altas e as taxas de respiração de órgãos vegetativos normalmente decrescem a partir do ponto de crescimento p ex o ápice foliar em dicotiledôneas e a base foliar em monocotiledô neas em direção a regiões mais diferenciadas Um exem plo bem estudado é a folha de cevada em crescimento Em órgãos vegetativos maduros os caules em geral têm as menores taxas de respiração enquanto a respira ção de folhas e raízes varia com a espécie vegetal e com as condições sob as quais as plantas estão se desenvolvendo Uma baixa disponibilidade de nutrientes por exemplo aumenta a demanda de produção de ATP respiratório na raiz Esse crescimento reflete o aumento dos custos ener géticos para a absorção ativa de íons e o crescimento da raiz em busca de nutrientes ver Tópico 127 na internet para uma discussão de como a produtividade agrícola é afetada por mudanças nas taxas respiratórias Quando um órgão vegetal atinge a maturidade sua taxa respiratória permanece mais ou menos constante ou diminui vagarosamente à medida que os tecidos envelhecem e final mente senescem Uma exceção a esse padrão é um acentua do aumento na respiração conhecido como climatérico que acompanha o início do amadurecimento em muitos frutos abacate maçã banana e a senescência em folhas e flores desprendidas Durante o amadurecimento de frutos ocor re a conversão massiva de por exemplo amido banana ou ácidos orgânicos tomate e maçã em açúcares acompanha da por um aumento do hormônio etileno ver Capítulo 21 e da atividade da rota alternativa resistente ao cianeto Tecidos diferentes podem utilizar diferentes substra tos para a respiração Os açúcares dominam amplamen te mas em órgãos específicos outros compostos como ácidos orgânicos em maçãs ou limões maduros e lipídeos em plântulas de girassol ou canola germinando podem fornecer o carbono para a respiração Esses compostos são produzidos com razões entre átomos de carbono e oxigênio diferentes Portanto a razão entre o CO2 liberado e o O2 consumido a qual é chamada de quociente respiratório ou QR varia com o substrato oxidado Lipídeos açúcares e ácidos orgânicos representam uma série crescente de QR porque os lipídeos contêm pouco oxigênio por carbono e os ácidos orgânicos contêm muito A fermentação alcoólica libera CO2 sem consumir O2 de modo que um QR alto é também um indicador de fermentação Desde que o QR Taiz12indd 341 Taiz12indd 341 27102016 145444 27102016 145444 342 Unidade II Bioquímica e Metabolismo pode ser determinado no campo ele é um importante pa râmetro nas análises do metabolismo de carbono em uma larga escala Os fatores ambientais alteram as taxas respiratórias Diversos fatores ambientais podem alterar a operação de rotas metabólicas e mudar as taxas respiratórias Aqui se rão examinados os papéis do oxigênio O2 da temperatu ra e do dióxido de carbono CO2 ambientais OXIGÊNIO O oxigênio pode afetar a respiração vegetal devido a seu papel como substrato no processo respirató rio como um todo A 25C a concentração de equilíbrio do O2 em uma solução aquosa saturada de ar 21 O2 é de cerca de 250 μM O valor do Km para o oxigênio na reação catalisada pela citocromo c oxidase é bem abaixo de 1 μM de modo que não deveria haver dependência aparente da taxa respiratória em relação às concentrações externas de O2 No entanto as taxas respiratórias decrescem se a con centração atmosférica de oxigênio fica abaixo de 5 para órgãos inteiros ou abaixo de 2 a 3 para partes de tecidos Essas observações mostram que o fornecimento de oxigê nio pode impor uma limitação à respiração vegetal O oxigênio difundese lentamente em soluções aquo sas Órgãos compactos como sementes e tubérculos de batata têm um gradiente apreciável de concentração de O2 da superfície para o centro o que restringe a razão ATP ADP Limitações à difusão são ainda mais significativas em sementes com um tegumento espesso ou em órgãos vegetais submersos em água Quando as plantas são cul tivadas hidroponicamente as soluções precisam ser aera das para manter altos níveis de oxigênio nas proximidades das raízes ver Capítulo 5 O problema do suprimento de oxigênio é particularmente importante em plantas cres cendo em solos muito úmidos ou inundados ver também Capítulo 24 Algumas plantas em especial as árvores têm uma dis tribuição geográfica restrita devido à necessidade de manu tenção de um suprimento de oxigênio para suas raízes Por exemplo o corniso Cornus florida e a tulipeira Liriodendron tulipifera conseguem sobreviver apenas em solos bem dre nados e aerados Por outro lado muitas espécies vegetais estão adaptadas a crescer em solos inundados Por exemplo o arroz e o girassol dependem de uma rede de espaços aére os intercelulares denominada aerênquima que se estende desde as folhas às raízes para fornecer uma rota gasosa con tínua para o movimento de oxigênio às raízes alagadas Se essa rota de difusão gasosa ao longo da planta não existisse as taxas de respiração celular de muitas espécies seriam li mitadas por um suprimento insuficiente de oxigênio As limitações no suprimento de oxigênio podem ser mais fortes em árvores com raízes muito profundas e que crescem em solos úmidos Essas raízes precisam sobreviver com metabolismo anaeróbico fermentativo ou desenvolver estruturas que facilitem o movimento de oxigênio até as raí zes Exemplos dessas estruturas são projeções de raízes de nominadas pneumatóforos que se projetam para fora da água e proporcionam uma rota gasosa para a difusão do oxigênio para dentro das raízes Os pneumatóforos são encontrados em Avicennia e Rhizophora representantes arbóreas que cres cem em mangues sob condições de inundação contínua TEMPERATURA A respiração funciona em uma ampla faixa de temperaturas ver Ensaios 126 e 129 na inter net Ela normalmente aumenta com as temperaturas entre 0 e 30C e atinge um platô entre 40 e 50C Em tempera turas maiores ela diminui novamente devido à inativação da maquinaria respiratória O aumento na taxa respiratória para cada aumento de 10C na temperatura comumente é chamado de coeficiente de temperatura Q10 Esse coefi ciente descreve como a respiração responde às mudanças de curto prazo na temperatura e varia com o desenvolvi mento da planta e com fatores externos Em uma escala de tempo mais longa as plantas aclimatamse às baixas temperaturas aumentando sua capacidade respiratória de modo que a produção de ATP possa ser continuada As temperaturas baixas são utilizadas para retardar a respiração póscolheita durante a estocagem de frutos e verduras mas essas temperaturas devem ser ajustadas com cuidado Por exemplo quando tubérculos de batata são armazenados a temperaturas superiores a 10oC a res piração e as atividades metabólicas ancilares são suficien tes para permitir brotação Abaixo de 5oC as taxas respi ratórias e a brotação são reduzidas mas a degradação do amido armazenado e sua conversão em sacarose conferem uma doçura indesejável aos tubérculos Por isso batatas são mais bem armazenadas entre 7 e 9C o que impede a decomposição do amido enquanto minimiza a respiração e a germinação ver também Ensaio 124 na internet DIÓXIDO DE CARBONO É uma prática comum na es tocagem comercial de frutos aproveitarse dos efeitos da concentração de oxigênio e da temperatura na respiração armazenandoo a baixas temperaturas sob concentrações de 2 a 3 de O2 e 3 a 5 de CO2 A temperatura reduzida baixa a taxa respiratória da mesma maneira que o nível reduzido de O2 Níveis baixos de oxigênio em vez de con dições anóxicas são usados para impedir que as tensões de oxigênio nos tecidos baixem ao ponto no qual o metabo lismo fermentativo seja estimulado O dióxido de carbono tem um efeito inibidor direto limitado sobre a respiração em concentrações artificiais altas de 3 a 5 A concentração atmosférica de CO2 atualmente 2014 é de cerca de 400 ppm mas está aumentando como resul tado das atividades humanas e está projetado um aumen to para 700 ppm antes do final do século XXI ver Capítu lo 9 O fluxo de CO2 entre as plantas e a atmosfera pela fotossíntese e a respiração é muito maior que o fluxo de CO2 para a atmosfera causado pela queima de combustí veis fósseis Portanto os efeitos de concentrações elevadas de CO2 na respiração vegetal influenciarão fortemente as N de T Os autores referemse novamente à brotação dos tubérculos Taiz12indd 342 Taiz12indd 342 27102016 145444 27102016 145444 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 343 futuras mudanças climáticas globais Estudos de labora tório têm mostrado que 700 ppm de CO2 não inibem di retamente a respiração vegetal mas medições em ecossis temas inteiros indicam que a respiração por unidade de biomassa pode diminuir com o aumento nas concentra ções de CO2 O mecanismo por trás desse último efeito ainda não está claro e hoje não é possível prever integral mente a importância potencial das plantas como um dre no para o CO2 antropogênico Metabolismo de lipídeos Enquanto os animais utilizam as gorduras para a armaze nagem de energia as plantas as utilizam para armazenar tanto energia como carbono Gorduras e óleos são for mas importantes de armazenagem de carbono reduzido em muitas sementes incluindo aquelas de espécies agro nomicamente importantes como soja girassol canola amendoim e algodão Os óleos têm uma grande função de armazenagem em muitas plantas não domesticadas que produzem sementes pequenas Alguns frutos como aba cates e azeitonas também armazenam gorduras e óleos Na parte final deste capítulo é descrita a biossíntese de dois tipos de glicerolipídeos os triacilgliceróis as gorduras e os óleos estocados em sementes e os glicerolipídeos polares que formam as bicamadas lipídicas das membranas celu lares Figura 1215 Será visto que a biossíntese de triacil gliceróis e de glicerolipídeos polares requer a cooperação de duas organelas os plastídios e o retículo endoplasmático Será examinado também o processo complexo pelo qual as sementes em germinação obtêm esqueletos de carbono e energia metabólica a partir da oxidação de gorduras e óleos Gorduras e óleos armazenam grandes quantidades de energia As gorduras e os óleos pertencem à classe geral dos lipí deos um grupo estruturalmente diverso de compostos hidrofóbicos solúveis em solventes orgânicos e altamente insolúveis em água Os lipídeos representam uma forma de carbono mais reduzida que os carboi dratos de modo que a oxidação completa de 1 g de gordura ou óleo que contém cerca de 40 kJ de energia pode produzir conside ravelmente mais ATP que a oxidação de 1 g de amido cerca de 159 kJ Por outro lado a biossíntese de lipídeos requer um inves timento correspondentemente grande de energia metabólica Outros lipídeos são importantes para a estrutura e o funcionamento das plantas mas não são utilizados para armazenagem de energia Esses lipídeos abrangem os fosfolipídeos e os galactolipídeos que cons tituem as membranas vegetais bem como os esfingoli pídeos que são também importantes componentes das membranas as ceras que compõem a cutícula protetora que reduz a perda de água de tecidos vegetais expostos e os terpenoides também conhecidos como isoprenoides que incluem os carotenoides envolvidos na fotossíntese e os esteróis presentes em muitas membranas vegetais Os triacilgliceróis são armazenados em corpos lipídicos As gorduras e os óleos existem principalmente na forma de triacilgliceróis acil referese à porção de ácido graxo nos quais as moléculas de ácidos graxos são unidas por ligações ésteres aos três grupos hidroxila do glicerol ver Figura 1215 Os ácidos graxos em plantas normalmente são ácidos carboxílicos de cadeia reta com um número par de átomos de carbono As cadeias de carbono podem ser curtas 12 unidades ou longas 30 ou mais porém mais comumente têm 16 ou 18 carbonos de extensão Os óleos são líquidos à temperatura ambiente principalmente devido à presen ça de ligações duplas carbonocarbono insaturação em seus ácidos graxos componentes as gorduras que têm uma maior proporção de ácidos graxos saturados são sólidas à temperatura ambiente Os principais ácidos graxos nos lipídeos vegetais são mostrados na Tabela 123 As proporções de ácidos graxos nos lipídeos vegetais variam com as espécies vegetais Por exemplo o óleo de amendoim é 9 ácido palmítico 59 ácido oleico e 21 ácido linoleico enquanto o óleo de semente de algodão é 25 ácido palmítico 15 ácido oleico e 55 ácido li noleico A biossíntese desses ácidos graxos será discutida brevemente Na maioria das sementes os triacilgliceróis são ar mazenados no citoplasma das células do cotilédone ou Diacilglicerol DAG Ácido fosfatídico Fosfatidilcolina Fosfatidiletanolamina Galactolipídeos X H X HPO3 X PO3 X PO3 X galactose Glicerol Triacilglicerol o principal lipídeo armazenado Glicerolipídeo polar CH2 CH2 CH2 CH2 NCH33 NH2 CHOH CH2OH CH2OH HC H2C H2C O O O O O O C C C CH2n CH2n CH2n CH3 CH3 CH3 HC H2C H2C O O O O O C X C CH2n CH2n CH3 CH3 Figura 1215 Características estruturais de triacilgliceróis e glicerolipídeos polares em vege tais superiores Os comprimentos das cadeias de carbono dos ácidos graxos as quais sempre têm um número par de carbonos variam de 12 a 20 mas são em geral de 16 ou 18 Assim o valor de n normalmente é 14 ou 16 Taiz12indd 343 Taiz12indd 343 27102016 145444 27102016 145444 344 Unidade II Bioquímica e Metabolismo endosperma em organelas conhecidas como corpos lipí dicos também denominadas esferossomos ou oleossomos ver Capítulo 1 A membrana dos corpos lipídicos é uma camada única de fosfolipídeos ie uma meia bicamada com as extremidades hidrofílicas dos fosfolipídeos expos tas ao citosol e as cadeias hidrofóbicas de hidrocarbonetos acil voltadas para o interior de triacilglicerol ver Capítulo 1 O corpo lipídico é estabilizado pela presença de proteí nas específicas denominadas oleosinas que cobrem sua superfície externa e impedem que os fosfolipídeos de cor pos lipídicos adjacentes entrem em contato e se fusionem uns aos outros A estrutura singular da membrana de corpos lipídi cos resulta do padrão de biossíntese dos triacilgliceróis A biossíntese de triacilgliceróis é completada por enzimas localizadas nas membranas do retículo endoplasmático RE acumulandose as gorduras resultantes entre duas monocamadas da bicamada da membrana do RE A bica mada intumesce e separase à medida que mais gorduras são adicionadas à estrutura em crescimento e por fim um corpo lipídico maduro desprendese do RE Os glicerolipídeos polares são os principais lipídeos estruturais nas membranas Conforme descrito no Capítulo 1 cada membrana na cé lula é uma bicamada de moléculas anfipáticas ie tendo tanto regiões hidrofílicas quanto hidrofóbicas de lipídeos nas quais um grupo da cabeça polar interage com o am biente aquoso enquanto as cadeias hidrofóbicas de ácidos graxos formam o núcleo da membrana Esse núcleo hi drofóbico impede a difusão aleatória de solutos entre os compartimentos celulares e desse modo permite que a bioquímica da célula seja organizada Os principais lipídeos estruturais nas membranas são os glicerolipídeos polares ver Figura 1215 nos quais a porção hidrofóbica consiste em duas cadeias de ácidos graxos de 16 ou 18 carbonos esterificadas nas posições 1 e 2 de uma estrutura de glicerol O grupo terminal polar está ligado à posição 3 do glicerol Existem duas categorias de glicerolipídeos polares 1 Gliceroglicolipídeos nos quais os açúcares formam o grupo da cabeça Figura 1216A 2 Glicerofosfolipídeos nos quais o grupo da cabeça contém fosfato Figura 1216B As membranas vegetais possuem lipídeos estruturais adi cionais incluindo esfingolipídeos e esteróis ver Capítulo 15 mas esses são componentes menores Outros lipídeos desempenham papéis específicos na fotossíntese e em ou tros processos Nesse grupo incluemse clorofilas plasto quinona carotenoides e tocoferóis que juntos contabili zam um terço dos lipídeos das folhas A Figura 1216 mostra as nove classes principais de glicerolipídeos nas plantas cada uma delas associada a várias combinações diferentes de ácidos graxos As estru turas mostradas na Figura 1216 ilustram algumas das es pécies moleculares mais comuns As membranas dos cloroplastos que representam 70 dos lipídeos de membrana em tecidos fotossintéticos são dominadas por gliceroglicolipídeos outras membra nas da célula contêm glicerofosfolipídeos Tabela 124 Em tecidos não fotossintéticos os glicerofosfolipídeos são os principais glicerolipídeos de membrana A biossíntese de ácidos graxos consiste em ciclos de adição de dois carbonos A biossíntese de ácidos graxos envolve a condensação cíclica de unidades de dois carbonos derivadas da acetil CoA Em plantas os ácidos graxos são sintetizados prin cipalmente nos plastídios enquanto em animais eles são sintetizados principalmente no citosol Acreditase que as enzimas da rota biossintética são mantidas juntas em um complexo que é coletivamente conhecido como ácido graxo sintase O complexo provavel mente permite que a série de reações ocorra de maneira mais eficiente do que ocorreria se as enzimas fossem fi TABELA 123 Ácidos graxos comuns em tecidos de vegetais superiores Nomea Estrutura Ácidos graxos saturados Ácido láurico 120 CH3CH210CO2H Ácido mirístico 140 CH3CH212CO2H Ácido palmítico 160 CH3CH214CO2H Ácido esteárico 180 CH3CH216CO2H Ácidos graxos insaturados Ácido oleico 181 CH3CH27CHCHCH27CO2H Ácido linoleico 182 CH3CH24CHCHCH2CHCHCH27CO2H Ácido linolênico 183 CH3CH2CHCHCH2CHCHCH2CHCHCH27CO2H aCada ácido graxo tem uma abreviatura numérica O número antes dos dois pontos representa o número total de carbonos o número depois dos dois pontos é o número de ligações duplas Taiz12indd 344 Taiz12indd 344 27102016 145444 27102016 145444 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 345 Monogalactosildiacilglicerol 183 163 Glicosilceramida Sulfolipídeo sulfoquinovosildiacilglicerol 183 160 Fosfatidilglicerol 183 160 Fosfatidilcolina 160 183 Fosfatidiletanolamina 160 182 Fosfatidilinositol 160 182 Fosfatidilserina 160 182 Difosfatidilglicerol cardiolipina 182 182 182 182 A Gliceroglicolipídeos B Glicerofosfolipídeos Digalactosildiacilglicerol 160 183 CH2OH OH OH OH O O O O O O CH2OH O O O O O O O O CH2SO3 O O O O O O O O O O CH2OH O P O O O O O P O O O O H3N H2 H2 C C O P O O O O O O O O O O O C C C C C C O OH OH OH H H OH H H OH P O O O H3N H H2 C C O P O O O COO O O O O O P O H2C HC O O O O O O O O O O OH O OH O P O H2C O O H O O O CH3 CH3 HO HO OH OH OH NH OH OH OH OH OH OH H3C H3C H3C N H H H H C O C OH OH OH Figura 1216 Principais classes de glicerolipídeos polares encon trados em membranas vegetais A gliceroglicolipídeos e um esfin golipídeo e B glicerofosfolipídeos Dois de pelo menos seis ácidos graxos diferentes podem ser ligados à estrutura básica de glicerol Uma das espécies moleculares mais comuns é mostrada para cada classe de lipídeos Os números abaixo de cada nome se referem ao número de carbonos número antes dos doispontos e ao número de ligações duplas número após os doispontos Taiz12indd 345 Taiz12indd 345 27102016 145444 27102016 145444 346 Unidade II Bioquímica e Metabolismo sicamente separadas entre si Além disso as cadeias acil em crescimento são ligadas de maneira covalente a uma proteína acídica de baixo peso molecular denominada proteína carregadora de acil ACP acyl carrier protein Quando conjugada à proteína carregadora acil uma ca deia acil é chamada de acilACP A primeira etapa comprometida com a rota ie a primeira etapa específica à síntese de ácidos graxos é a síntese de malonilCoA a partir de acetilCoA e CO2 pela enzima acetilCoAcarboxilase Figura 1217 A estreita re gulação da acetilCoAcarboxilase parece controlar a taxa global de síntese de ácidos graxos A malonilCoA então reage com ACP gerando malonilACP nas quatro etapas seguintes 1 No primeiro ciclo da síntese de ácidos graxos o grupo acetato da acetilCoA é transferido para uma cisteína específica da enzima condensadora 3cetoacilACP sintase e depois combinado com malonilACP para formar acetoacetilACP 2 A seguir o grupo ceto no carbono 3 é removido re duzido pela ação de três enzimas para formar uma nova cadeia acil butirilACP que tem agora quatro carbonos de comprimento ver Figura 1217 3 O ácido graxo de quatro carbonos e outra molécula de malonilACP se tornam então os novos substra tos para a enzima condensadora resultando na adição de outra unidade de dois carbonos à cadeia em cres cimento O ciclo continua até que 16 ou 18 carbonos tenham sido adicionados 4 Alguns 160ACP são liberados da maquinaria da áci do graxosintase mas a maioria das moléculas que são alongadas para 180ACP é de maneira eficiente convertida em 181ACP por uma enzima dessatura se Portanto 160ACP e 180ACP são os principais produtos da síntese de ácidos graxos em plastídios Figura 1218 Os ácidos graxos podem ser submetidos a modificações subsequentes após serem ligados ao glicerol para formar glicerolipídeos Ligações duplas adicionais são inseridas nos ácidos graxos 160 e 181 por uma série de isoenzimas dessaturases Isozimas dessaturases são proteínas integrais de membrana encontradas em cloroplastos e no RE Cada dessaturase insere uma ligação dupla em uma posição es pecífica na cadeia de ácido graxo e as enzimas atuam se quencialmente para formar os produtos finais 183 e 163 Os glicerolipídeos são sintetizados nos plastídios e no retículo endoplasmático Os ácidos graxos sintetizados nos cloroplastos são em seguida utilizados para compor os glicerolipídeos das membranas e dos corpos lipídicos As primeiras etapas na síntese de glicerolipídeos são duas reações de acilação que transferem ácidos graxos da acilACP ou acilCoA para o glicerol3fosfato formando ácido fosfatídico A ação de uma fosfatase específica produz diacilglice rol DAG a partir do ácido fosfatídico O ácido fosfatídico também pode ser convertido diretamente em fosfatidili nositol ou fosfatidilglicerol DAG pode originar fosfatidi letanolamina ou fosfatidilcolina ver Figura 1218 A localização das enzimas de síntese de glicerolipí deos revela uma interação complexa e altamente regulada entre o cloroplasto onde os ácidos graxos são sintetiza dos e outros sistemas de membranas da célula Em ter mos simples a bioquímica abrange duas rotas conhecidas como rota procariótica ou cloroplastídica e rota eucarió tica ou de RE 1 Nos cloroplastos a rota procariótica utiliza os produ tos 160ACP e 181ACP da síntese de ácidos graxos no cloroplasto para sintetizar ácido fosfatídico e seus derivados Alternativamente os ácidos graxos podem ser exportados ao citoplasma como ésteres de CoA 2 No citoplasma a rota eucariótica utiliza um conjunto separado de aciltransferases no RE para incorporar os ácidos graxos no ácido fosfatídico e seus derivados Uma versão simplificada desse modelo de duas rotas está representada na Figura 1218 TABELA 124 Componentes glicerolipídicos das membranas celulares Lipídeo Composição lipídica porcentagem do total Cloroplasto Retículo endoplasmático Mitocôndria Fosfatidilcolina 4 47 43 Fosfatidiletanolamina 34 35 Fosfatidilinositol 1 17 6 Fosfatidilglicerol 7 2 3 Difosfatidilglicerol 13 Monogalactosildiacilglicerol 55 Digalactosildiacilglicerol 24 Sulfolipídeo 8 Taiz12indd 346 Taiz12indd 346 27102016 145444 27102016 145444 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 347 SACP Ácido graxo finalizado AcetilCoA MalonilCoA MalonilACP AcetoacetilACP ACP CO2 CO2 ACP 2 2 CO2 Enzima condensadora Enzima condensadora Continua em direção à cadeia de 16 a 18 carbonos de comprimento acilACP ACP AcetilCoA carboxilase Etapa de descarboxilação Etapa de descarboxilação 4 O grupo ceto no carbono 3 é removido em três etapas 5 O segundo ciclo de síntese de ácidos graxos inicia aqui 7 A ACP é removida do ácido graxo finalizado em uma reação de transferase 2 O grupo malonil é transferido para a proteína carrega dora de acil ACP 1 Esta é a primeira etapa comprometida com a rota biossintética de ácidos graxos 3 O primeiro ciclo de síntese de ácidos graxos inicia aqui ATP ADP Pi NADPH NADP 6 O ciclo continua múltiplas vezes adicionando unidades de acetato 2 carbonos do malonilACP CH3 C O SCoA CH2 C O SCoA OOC CH2 C O SACP OOC CH2 C O CH3 C O CH2 C O SACP CH2 CH3 ButirilACP Cloroplasto rota procariótica Retículo endoplasmático rota eucariótica Ácido graxo sintase e 180ACPdessaturase 160ACP 181ACP 160CoA 181CoA Fosfatidilglicerol Ácido fosfatídico PA Ácido fosfatídico PA Digalactosildia cilglicerol Diacilglicerol DAG Diacilglicerol DAG Fosfatidili nositol Fosfatidil glicerol Fosfatidileta nolamina Fosfatidilcolina Monogalacto sildiacilglicerol Sulfolipídeo Figura 1218 As duas rotas de síntese de glicerolipídeos no cloro plasto e no retículo endoplasmático de células foliares de Arabidopsis Os principais componentes de mem brana são mostrados nas caixas de texto A glicerolipídeo dessaturase no cloroplasto e as enzimas no re tículo endoplasmático convertem os ácidos graxos 160 e 181 em ácidos graxos mais altamente insaturados mostrados na Figura 1216 Figura 1217 Ciclo da síntese de ácidos graxos em plastí dios de células vegetais Taiz12indd 347 Taiz12indd 347 27102016 145444 27102016 145444 348 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Em algumas plantas superiores incluindo Arabidopsis e espinafre as duas rotas contribuem quase igualmente para a síntese de lipídeos dos cloroplastos Em muitas outras an giospermas no entanto o fosfatidilglicerol é o único produ to da rota procariótica e os demais lipídeos do cloroplasto são sintetizados inteiramente pela rota eucariótica A bioquímica da síntese de triacilglicerol em sementes oleaginosas em geral é a mesma descrita para glicerolipí deos 160ACP e 181ACP são sintetizados nos plastídios e exportados como tioésteres de CoA para incorporação no DAG no RE ver Figura 1218 As enzimaschave no metabolismo de sementes oleaginosas não mostradas na Figura 1218 são acil CoADAGaciltransferase e PCDAGaciltransferase que catalisam a síntese de triacilglicerol Conforme observado anteriormente moléculas de triacilglicerol acumulamse em estruturas subcelulares especializadas os corpos li pídicos a partir das quais elas podem ser mobilizadas durante a germinação e convertidas em açúcares A composição lipídica influencia a função da membrana Uma questão central na biologia de membranas é a razão funcional por trás da diversidade de lipídeos Cada sistema de membranas da célula tem um complemento caracterís tico e distinto de tipos de lipídeos dentro de uma única membrana cada classe de lipídeos tem uma composição distinta de ácidos graxos ver Tabela 124 Uma visão simplificada de uma membrana é aquela na qual os lipídeos constituem a bicamada fluída semipermeá vel que é a matriz para as proteínas funcionais de membra na Uma vez que essa função genérica dos lipídeos poderia ser preenchida por uma única espécie insaturada de fosfati dilcolina esse modelo simples é obviamente insatisfatório Por que é necessária a diversidade de lipídeos Um aspecto da biologia de membranas que pode responder a essa per gunta central é a relação entre a composição lipídica e a ca pacidade dos organismos de se ajustarem às mudanças de temperatura Por exemplo plantas sensíveis ao frio experi mentam reduções bruscas na taxa de crescimento e no de senvolvimento a temperaturas entre 0 e 12oC ver Capítulo 24 Muitas culturas economicamente importantes como algodão soja milho arroz e inúmeras frutíferas tropicais e subtropicais são classificadas como sensíveis ao frio Por outro lado a maioria das plantas oriundas de regiões tem peradas é capaz de crescer e se desenvolver em temperatu ras baixas e elas são classificadas como resistentes ao frio Devido ao decréscimo na fluidez lipídica em tempera turas mais baixas tem sido sugerido que o evento primá rio de dano por resfriamento é uma transição de uma fase líquidocristalina para uma fase de gel nas membranas celu lares De acordo com essa hipótese essa transição resul taria em alterações no metabolismo de células resfriadas e levaria ao dano e à morte das plantas sensíveis ao frio O grau de insaturação dos ácidos graxos determinaria a temperatura na qual o dano ocorreria Pesquisa recente no entanto sugere que a relação en tre insaturação de membrana e as respostas das plantas à temperatura é mais sutil e complexa ver Tópico 128 na internet As respostas de mutantes de Arabidopsis com saturação aumentada dos ácidos graxos a baixas tempera turas não são como o previsto pela hipótese de sensibili dade ao frio sugerindo que danos normais causados pelo frio podem não ser estritamente relacionados ao nível de insaturação dos lipídeos das membranas Por outro lado experimentos com indivíduos transgê nicos de tabaco sensíveis ao frio mostram resultados opos tos A expressão transgênica de genes exógenos em tabaco tem sido usada especificamente para diminuir o nível de fosfatidilglicerol saturado ou para causar um aumento geral na insaturação da membrana Em cada caso o dano causa do pelo resfriamento foi mitigado em certo grau Essas novas descobertas deixam claro que tanto a ex tensão da insaturação das membranas como a presença de lipídeos específicos como o fosfatidilglicerol insaturado podem afetar as respostas das plantas a baixas temperatu ras Conforme discutido no Tópico 128 na internet mais estudos são necessários para se entender completamente a relação entre composição lipídica e função das membranas Os lipídeos de membranas são importantes precursores de compostos sinalizadores Plantas animais e micróbios utilizam os lipídeos de mem brana como precursores de compostos utilizados para si nalização intracelular ou de longo alcance Por exemplo o hormônio jasmonato derivado do ácido linolênico 183 ativa as defesas das plantas contra insetos e muitos fun gos patogênicos ver Capítulo 23 Além disso o jasmona to regula outros aspectos do crescimento vegetal incluin do o desenvolvimento das anteras e do pólen Fosfatidilinositol45bifosfato PIP2 é o mais im portante de vários derivados do fosfatidilinositol conheci dos como fosfoinositídeos Em animais a ativação mediada por receptores da fosfolipase C leva à hidrólise do PIP2 em inositol trifosfato InsP3 e diacilglicerol ambos atuando como mensageiros secundários intracelulares A ação do InsP3 na liberação do Ca2 no citoplasma por meio de canais sensíveis ao Ca2 no tonoplasto e em outras membranas e portanto na regulação dos proces sos celulares tem sido demonstrada em vários sistemas vegetais incluindo as célulasguarda Informações sobre outros tipos de sinalização por lipídeos em plantas estão se tornando disponíveis mediante estudos bioquímicos e de genética molecular das fosfolipases e de outras enzimas envolvidas na geração desses sinais Os lipídeos de reserva são convertidos em carboidratos em sementes em germinação Depois de germinarem as sementes oleaginosas metabo lizam os triacilgliceróis convertendoos em sacarose As plantas não são capazes de transportar gorduras dos cotilé dones para outros tecidos da plântula em desenvolvimento Taiz12indd 348 Taiz12indd 348 27102016 145445 27102016 145445 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 349 CHO COOH Triacilgliceróis são hidrolisados para produzir ácidos graxos Ácidos graxos são metabolizados por βoxidação à acetilCoA no glioxissomo Cada duas moléculas de acetilCoA produzidas são metabolizadas pelo ciclo do glioxilato para gerar um succinato O succinato movese para a mitocôndria e é convertido em malato O malato é transportado para o citosol e oxidado a oxaloacetato que é convertido a fosfoenolpiruvato pela enzima PEPcarboxiquinase O PEP resultante é então metabolizado para produzir sacarose via rota gliconeogênica Malato Malato Fumarato Succinato Succinato MITOCÔNDRIA A B Glioxissomo Mitocôndria CORPO LIPÍDICO Ácido graxo n acetilCoA Citrato Citrato Aconitase Malato Malato Oxalacetato Oxalacetato Fosfoenolpiruvato Frutose6P Sacarose Isocitrato Isocitrato Glioxilato Triacilgliceróis CoA CoA CoA AcilCoA Ácido graxoacil CoAsintetase Malato desidrogenase O2 CO2 n H2O n n Oxalacetato Malato desidrogenase PEPcarboxi quinase CITOSOL n 2 GLIOXISSOMO βoxidação Ciclo do glioxilato Lipase ATP ADP NADH NAD NADH NADH NAD NAD Corpo lipídico de modo que elas precisam converter os lipídeos armazena dos em uma forma mais móvel de carbono em geral saca rose Esse processo envolve diversas etapas as quais estão localizadas em diferentes compartimentos celulares corpos lipídicos glioxissomos mitocôndrias e citosol VISÃO GERAL LIPÍDEOS À SACAROSE Em sementes oleaginosas a conversão de lipídeos em sacarose é de sencadeada pela germinação Ela começa com a hidróli se dos triacilgliceróis armazenados em corpos lipídicos a ácidos graxos livres seguida da oxidação desses ácidos graxos para produzir acetilCoA Figura 1219 Os ácidos graxos são oxidados em um tipo de peroxissomo deno minado glioxissomo uma organela delimitada por uma única bicamada de membrana que é encontrada nos teci dos de reserva da semente ricos em óleos A acetilCoA é metabolizada no glioxissomo e no citoplasma ver Figura Figura 1219 Conversão de gorduras em açúcares durante a germinação de sementes oleaginosas A Fluxo de carbono durante a degradação de ácidos graxos e gliconeogênese reportar às Figu ras 122 123 e 126 para as estruturas químicas B Micrografia ao microscópio eletrônico de uma célula do cotilédone armazenador de óleos de uma plântula de pepino mostrando glioxissomos mito côndrias e corpos lipídicos B cortesia de R N Trelease Taiz12indd 349 Taiz12indd 349 27102016 145445 27102016 145445 350 Unidade II Bioquímica e Metabolismo 1219A para produzir succinato O succinato é transporta do do glioxissomo para a mitocôndria onde é convertido primeiro em fumarato e após em malato O processo ter mina no citosol com a conversão do malato em glicose via gliconeogênese e então em sacarose Na maioria das se mentes oleaginosas cerca de 30 da acetilCoA são usa dos para a produção de energia pela respiração e o resto é convertido em sacarose HIDRÓLISE MEDIADA POR LIPASES A etapa inicial na conversão de lipídeos em carboidratos é a degradação dos triglicerídeos armazenados em corpos lipídicos pela enzi ma lipase a qual hidrolisa triacilgliceróis em três molécu las de ácidos graxos e uma molécula de glicerol Durante a degradação dos lipídeos os corpos lipídicos e os glio xissomos em geral estão em associação física íntima ver Figura 1219B βOXIDAÇÃO DE ÁCIDOS GRAXOS As moléculas de ácidos graxos entram no glioxissomo onde são ativadas pela conversão em ácido graxoacilCoA pela enzima ácido graxoacilCoAsintetase A ácido graxoacilCoA é o substrato inicial para a série de reações da βoxidação nas quais Cn ácidos graxos ácidos graxos compostos de n carbonos são sequencialmente decompostos em n2 mo léculas de acetilCoA ver Figura 1219A Essa sequência de reações envolve a redução de ½ O2 a H2O e a formação de um NADH para cada acetilCoA produzida Em tecidos de mamíferos as quatro enzimas associa das à βoxidação estão presentes na mitocôndria Em teci dos de reserva de sementes elas estão localizadas exclusi vamente nos glioxissomos ou na organela equivalente em tecidos vegetativos o peroxissomo ver Capítulo 1 O CICLO DO GLIOXILATO A função do ciclo do glioxi lato é converter duas moléculas de acetilCoA em succi nato A acetilCoA produzida por βoxidação é posterior mente metabolizada no glioxissomo mediante uma série de reações que compõem o ciclo do glioxilato ver Figura 1219A Inicialmente a acetilCoA reage com oxalaceta to gerando citrato que é então transferido ao citoplasma para isomerização a isocitrato pela aconitase O isocitrato é reimportado para o glioxissomo e convertido em malato por duas reações que são exclusivas da rota do glioxilato 1 Em primeiro lugar o isocitrato C6 é clivado pela enzima isocitratoliase produzindo succinato C4 e glioxilato C2 O succinato é exportado para as mito côndrias 2 A seguir a malato sintase combina uma segunda molécula de acetilCoA com glioxilato produzindo malato O malato é então transferido para o citoplasma e con vertido em oxaloacetato pela isozima citoplasmática da malatodesidrogenase O oxaloacetato é reimportado para o glioxissomo e se combina com outra acetilCoA para continuar o ciclo ver Figura 1219A O glioxilato produzi do mantém o ciclo operando mas o succinato é exportado às mitocôndrias para posterior processamento O PAPEL MITOCONDRIAL Ao se mover dos glioxisso mos para as mitocôndrias o succinato é convertido em malato pelas duas reações correspondentes do ciclo do ácido cítrico O malato resultante pode ser exportado das mitocôndrias em troca de succinato mediante o transpor tador de dicarboxilato localizado na membrana mitocon drial interna O malato é então oxidado a oxalacetato pela malatodesidrogenase no citosol enquanto o oxalaceta to resultante é convertido em carboidratos pela inversão da glicólise gliconeogênese Essa conversão exige que a irreversibilidade da reação da piruvato quinase seja con tornada ver Figura 123 e é facilitada pela enzima PEP carboxiquinase que utiliza a capacidade de fosforilação do ATP para converter oxaloacetato em PEP e CO2 ver Figura 1219A A partir do PEP a gliconeogênese pode prosseguir com a produção de glicose conforme já descrito A saca rose produto final desse processo é a forma primária de carbono reduzido translocado dos cotilédones aos tecidos das plântulas em desenvolvimento Entretanto nem todas as sementes convertem quantitativamente gordura em açúcar ver Tópico 129 na internet RESUMO Utilizando os constituintes estruturais proporcionados pela fotos síntese a respiração libera a energia armazenada em compostos de carbono de uma maneira controlada para o uso celular Ao mesmo tempo ela gera muitos precursores de carbono para a biossíntese Visão geral da respiração vegetal Na respiração vegetal o carbono celular reduzido gerado pela fotossíntese é oxidado a CO2 e água e essa oxidação é acopla da à síntese de ATP A respiração ocorre por quatro processos principais a glicólise a rota oxidativa das pentoses fosfato o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa a cadeia de transporte de elétrons e a síntese de ATP Figura 121 Glicólise Na glicólise os carboidratos são convertidos em piruvato no citosol e uma pequena quantidade de ATP é sintetizada via fos forilação em nível de substrato O NADH também é produzido Figura 123 Taiz12indd 350 Taiz12indd 350 27102016 145445 27102016 145445 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 351 MATERIAL DA INTERNET Tópico 121 Isolamento de mitocôndrias Mitocôndrias in tactas e funcionais podem ser purificadas para análise in vitro Tópico 122 O ciclo Q explica como o complexo III bom beia prótons através da membrana mitocondrial inter na Um processo cíclico permite uma estequiometria próton elétron mais alta Tópico 123 Múltiplos desvios nas etapas de conserva ção de energia na fosforilação oxidativa de mitocôndrias vegetais As enigmáticas rotas não fosforilativas e desperdi çadoras de energia da respiração são importantes para a flexi bilidade metabólica Tópico 124 FoF1ATPsintases os menores motores gira tórios do mundo A rotação da subunidade γ ocasiona as mu danças de conformação que acoplam o fluxo de prótons para a síntese de ATP Tópico 125 Transporte para dentro e para fora das mi tocôndrias vegetais As mitocôndrias vegetais transportam metabólitos coenzimas e macromoléculas Tópico 126 O sistema genético das mitocôndrias vege tais tem diversas características especiais O genoma mito condrial codifica cerca de 40 proteínas mitocondriais A glicólise vegetal tem enzimas alternativas para várias etapas Isso permite diferenças nos substratos utilizados nos produtos gerados e na direção da rota Quando O2 insuficiente está disponível a fermentação regenera NAD para a glicólise Apenas uma pequena fração da energia disponível em açúcares é conservada pela fermentação Figura 123 A glicólise vegetal é regulada de baixo para cima por seus produtos Rota oxidativa das pentoses fosfato Os carboidratos podem ser oxidados pela rota oxidativa das pentosesfosfato que fornece constituintes estruturais para biossíntese e poder redutor como NADPH Figura 124 Ciclo do ácido cítrico O piruvato é oxidado a CO2 dentro da matriz mitocondrial por meio do ciclo do ácido cítrico gerando um grande número de equivalentes redutores na forma de NADH e FADH2 Figuras 125 126 Em plantas o ciclo do ácido cítrico é envolvido em rotas alterna tivas que permitem a oxidação de malato ou citrato e a expor tação de intermediários para biossíntese Figuras 126 127 Transporte de elétrons mitocondrial e a síntese de ATP O transporte de elétrons de NADH e FADH2 para o oxigênio é acoplado por complexos enzimáticos ao transporte de prótons através da membrana mitocondrial interna Isso gera um gra diente eletroquímico de prótons usado para alimentar a síntese e a exportação de ATP Figuras 1281210 Durante a respiração aeróbica até 60 moléculas de ATP são produzidas por molécula de sacarose Tabela 122 A presença de várias proteínas oxidase alternativa NADPH desidrogenases e proteína desacopladora que diminuem a recuperação de energia é típica da respiração vegetal Figuras 128 129 Os principais produtos do processo respiratório são ATP e in termediários metabólicos utilizados na biossíntese A demanda celular por esses compostos regula a respiração por meio de pontos de controle na cadeia transportadora de elétrons no ciclo do ácido cítrico e na glicólise Figuras 12111214 Respiração em plantas e em tecidos intactos Mais de 50 da produtividade fotossintética diária podem ser respirados por uma planta Muitos fatores podem afetar a taxa respiratória observada ao nível da planta inteira Esses fatores abrangem a natureza e a idade do tecido vegetal assim como fatores ambientais como a luz a temperatura o suprimento de nutrientes e de água e as concentrações de O2 e CO2 Metabolismo de lipídeos Triacilgliceróis gorduras e óleos são uma forma eficiente para armazenagem de carbono reduzido particularmente em sementes Glicerolipídeos polares são os componentes estruturais primários de membranas Figuras 1215 1216 Tabelas 123 124 Triacilgliceróis são sintetizados no RE e acumulamse dentro da bicamada fosfolipídica formando corpos lipídicos Os ácidos graxos são sintetizados nos plastídios utilizando ace tilCoA em ciclos de adição de dois carbonos Os ácidos graxos dos plastídios podem ser transportados ao RE onde posterior mente são modificados Figuras 1217 1218 A função de uma membrana pode ser influenciada pela sua composição lipídica O grau de insaturação dos ácidos graxos influencia a sensibilidade das plantas ao frio mas não parece estar envolvido nos danos normais causados pelo resfriamento Alguns derivados lipídicos como jasmonato são importantes hormônios de plantas Durante a germinação de sementes oleaginosas os lipídeos ar mazenados são metabolizados a carboidratos em uma série de reações que incluem o ciclo do glioxilato Esse ciclo ocorre nos glioxissomos e as etapas subsequentes ocorrem nas mitocôn drias Figura 1219 O carbono reduzido gerado durante a degradação lipídica nos glioxissomos é por fim convertido em carboidratos no citosol pela gliconeogênese Figura 1219 Taiz12indd 351 Taiz12indd 351 27102016 145445 27102016 145445 352 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Leituras sugeridas Atkin O K and Tjoelker M G 2003 Thermal acclimation and the dynamic response of plant respiration to temperature Trends Plant Sci 8 343351 Bates P D Stymne S and Ohlrogge J 2013 Biochemical pathways in seed oil synthesis Curr Opin Plant Biol 16 358364 GonzalezMeler M A Taneva L and Trueman R J 2004 Plant respiration and elevated atmospheric CO2 concentration Cellular responses and global significance Ann Bot 94 647656 Markham J E Lynch D V Napier J A Dunn T M and Cahoon E B 2013 Plant sphingolipids function follows form Curr Opin Plant Biol 16 350357 Millar A H Whelan J Soole K L and Day D A 2011 Organization and regulation of mitochondrial respiration in plants Annu Rev Plant Biol 62 79104 Møller I M 2001 Plant mitochondria and oxidative stress Electron transport NADPH turnover and metabolism of reactive oxygen species Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 52 561591 Nicholls D G and Ferguson S J 2013 Bioenergetics 4 4th ed Academic Press San Diego CA Plaxton W C and Podestá F E 2006 The functional organization and control of plant respiration Crit Rev Plant Sci 25 159198 Rasmusson A G Geisler D A and Møller I M 2008 The multiplicity of dehydrogenases in the electron transport chain of plant mitochondria Mitochondrion 8 4760 Sweetlove L J Beard K F M NunesNesi A Fernie A R and Ratcliffe R G 2010 Not just a circle Flux modes in the plant TCA cycle Trends Plant Sci 15 462470 Vanlerberghe G C 2013 Alternative oxidase A mitochondrial respiratory pathway to maintain metabolic and signaling homeostasis during abiotic and biotic stress in plants Int J Mol Sci 14 68056847 Wallis J G and Browse J 2010 Lipid biochemists salute the genome Plant J 61 10921106 Tópico 127 A respiração reduz a produtividade das cul turas A produtividade de culturas está correlacionada com as baixas taxas respiratórias de uma maneira não compreendida Tópico 128 A composição lipídica das membranas afe ta a biologia celular e a fisiologia das plantas Mutantes lipídicos estão ampliando nosso conhecimento acerca da ca pacidade dos organismos de se adaptarem às mudanças de temperatura Tópico 129 Utilização de reservas de óleo dos cotilédo nes Em algumas espécies apenas parte dos lipídeos armaze nados nos cotilédones é exportada como carboidrato Ensaio 121 A flexibilidade metabólica ajuda as plantas a sobreviverem ao estresse A capacidade das plantas de realizar uma etapa metabólica de diferentes maneiras aumenta a sobrevivência vegetal sob estresse Ensaio 122 Elaboração do perfil metabólico das células vegetais A elaboração do perfil metabólico complementa a genômica e a proteômica Ensaio 123 Dinâmica mitocondrial quando a forma en contra a função A microscopia de fluorescência tem mos trado que as mitocôndrias alteram dinamicamente a forma o tamanho o número e a distribuição in vivo Ensaio 124 Mitocôndrias em sementes e a tolerância ao estresse As sementes experimentam uma enorme gama de estresses e são dependentes da respiração para a germinação Ensaio 125 Balanço de vida e morte o papel da mito côndria na morte celular programada A morte celular pro gramada é uma parte integral do ciclo de vida das plantas com frequência envolvendo diretamente as mitocôndrias Ensaio 126 Respiração por flores termogênicas A tempe ratura de flores termogênicas como nos lírios do gênero Arum pode aumentar até 35oC acima do ambiente adjacente Ensaio 127 Espécies reativas de oxigênio EROs e respi ração vegetal A produção de espécies reativas de oxigênio é uma consequência inevitável da respiração aeróbica Ensaio 128 Síntese de coenzima em mitocôndrias vege tais As rotas de síntese de coenzimas frequentemente são di vididas entre organelas Ensaio 129 Medição in vivo da respiração vegetal As ati vidades da oxidase alternativa e da citocromo c oxidase podem ser medidas simultaneamente Taiz12indd 352 Taiz12indd 352 27102016 145445 27102016 145445 13 A s plantas superiores são organismos autotróficos que podem sin tetizar todos os seus componentes orgânicos a partir de nutrientes inorgânicos obtidos do ambiente Para muitos nutrientes minerais o proces so envolve a absorção de compostos do solo pelas raízes ver Capítulo 5 e a incorporação em compostos orgânicos essenciais ao crescimento e ao de senvolvimento Essa incorporação dos nutrientes inorgânicos em substâncias orgânicas como pigmentos cofatores enzimáticos lipídeos ácidos nucleicos e aminoácidos é denominada assimilação de nutrientes A assimilação de alguns nutrientes em particular nitrogênio e enxofre envolve uma série complexa de reações bioquímicas que estão entre as reações de maior consumo energético dos organismos vivos Na assimilação do nitrato NO3 o nitrogênio do NO3 é convertido em uma forma mais energética mais reduzida o nitrito NO2 e depois em uma forma ainda mais energética mais reduzida ainda o amônio NH4 e finalmente em nitrogênio amida da glutamina Esse processo consome o equivalente a 12 ATPs para cada nitrogênio amida Plantas como as leguminosas estabelecem relações simbióticas com bac térias fixadoras de nitrogênio para converter o nitrogênio molecular N2 em amônia NH3 A amônia NH3 é o primeiro produto estável no proces so natural de fixação entretanto em pH fisiológico a amônia é protona da para formar o íon amônio NH4 O processo de fixação biológica do nitrogênio junto com a subsequente assimilação de NH3 em um amino ácido consome o equivalente a cerca de 16 ATPs por nitrogênio amida A assimilação de sulfato SO4 2 no aminoácido cisteína por meio de duas rotas encontradas nas plantas consome cerca de 14 ATPs Para se ter uma ideia da enorme quantidade de energia envolvida de vese considerar que se ocorressem rapidamente no sentido oposto por exemplo de NH4NO3 nitrato de amônio para N2 essas reações se torna riam explosivas liberando grandes quantidades de energia como movimen to calor e luz Praticamente todos os explosivos incluindo a nitoglicerina o TNT trinitrotolueno e a pólvora são baseados na rápida oxidação de com postos de nitrogênio ou de enxofre Assimilação de Nutrientes Inorgânicos Taiz13indd 353 Taiz13indd 353 27102016 145847 27102016 145847 354 Unidade II Bioquímica e Metabolismo A assimilação de outros nutrientes especialmente os macronutrientes e os micronutrientes catiônicos ver Capí tulo 5 envolve a formação de complexos com compostos orgânicos Por exemplo o Mg2 associase aos pigmentos clorofilas o Ca2 associase a pectatos na parede celular e o Mo6 associase a enzimas como a nitrato redutase e a nitrogenase Tais complexos são altamente estáveis sendo que a remoção do nutriente do complexo pode resultar na perda total de função Este capítulo resume as reações primárias pelas quais os principais nutrientes nitrogênio enxofre fosfato cá tions como Mg2 e K e oxigênio são assimilados e discute os produtos orgânicos dessas reações São enfatizadas as implicações fisiológicas dos gastos energéticos requeridos e introduzse o tópico sobre a fixação simbiótica do nitro gênio As plantas servem como a principal via por meio da qual os nutrientes passam do ambiente geofísico mais lento para o ambiente biológico mais dinâmico este ca pítulo portanto destaca o papel vital da assimilação dos nutrientes vegetais na dieta humana Nitrogênio no meio ambiente Muitos compostos bioquímicos importantes das células vegetais possuem nitrogênio ver Capítulo 5 Por exem plo o nitrogênio é encontrado nos nucleotídeos e nos aminoácidos que formam a estrutura dos ácidos nuclei cos e das proteínas respectivamente Nas plantas apenas elementos como o oxigênio o carbono e o hidrogênio são mais abundantes que o nitrogênio A maioria dos ecossis temas naturais e agrários apresenta um expressivo ganho na produtividade após serem fertilizados com nitrogênio inorgânico atestando a importância desse elemento e o fato de ele estar presente em quantidades abaixo do ideal Nesta seção são discutidos o ciclo biogeoquímico do ni trogênio o papel crucial da fixação de nitrogênio na conver são de nitrogênio molecular em amônio e em nitrato além do destino do amônio e do nitrato nos tecidos vegetais O nitrogênio passa por diferentes formas no ciclo biogeoquímico O nitrogênio está presente em muitas formas na biosfera A atmosfera contém uma vasta quantidade cerca de 78 por volume de nitrogênio molecular N2 ver Capítulo 9 Na maior parte esse grande reservatório de nitrogênio não está diretamente disponível para os organismos vivos A obtenção de nitrogênio da atmosfera requer a quebra de uma ligação tripla covalente de excepcional estabilidade entre os dois átomos de nitrogênio NN para produzir amônia NH3 ou nitrato NO3 Tais reações conhecidas como fixação do nitrogênio ocorrem por processos in dustriais e naturais TABELA 131 Principais processos do ciclo biogeoquímico do nitrogênio Processo Definição Taxa 1013 g ano1a Fixação industrial Conversão industrial do nitrogênio molecular em amônia 10 Fixação atmosférica Conversão fotoquímica e pelos relâmpagos do nitrogênio molecular em nitrato 19 Fixação biológica Conversão do nitrogênio molecular em amônia pelos procariotos 17 Obtenção pelos vegetais Absorção e assimilação do amônio ou do nitrato pelos vegetais 120 Imobilização Absorção e assimilação do amônio ou do nitrato por microrganismos NC Amonificação Catabolismo por bactérias e fungos da matéria orgânica do solo em amônio NC Anamox Oxidação anaeróbia do amônio conversão bacteriana do amônio e do nitrito em nitrogênio molecular NC Nitrificação Oxidação bacteriana Nitrosomonas sp do amônio em nitrito e posterior oxidação bacteriana Nitrobacter sp do nitrito em nitrato NC Mineralização Ação das bactérias e dos fungos no catabolismo da matéria orgânica do solo em nitrogênio mineral mediante amonificação ou nitrificação NC Volatilização Perda física do gás amônia para a atmosfera 10 Fixação do amônio Ligação física do amônio nas partículas do solo 1 Desnitrificação Conversão bacteriana do nitrato em óxido nitroso e nitrogênio molecular 21 Lixiviação do nitrato Escoamento físico do nitrato dissolvido na água subterrânea deixando as camadas superiores do solo e finalmente chegando aos oceanos 36 Nota Os organismos terrestres o solo e os oceanos possuem cerca de 52 x 1015 g e 95 x 1015 g e 65 x 1015 g respectivamente de nitrogênio orgânico que é ativo no ciclo Admitindose que a quantidade de N2 na atmosfera permanece constante entradas saídas o tempo médio de residência o tempo médio que a molécula de nitrogênio permanece em formas orgânicas é cerca de 370 anos tamanho do poolfixação de entrada 52 x 1015 g 95 x 1015 g8 x 1013 g ano1 19 x 1013 g ano1 17 x 1013 g ano1 Schlesinger 1997 aNC não calculado Taiz13indd 354 Taiz13indd 354 27102016 145847 27102016 145847 Capítulo 13 Assimilação de Nutrientes Inorgânicos 355 Sob temperaturas elevadas cerca de 200C e pressão alta cerca de 200 atmosferas e na presença de um metal ca talisador geralmente ferro o N2 combinase com hidrogê nio para formar amônia As condições extremas são neces sárias para superar a energia de ativação alta da reação Essa reação de fixação de nitrogênio conhecida como processo HaberBosch é o ponto de partida para a fabricação de muitos produtos industriais e agrícolas A produção industrial mun dial de fertilizantes nitrogenados é superior a 110 milhões de toneladas métricas por ano 11 1013 g ano1 Os processos naturais que fixam cerca de 190 mi lhões de toneladas métricas por ano de nitrogênio são os seguintes Tabela 131 Relâmpagos Os relâmpagos são responsáveis por cerca de 8 do nitrogênio fixado pelos processos naturais Eles convertem o vapor de água e o oxigênio em ra dicais hidroxilas livres altamente reativos em átomos de hidrogênio livre e em átomos de oxigênio livre que atacam o nitrogênio molecular N2 formando o áci do nítrico HNO3 Posteriormente esse ácido nítrico precipitase sobre a Terra com a chuva Reações fotoquímicas Quase 2 do nitrogênio fixado são originados de reações fotoquímicas entre o óxido nítrico gasoso NO e o ozônio O3 produzindo o áci do nítrico HNO3 Fixação biológica do nitrogênio Os 90 restantes resul tam da fixação biológica do nitrogênio em que bac térias ou cianobactérias algas azuis fixam o N2 em amônia NH3 Essa amônia dissolvese na água e for ma o amônio NH4 NH3 H2O NH4 OH 131 Do ponto de vista agrícola a fixação biológica do ni trogênio é crucial pois os fertilizantes à base de nitrogê nio produzidos industrialmente apresentam custos eco nômicos e ambientais além de não estarem acessíveis a muitos agricultores pobres Uma vez fixado em amônia ou nitrato o nitrogênio entra no ciclo biogeoquímico passando por várias formas orgânicas ou inorgânicas antes de finalmente retornar à forma de nitrogênio molecular Figura 131 ver também Tabela 131 Os íons amônio NH4 e nitrato NO3 da solução do solo gerados pela fixação ou liberados pela decomposição da matéria orgânica tornamse alvos de intensa competição entre plantas e microrganismos Para serem competitivos os vegetais desenvolveram mecanis mos para capturar rapidamente esses íons da solução do solo ver Capítulo 5 Quando em concentrações elevadas no solo que ocorrem após a fertilização a absorção do amônio e do nitrato pelas raízes pode exceder a capaci dade de uma planta de assimilar esses íons levando à sua acumulação nos tecidos vegetais Amônio ou nitrato não assimilados podem ser perigosos O amônio se acumulado em níveis elevados nos tecidos vivos é tóxico tanto para plantas quanto para animais O amônio dissipa os gradientes de prótons transmembrana Figura 132 necessários para o transporte de elétrons na fotossíntese e na cadeia respiratória ver Capítulos 7 e 12 bem como para o sequestro de metabólitos nos vacúolos Figura 131 O nitrogênio apresenta um ciclo na atmosfera mu dando da forma gasosa à de íons reduzidos solúveis antes de ser incorporado a compostos orgânicos nos organismos vivos São apre sentadas algumas das etapas envolvidas no ciclo do nitrogênio Nitrogênio atmosférico N2 Fixação Industrial Matéria orgânica em deterioração Fixadores simbióticos de N2 Resíduos de animais e plantas Microrga nismos do solo Fixadores de N2 de vida livre Desnitrificadores Água subterrânea Amônio NH4 Nitrato NO3 Fixação atmosférica Amonificação Nitri ficação Imobilização Absorção pelas raízes Desnitrificação Lixiviação Fixação biológica Fixação biológica Nitrito NO2 Micror ganismos do solo Oxidação anaeróbia do amônio Taiz13indd 355 Taiz13indd 355 27102016 145847 27102016 145847 356 Unidade II Bioquímica e Metabolismo ver Capítulo 6 e para o transporte de nutrientes através das membranas biológicas ver Capítulo 6 Devido ao pe rigo que representam os níveis altos de amônio os animais desenvolveram uma forte aversão a seu odor Como exem plo podem ser citados os saisdecheiro compostos por carbonato de amônio um vapor medicinal liberado sob o nariz para animar pessoas desfalecidas As plantas assimi lam o amônio próximo da região de absorção ou produção e rapidamente armazenam todo o excesso nos vacúolos evi tando assim efeitos tóxicos nas membranas e no citosol Em comparação ao amônio as plantas podem arma zenar níveis altos de nitrato e translocálo através dos tecidos sem causar efeitos deletérios Entretanto se ani mais ou seres humanos consumirem material vegetal com níveis altos de nitrato eles podem sofrer de metemoglo binemia uma doença em que o fígado reduz o nitrato a nitrito o qual se combina com a hemoglobina tornandoa incapaz de combinarse com o oxigênio Seres humanos e os outros animais são capazes também de converter nitra to em nitrosaminas as quais são potentes carcinogênicos ou em óxido nítrico uma potente molécula de sinalização envolvida em muitos processos fisiológicos como a dilata ção de vasos sanguíneos Em função disso alguns países impõem limites nos níveis de nitrato nos vegetais que são consumidos pelo homem Nas próximas seções serão discutidos os processos pe los quais as plantas assimilam o nitrato em compostos orgâ nicos via redução enzimática do nitrato primeiro em nitrito posteriormente em amônio e após em aminoácidos Assimilação do nitrato As raízes dos vegetais absorvem ativamente o nitrato da solução do solo através de vários cotransportadores nitra toprótons de baixa e de alta afinidade ver Capítulo 6 Os vegetais por fim assimilam a maior parte do nitrato em compostos orgânicos A primeira etapa do processo é a conversão do nitrato em nitrito no citosol uma reação de redução ver Capítulo 12 propriedades redox que envolve a transferência de dois elétrons A enzima nitrato reduta se catalisa essa reação NO3 NADPH H NO2 NADP H2O 132 onde NADPH indica o NADH ou o NADPH A forma mais comum da enzima nitrato redutase utiliza somen te o NADH como doador de elétrons uma outra forma da enzima encontrada predominantemente em tecidos não clorofilados como raízes pode usar tanto o NADH quanto o NADPH As nitrato redutase das plantas superiores são forma das por duas subunidades idênticas com três grupos pros téticos cada flavina adenina dinucleotídeo FAD heme e um complexo formado pelo molibdênio e uma molécula orgânica denominada pterina N N N HN H2N O Uma pterina completamente oxidada A nitrato redutase é a principal proteína contendo moli bdênio nos tecidos vegetativos um dos sintomas da defi ciência do molibdênio é a acumulação de nitrato resultan te da diminuição da atividade da nitrato redutase A utilização de cristalografia de raio X e a comparação de sequências de aminoácidos da nitrato redutase de di versas espécies com aquelas de outras proteínas já carac terizadas que se ligam ao FAD ao heme ou ao molibdênio resultaram em um modelo multidomínios para a nitra to redutase um modelo simplificado de três domínios é apresentado na Figura 133 O domínio de ligação do FAD aceita dois elétrons do NADH ou do NADPH Os elétrons são então deslocados pelo domínio heme para o comple xo molibdênio onde são transferidos para o nitrato Muitos fatores regulam a nitrato redutase O nitrato a luz e os carboidratos interferem na nitrato re dutase em níveis de transcrição e tradução Em plântulas de cevada o mRNA da nitrato redutase foi detectado cerca de 40 minutos após a adição do nitrato e os níveis máxi mos foram obtidos em 3 horas Figura 134 Ao contrário da rápida acumulação do mRNA houve um incremento gradual e linear na atividade da nitrato redutase represen tando que a síntese dessa proteína necessita da presença do mRNA da nitrato redutase OH OH OH OH OH OH OH OH NH4 OH NH3 H2O H H H H H H H H NH3 H NH4 pH alto pH baixo Membrana Em pH alto o NH4 reage com o OH formando NH3 O NH3 é permeável à membrana e difundese de acordo com seu gradiente de concentração através da membrana O NH3 reage com o H formando NH4 Lume espaço intermem brana ou vacúolo Estroma matriz ou citoplasma Figura 132 Toxicidade do NH4 devido à dissipação dos gra dientes de pH O lado esquerdo representa o estroma a matriz ou o citoplasma onde o pH é alto O lado direito representa o lume o es paço intermembrana ou o vacúolo onde o pH é baixo A membrana representa o tilacoide do cloroplasto a membrana interna mitocon drial ou o tonoplasto do vacúolo de uma célula da raiz O resulta do líquido da reação mostra que as concentrações de OH do lado esquerdo e de H do lado direito diminuíram isto é o gradiente de pH foi dissipado De Bloom 1997 Taiz13indd 356 Taiz13indd 356 27102016 145848 27102016 145848 Capítulo 13 Assimilação de Nutrientes Inorgânicos 357 Além disso a proteína está sujeita à modificação pós tradução envolvendo uma fosforilação reversível análo ga à regulação da sacarose fosfato sintase ver Capítulos 8 e 11 A luz os níveis de carboidratos e outros fatores am bientais estimulam a proteína fosfatase que desfosforila um resíduo de serina chave na região do hinge 1 da nitrato redutase entre o complexo molibdênio e os domínios de ligação heme ver Figura 133 ativando a enzima Agindo na direção inversa o escuro e o Mg2 estimu lam a proteína quinase a qual fosforila os mesmos resíduos de serina que depois interagem com a proteína inibidora 1433 e assim inativam a nitrato redutase A regulação da atividade da nitrato redutase por meio da fosforilação e da des fosforilação proporciona um controle mais rápido que o obtido pela síntese ou degradação da enzima minutos versus horas A nitrito redutase converte o nitrito em amônio O nitrito NO2 é um íon altamente reativo e potencial mente tóxico As células vegetais transportam imediata mente o nitrito gerado pela redução do nitrato ver Equa ção 132 do citosol para o interior dos cloroplastos nas folhas e dos plastídios nas raízes Nessas organelas a en zima nitrito redutase reduz o nitrito a amônio uma reação que envolve a transferência de seis elétrons de acordo com a seguinte reação geral NO2 6 Fdred 8 H NH4 6 Fdox 2 H2O 133 onde o Fd representa a ferredoxina e os símbolos subscri tos red e ox significam formas reduzida e oxidada respecti vamente A ferredoxina reduzida deriva do transporte de elétrons da fotossíntese nos cloroplastos ver Capítulo 7 e do NADPH gerado pela rota oxidativa das pentoses fosfato nos tecidos não clorofilados ver Capítulo 12 Tanto os cloroplastos quanto os plastídios das raízes possuem diferentes formas da enzima mas ambas as for mas possuem dois grupos prostéticos um grupo ferroen xofre Fe4S4 e um grupo heme especializado Tais grupos atuam conjuntamente ligandose ao nitrito e reduzindoo diretamente a amônio Embora nenhum composto nitro genado seja acumulado no estado redox intermediário uma porcentagem pequena 00202 do nitrito reduzi do é liberada como óxido nitroso N2O um gás do efeito estufa O fluxo de elétrons pela ferredoxina Fe4S4 e heme pode ser representado conforme a Figura 135 A nitrito redutase é codificada no núcleo e sintetizada no citoplasma apresentando um peptídeo de trânsito no Nterminal que a direciona para os plastídios Concen trações elevadas de NO3 ou a exposição à luz induzem a transcrição do mRNA da nitrito redutase A acumulação dos produtos finais desse processo asparagina e gluta mina reprime essa indução Raízes e partes aéreas assimilam nitrato Em muitas plantas quando as raízes recebem quantidades pequenas de nitrato este é reduzi do principalmente nesses órgãos À medida que o suprimento de nitrato aumenta uma proporção maior do nitrato absorvido é translocada para as partes aéreas onde será assimila da Mesmo sob condições similares de suprimento do nitrato o equilí brio do metabolismo desse nutrien te entre a raiz e o caule conforme indicado pela proporção da atividade da nitrato redutase em cada um dos dois órgãos ou pelas concentrações relativas do nitrato e do nitrogênio reduzido na seiva do xilema varia de espécie para espécie Em espécies como o cardo Xanthium strumarium o metabo lismo do nitrato é restrito às partes aéreas em outras espécies como o 100 80 60 40 20 5 10 15 20 0 4 8 12 Tempo após a indução h 16 20 24 Níveis relativos do mRNA da nitrato redutase do máximo Atividade da nitrato redutase mmol gmf1 h1 mRNA nas raízes mRNA nas partes aéreas Atividade nas partes aéreas Atividade nas raízes Figura 134 Estimulação da atividade da nitrato redutase após a promoção da síntese do mRNA dessa enzima em partes aéreas e raízes de cevada gmf grama de massa fresca De Kleinhofs et al 1989 NO3 NO3 2 MoCo Heme 2 MoCo Heme Nitrato redutase e e NADH FAD FAD NADH Região hinge 2 Região hinge 1 Nterminus Cterminus Figura 133 Modelo do dímero da nitrato redutase indicando os três domínios de ligação cujas sequências de polipeptídeos são simi lares nos eucariotos complexo de molibdênio MoCo grupo heme e FAD O NADH ligase ao domínio de ligação do FAD de cada subunida de e inicia a transferência de dois elétrons a partir do grupo carboxila terminus C através de cada elemento de transferência de elétrons até o grupo amino terminus N O nitrato é reduzido no complexo molibdênio próximo à região amino terminal As sequências dos poli peptídeos nas regiões hinge são altamente variáveis entre as espécies Taiz13indd 357 Taiz13indd 357 27102016 145848 27102016 145848 358 Unidade II Bioquímica e Metabolismo tremoçobranco Lupinus albus a maior parte do nitrato é metabolizada nas raízes Figura 136 Em geral espécies nativas de regiões de clima temperado dependem mais intensamente da assimilação do nitrato pelas raízes que espécies de regiões tropicais e subtropicais Assimilação do amônio As células vegetais evitam a toxicidade do amônio pela rá pida conversão do amônio gerado a partir da assimilação do nitrato ou da fotorrespiração ver Capítulo 8 em ami noácidos A principal rota para essa conversão envolve as ações sequenciais da glutamina sintetase e da glutamato sintase Nesta seção são discutidos os processos enzimá ticos que medeiam a assimilação do amônio em aminoáci dos essenciais além do papel das amidas na regulação do metabolismo do nitrogênio e do carbono A conversão do amônio em aminoácidos requer duas enzimas A glutamina sintetase GS combina o amônio com o glu tamato para formar a glutamina Figura 137A Glutamato NH4 ATP glutamina ADP Pi 134 Essa reação necessita da hidrólise de uma molécula de ATP e envolve um cátion bivalente como Mg2 Mn2 ou Co2 como um cofator As plantas possuem duas classes de GS uma no citosol e a outra nos plastídios das raízes ou nos cloroplastos das partes aéreas As formas citosólicas são expressas durante a germinação de sementes ou no sistema vascular das raízes e das partes aéreas produzin do glutamina para o transporte do nitrogênio intracelular A GS nos plastídios das raízes forma o nitrogênio amida que é consumido localmente enquanto a GS dos cloro plastos das partes aéreas reassimila o NH4 da fotorres piração Tanto os níveis de carboidratos quanto os de luz alteram a expressão das formas dessa enzima presentes nos plastídios mas apresentam pouco efeito nas formas citosólicas Os níveis elevados de glutamina nos plastídios esti mulam a atividade da glutamato sintase conhecida como glutamina2oxoglutarato aminotransferase ou GOGAT Essa enzima transfere o grupo amida da glutamina para o 2oxoglutarato produzindo duas moléculas de glutamato ver Figura 137A As plantas possuem dois tipos de GO GAT um recebe elétrons do NADH e o outro elétrons da ferredoxina Fd Glutamina 2oxoglutarato NADH H 2 glutamato NAD 135 Glutamina 2oxoglutarato Fdred 2 glutamato Fdox 136 A enzima do tipo NADH NADHGOGAT está lo calizada nos plastídios de tecidos não fotossintetizantes como raízes ou feixes vasculares de folhas em desenvol vimento Nas raízes a NADHGOGAT está envolvida na assimilação do NH4 absorvido da rizosfera porção do solo localizada próximo à superfície das raízes nos fei xes vasculares de folhas em desenvolvimento a NADH GOGAT assimila a glutamina translocada das raízes ou de folhas senescentes Luz Reações luminosas da fotossíntese Ferredoxina reduzida Ferredoxina oxidada Nitrito redutase Heme NO2 Nitrito N2O Óxido nitroso NH4 Amônio H Fe4S4 e e Cardo Stellaria media Trevobranco Perilla fruticosa Aveia Milho Impatiens Girassol Cevada Feijoeiro Fava Ervilha Rabanete Tremoçobranco 10 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Nitrogênio nos exsudados do xilema Nitrato Aminoácidos Amidas Ureídas Figura 136 Quantidades relativas de nitrato e outros com postos nitrogenados de exsudados do xilema de várias espécies vegetais As plantas foram cultivadas com suas raízes expostas a soluções de nitrato e a seiva do xilema foi coletada por rompimen to do caule Observe a presença de ureídas em feijoeiro e ervilha somente leguminosas de origem tropical exportam nitrogênio em tais compostos De Pate 1983 Figura 135 Modelo do aco plamento do fluxo de elétrons da fotossíntese via ferredoxina com a redução do nitrito pela nitrito redutase A enzima nitrito reduta se possui dois grupos prostéticos Fe4S4 e heme que participam na redução do nitrito a amônio Taiz13indd 358 Taiz13indd 358 27102016 145848 27102016 145848 Capítulo 13 Assimilação de Nutrientes Inorgânicos 359 A glutamato sintase do tipo dependente de ferredo xina FdGOGAT é encontrada nos cloroplastos e age no metabolismo fotorrespiratório do nitrogênio Tanto a quantidade da proteína quanto sua atividade aumentam com os níveis de luz As raízes em particular aquelas sob nutrição com nitrato têm FdGOGAT nos plastídios Pro vavelmente a finalidade da FdGOGAT das raízes seja incorporar a glutamina gerada durante a assimilação do nitrato Os elétrons para reduzir Fd nas raízes são gerados pela via oxidativa da pentose fosfato ver Capítulo 12 O amônio pode ser assimilado por uma rota alternativa A glutamato desidrogenase GDH catalisa uma rea ção reversível que sintetiza ou desamina o glutamato Figura 137B 2oxoglutarato NH4 NADPH glutamato H2O NADP 137 Uma forma da GDH dependente de NADH é encontrada nas mitocôndrias e uma forma dependente de NADPH ocorre Glutamina sintetase GS Glutamato sintase GOGAT Glutamato desidrogenase GDH A Glutamato Glutamina 2oxoglutarato Amônio 2 glutamatos 2oxoglutarato Glutamato Amônio 2oxoglutarato Glutamato Oxalacetato Aspartato Glutamina Glutamato Aspartato Asparagina Asparagina sintetase AS Aspartato aminotransferase AspAT HC COOH CH2 NH2 NH4 CH2 O C O HC COOH CH2 NH2 CH2 NH2 C O C COOH CH2 O CH2 O C O HC COOH CH2 NH2 CH2 O C O HC COOH CH2 NH2 CH2 O C O NADH H or Fdred NAD or Fdox ATP ADP Pi C COOH CH2 O NH4 CH2 O C O HC COOH CH2 NH2 CH2 O C O NADPH NADP C COOH CH2 O CH2 O O C O HC COOH CH2 NH2 CH2 O C O C COOH CH2 O C O NH2 HC COOH CH2 O C O HC COOH CH2 NH2 CH2 NH2 C O HC COOH CH2 NH2 CH2 O C O HC COOH CH2 O C O NH2 HC COOH CH2 NH2 C O NH2 ATP AMP PPi H2O B C D Figura 137 Estrutura e rotas de síntese de compostos envolvidos no metabolismo do amônio O amônio pode ser assimilado por um de vários processos A Rota da GSGOGAT que forma a glutamina e o glutamato É necessário um cofator reduzido para a reação a ferredoxina Fd nas folhas verdes e o NADH nos tecidos não fo tossintetizantes B Rota da GDH que forma o glutamato utilizando o NADH ou o NADPH como agente redutor C Transferência do grupo amino do glu tamato para o oxalacetato para formar o aspartato catalisado pela enzima as partato aminotransferase D Síntese da asparagina pela transferência de um grupo aminoácido da glutamina para o aspartato catalisado pela enzima aspa ragina sintetase Taiz13indd 359 Taiz13indd 359 27102016 145849 27102016 145849 360 Unidade II Bioquímica e Metabolismo nos cloroplastos de órgãos fotossintetizantes Embora ambas as formas sejam relativamente abundantes elas não podem substituir a rota da GSGOGAT para a assimilação do amô nio tendo como função principal desaminar o glutamato durante a realocação do nitrogênio ver Figura 137B As reações de transaminação transferem o nitrogênio Uma vez assimilado em glutamina e glutamato o nitro gênio é incorporado a outros aminoácidos por meio de reações de transaminação As enzimas que catalisam tais reações são conhecidas como aminotransferases Um exemplo é a aspartato aminotransferase AspAT que catalisa a seguinte reação Figura 137C Glutamato oxaloacetato 2oxoglutarato aspartato 138 em que o grupo amino do glutamato é transferido para o grupo carboxila do oxalacetato O aspartato é um ami noácido que participa do transporte malatoaspartato do processo de transferência de equivalentes redutores das mitocôndrias e dos cloroplastos para o citosol ver Tópico 125 na internet bem como do transporte do carbono a partir das células do mesofilo até a bainha do feixe vascu lar no processo de fixação C4 do carbono ver Capítulo 8 Todas as reações de transaminação requerem o piridoxal fosfato vitamina B6 como cofator As aminotransferases são encontradas no citoplasma nos cloroplastos nas mitocôndrias nos glioxissomos e nos peroxissomos As aminotransferases localizadas nos clo roplastos podem desempenhar um papel importante na biossíntese dos aminoácidos pois folhas ou cloroplastos isolados expostos ao dióxido de carbono marcado radiati vamente incorporam rapidamente a marca em glutamato aspartato alanina serina e glicina A asparagina e a glutamina unem o metabolismo do carbono e do nitrogênio A asparagina isolada pela primeira vez do aspargo em 1806 foi a primeira amida identificada Esse aminoácido não atua apenas como um componente de proteínas mas como um elementochave no transporte e no armazena mento do nitrogênio devido à sua estabilidade e à alta ra zão nitrogêniocarbono 2 N para 4 C da asparagina contra 2 N para 5 C da glutamina e 1 N para 5 C do glutamato A principal rota para a síntese da asparagina envolve a transferência do nitrogênio amida da glutamina para as partato Figura 137D Glutamina aspartato ATP glutamato asparagina AMP PPi 139 A asparagina sintetase AS enzima que catalisa essa reação é encontrada no citosol de células das folhas e das raízes e nos nódulos que fixam o nitrogênio ver seção Fi xação do nitrogênio por bactérias Em raízes de milho Zea mays sobretudo aquelas sob níveis potencialmente tóxicos de amônia o amônio pode substituir a glutamina como fon te do grupo amida Níveis altos de luz e de carboidratos condições que estimulam a GS e a FdGOGAT dos plastídios inibem a expressão dos genes que codificam a AS e a atividade da enzima A regulação antagônica dessas rotas compe titivas auxilia no equilíbrio do metabolismo do carbono e do nitrogênio nos vegetais As condições de ampla energia ie com níveis altos de luz e de carboidratos estimulam a GS ver Equação 134 e a GOGAT ver Equações 135 e 136 e inibem a AS assim elas favorecem a assimilação do nitrogênio em glutamina e em glutamato compostos que são ricos em carbono e que participam da síntese de novos materiais vegetais Por outro lado condições limitadas de energia ini bem a GS e a GOGAT e estimulam a AS favorecendo portanto a assimilação do nitrogênio em asparagina um composto rico em nitrogênio e suficientemente estável para ser transportado a longas distâncias ou armazenado por muito tempo Biossíntese de aminoácidos Os seres humanos e a maioria dos animais não conse guem sintetizar certos aminoácidos como histidina isoleucina leucina lisina metionina fenilalanina tre onina triptofano valina e arginina no caso de seres humanos jovens os adultos conseguem sintetizar a ar ginina tendo que obter esses aminoácidos denomi nados essenciais a partir da dieta Por outro lado as plantas sintetizam todos os 20 aminoácidos encontra dos nas proteínas O grupo amino contendo o nitrogê nio como discutido nas seções anteriores é derivado de reações de transaminações com glutamina ou glutama to O esqueleto de carbono dos aminoácidos é derivado do 3fosfoglicerato do fosfoenolpiruvato ou do piruvato gerados durante a glicólise ou ainda do 2oxoglutarato ou do oxalacetato formados no ciclo do ácido cítrico Fi gura 138 Partes dessas rotas utilizadas para a síntese dos aminoácidos essenciais são alvos apropriados de her bicidas como o Roundup ver Capítulo 2 pois elas não estão presentes nos animais Assim substâncias que blo queiam essas rotas são letais para as plantas mas em concentrações baixas não causam danos aos animais Fixação biológica do nitrogênio A fixação biológica representa a forma mais importante de fixar o nitrogênio atmosférico N2 em amônio Desse modo ela representa o pontochave do ingresso do nitro gênio molecular no ciclo biogeoquímico desse elemento ver Figura 131 Nesta seção são abordadas as reações simbióticas entre organismos fixadores de nitrogênio e plantas superiores os nódulos estruturas especializadas formadas nas raízes infectadas por bactérias fixadoras de nitrogênio as interações genéticas e sinalizadoras que re gulam a fixação do nitrogênio pelos procariotos simbióti cos e por seus hospedeiros e as propriedades das enzimas nitrogenases responsáveis pela fixação do nitrogênio Taiz13indd 360 Taiz13indd 360 27102016 145849 27102016 145849 Capítulo 13 Assimilação de Nutrientes Inorgânicos 361 Bactérias fixadoras de nitrogênio de vida livre e simbióticas Conforme já mencionado certas bactérias podem converter o nitrogênio atmosférico em amônio Tabela 132 A maior parte desses organismos procariotos fixadores de nitrogênio vive no solo geralmente de forma independente de outros organismos Vários formam associações simbióticas com plantas superiores nas quais o procarioto fornece nitrogênio fixado diretamente para a planta hospedeira em troca de ou tros nutrientes e de carboidratos ver parte superior da Tabe la 132 Essas simbioses ocorrem nos nódulos formados nas raízes dos vegetais contendo bactérias fixadoras O tipo mais comum de simbiose ocorre entre as espé cies da família Fabaceae leguminosas e as bactérias do solo dos gêneros Azorhizobium Bradyrhizobium Mesorhizo bium Rhizobium e Sinorhizobium coletivamente chamadas de rizóbios Tabela 133 e Figura 139 Outro tipo comum de simbiose ocorre entre várias espécies de plantas lenho sas como o amieiro Alnus e bactérias do solo do gênero Frankia essas plantas são conhecidas como actinorrízicas Ocorrem ainda outros tipos de simbioses fixadoras de ni trogênio como na herbácea sulamericana Gunnera e na diminuta pteridófita aquática Azolla as quais formam as sociações com as cianobactérias Nostoc e Anabaena res pectivamente Figura 1310 ver também Tabela 132 Fi Figura 139 Nódulos em raiz de feijoeiro Phaseolus vulgaris Os nódulos estruturas esféricas são o resultado da infecção por Rhizobium sp Glicose 3fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Piruvato Triptofano Tirosina Fenilalanina Alanina Leucina Valina Serina Cisteína Glicina Oxalacetato Aspartato Asparagina Lisina Metionina Treonina Isoleucina Glutamato Prolina Glutamina Arginina Histidina 2oxoglutarato Ciclo do ácido cítrico Figura 138 Rotas biossintéticas dos esqueletos de carbono dos 20 ami noácidospadrão Taiz13indd 361 Taiz13indd 361 27102016 145849 27102016 145849 362 Unidade II Bioquímica e Metabolismo nalmente vários tipos de bactérias fixadoras de nitrogênio estão associados com gramíneas C4 como canadeaçúcar e Miscanthus A fixação do nitrogênio necessita de condições microanaeróbias e anaeróbias Como a fixação do nitrogênio envolve o consumo de grandes quantidades de energia as enzimas nitrogenases que cata lisam essas reações possuem sítios que facilitam as trocas de alta energia dos elétrons O oxigênio sendo um forte aceptor de elétrons pode danificar esses sítios e inativar irreversi velmente a nitrogenase Assim o nitrogênio deve ser fixado sob condições anaeróbias Cada organismo fixador de nitro gênio listado na Tabela 132 funciona sob condições naturais anaeróbias ou pode criar um ambiente anaeróbio interno microanaeróbio isolandoo do oxigênio atmosférico que o circunda Nas cianobactérias as condições de anaerobiose são criadas em células especializadas denominadas hetero cistos ver Figura 1310 Os heterocistos são células com paredes espessadas que se diferenciam quando as ciano bactérias filamentosas são privadas do NH4 Essas células perdem o fotossistema II o fotossistema produtor de oxi gênio ver Capítulo 7 Dessa forma elas não formam oxi gênio Os heterocistos parecem representar uma adaptação para que ocorra a fixação do nitrogênio sendo largamente encontrados entre as cianobactérias aeróbias fixadoras de nitrogênio As cianobactérias conseguem fixar o ni trogênio em condições de anaerobiose como aquelas encontradas em campos alagados Nos países asiáticos ambos os tipos de cia nobactérias fixadoras de nitrogênio com ou sem os heterocistos representam o princi pal modo de manutenção de um suprimento adequado de nitrogênio nos solos de cultivo de arroz Esses microrganismos fixam o ni trogênio quando os campos estão alagados e morrem quando os campos secam liberando o nitrogênio fixado para o solo Outra fonte importante de nitrogênio em campos alaga dos cultivados com arroz é a pteridófita aquá tica Azolla a qual se associa à cianobactéria TABELA 132 Exemplos de organismos que podem realizar a fixação do nitrogênio FIXAÇÃO SIMBIÓTICA DO NITROGÊNIO Planta hospedeira Simbiontes fixadores de N Leguminosas e Parasponia Azorhizobium Bradyrhizobium Mesorhizobium Rhizobium Sinorhizobium Actinorrízicas Alnus árvore Ceanothus arbusto Casuarina árvore Datisca arbusto Frankia Gunnera Nostoc Azolla pteridófita aquática Anabaena Canadeaçúcar Acetobacter Miscanthus Azospirillum FIXADORES DE NITROGÊNIO DE VIDA LIVRE Tipo Gêneros fixadores de N Cianobactérias algas azuis Anabaena Calothrix Nostoc Outras bactérias Aeróbias Azospirillum Azotobacter Beijerinckia Derxia Facultativas Bacillus Klebsiella Anaeróbias Não fotossintetizantes Clostridium Methanococcus arqueobactéria Fotossintetizantes Chromatium Rhodospirillum Células vegetativas Heterocisto Figura 1310 Heterocisto presente em um filamento da cianobactéria Anaba ena fixadora de nitrogênio a qual forma associações com Azolla uma pteridófita aquática Os heterocistos com paredes espessadas intercalados entre as células vegetativas têm um ambiente interno anaeróbio que permite à cianobactéria fixar nitrogênio em condições aeróbias Taiz13indd 362 Taiz13indd 362 27102016 145849 27102016 145849 Capítulo 13 Assimilação de Nutrientes Inorgânicos 363 Anabaena A associação AzollaAnabaena pode fixar 05 kg de nitrogênio atmosférico por hectaredia uma taxa de fertili zação suficiente para manter uma lavoura mediana de arroz As bactérias de vida livre capazes de fixar nitrogênio podem ser aeróbias facultativas ou anaeróbias ver Tabela 132 parte inferior Aeróbias Bactérias aeróbias fixadoras de nitrogênio como Azotobacter mantêm concentração baixa de oxi gênio condições microaeróbias por meio de suas altas taxas de respiração Outras como Gloeothece liberam o O2 fotossintético durante o dia e fixam o nitrogênio du rante a noite quando a respiração diminui os níveis do oxigênio Facultativas Organismos facultativos são capazes de crescer sob condições aeróbias e anaeróbias geralmente fixando o nitrogênio somente sob condições anaeróbias Anaeróbias obrigatórias Bactérias que crescem em am biente sem oxigênio podendo ser fotossintetizantes como Rhodospirillum ou não fotossintetizantes como Clostridium A fixação simbiótica do nitrogênio ocorre em estruturas especializadas Alguns organismos procariotos simbiontes fixadores de ni trogênio ocorrem no interior de nódulos órgãos especiais da planta hospedeira que envolvem as bactérias fixadoras ver Figura 139 No caso do gênero Gunnera esses órgãos ocorrem em glândulas do caule que se desenvolvem inde pendentemente do organismo simbionte No caso das legu minosas e das plantas actinorrízicas as bactérias fixadoras de nitrogênio induzem a formação de nódulos nas raízes As gramíneas também podem desenvolver relações simbióticas com organismos fixadores de nitrogênio mas nessas associações não são produzidos nódulos Nesse caso a bactéria fixadora de nitrogênio ancorase na superfície da raiz principalmente nas proximidades da zona de alonga mento e nos pelos das raízes ou vive como endófita coloni zando os tecidos da planta sem causar doença Por exemplo as bactérias fixadoras de nitrogênio Acetobacter diazotrophicus e Herbaspirillum spp vivem no apoplasto dos tecidos do caule de canadeaçúcar e podem suprir seu hospedeiro com cerca de 30 do nitrogênio necessário reduzindo a necessidade de fertilizantes nitrogenados Tem sido explorado o potencial das bactérias fixadoras de nitrogênio associadas e endofíti cas para suplementar a nutrição nitrogenada em milho ar roz e outros grãos No entanto a diversidade das espécies de bactérias encontradas nas raízes e nos tecidos vegetais bem como a variação das respostas dessas bactérias têm impedi do o progresso dessa abordagem As plantas leguminosas e actinorrízicas regulam a permeabilidade aos gases em seus nódulos mantendo um nível de oxigênio entre 20 e 40 nanomolar nM no interior do nódulo cerca de 10 mil vezes menor que a concentra ção de equilíbrio na água Esses níveis podem sustentar a respiração mas são suficientemente baixos para evitar a inativação da nitrogenase A permeabilidade gasosa au menta na luz e decresce sob condições de seca ou exposi ção ao nitrato O mecanismo que regula a permeabilidade aos gases ainda não é conhecido mas pode envolver o in fluxo e o efluxo de íons potássio na célula infectada Os nódulos contêm proteínas heme que se ligam ao oxigênio denominadas leghemoglobinas As leghemo globinas são as proteínas mais abundantes nos nódulos conferindo a elas uma cor rosada Essas proteínas são cru ciais para a fixação biológica do nitrogênio As leghemo globinas possuem uma alta afinidade pelo oxigênio um Km de aproximadamente 10 nM cerca de 10 vezes maior que a cadeia β da hemoglobina humana Embora se acreditasse que a leghemoglobina agisse como um tampão para o oxigênio do nódulo estudos mais recentes indicam que ela armazena uma quantidade sufi ciente de oxigênio para a manutenção da respiração nodu lar por alguns segundos Sua função é aumentar a taxa de transporte do oxigênio para a respiração das células bacte rianas simbióticas levando à redução substancial dos níveis TABELA 133 Associações entre plantas hospedeiras e rizóbios Planta hospedeira Rizóbios simbiontes Parasponia não leguminosa antigamente chamada de Trema Bradyrhyzobium spp Soja Glycine max Bradyrhyzobium japonicum tipo com crescimento lento Sinorhizobium fredii tipo com crescimento rápido Alfafa Medicago sativa Sinorhizobium meliloti Sesbania aquática Azorhizobium forma nódulos nas raízes e no caule no caule desenvolvemse raízes adventícias Feijoeiro Phaseolus Rhizobium leguminosarum bv phaseoli R tropicii R etli Trevo Trifolium Rhizobium leguminosarum bv trifolii Ervilha Pisum sativum Rhizobium leguminosarum bv viciae Aeschynomene aquática Clado Bradyrhizobium fotossintetizante rizóbios fotossinteticamente ativos que formam nódulos no caule provavelmente associados a raízes adventícias Taiz13indd 363 Taiz13indd 363 27102016 145849 27102016 145849 364 Unidade II Bioquímica e Metabolismo de oxigênio na célula infectada Para manter a respiração aeróbia sob essas condições o bacterioide utiliza uma ca deia especializada de transporte de elétrons ver Capítulo 12 na qual a oxidase terminal possui uma afinidade ainda mais alta pelo oxigênio do que aquela das leghemoglobi nas um Km de aproximadamente 7 nM O estabelecimento da simbiose requer uma troca de sinais A simbiose entre as leguminosas e os rizóbios não é obri gatória As plântulas de leguminosas desenvolvemse sem qualquer associação com rizóbios e podem permanecer nessa condição durante todo o seu ciclo de vida Os rizó bios também ocorrem como organismos de vida livre no solo Entretanto sob condições limitantes de nitrogênio os simbiontes procuram uns aos outros por meio de uma elaborada troca de sinais A sinalização o processo de in fecção e o desenvolvimento de nódulos fixadores de nitro gênio envolvem genes específicos tanto da planta hospe deira quanto dos simbiontes Os genes vegetais específicos de nódulos são deno minados genes nodulinos enquanto os genes dos rizóbios participantes da formação dos nódulos são chamados de genes de nodulação nod Os genes nod são classificados como nod gerais ou nod hospedeiroespecíficos Os genes nod gerais nodA nodB e nodC são encontrados em to das as cepas de rizóbios enquanto os genes nod hospedei roespecíficos como nodP nodQ e nodH ou nodF nodE e nodL diferem entre as espécies de rizóbios e determinam a faixa de hospedeiros as plantas que podem ser infectadas Somente um dos genes nod o gene regulador nodD é cons titutivamente expresso e como será explicado em detalhe seu produto proteico NodD regula a transcrição de outros genes nod O primeiro estágio no estabelecimento da relação sim biótica entre a bactéria fixadora de nitrogênio e seu hospe deiro é a migração da bactéria em direção às raízes da plan ta hospedeira Essa migração é uma resposta quimiotática mediada por atrativos químicos em especial isoflavonoi des e betaínas secretados pelas raízes Tais atrativos ativam a proteína do rizóbio NodD a qual induz a transcrição de outros genes nod A região promotora de todos os óperons nod exceto a do nodD possui sequências altamente conser vadas chamadas de nod box A ligação da NodD ativada ao nod box induz a transcrição de outros genes nod Os fatores Nod produzidos por bactérias atuam como sinalizadores para a simbiose Os genes nod ativados pela NodD codificam as proteínas de nodulação cuja maioria está envolvida na biossíntese dos fatores Nod Os fatores Nod são moléculas sinaliza doras oligossacarídeos de lipoquitina que apresentam um esqueleto NacetilDglicosamina com ligações β14 variando em comprimento de 3 a 6 unidades de açúcar e uma cadeia de ácido graxo na posição C2 do açúcar não redutor Figura 1311 Três dos genes nod nodA nodB e nodC codificam as enzimas NodA NodB e NodC respectivamente neces sárias à síntese dessa estrutura básica 1 A NodA é uma Naciltransferase que catalisa a adição da cadeia acil lipídica 2 A NodB é uma quitina oligossacarídeo desacetilase que remove o grupo acetil de um açúcar terminal não redutor 3 A NodC é uma quitina oligossacarídeo sintase que liga os monômeros de NacetilDglicosamina Os genes nod hospedeiroespecíficos que variam entre as espécies de rizóbios estão envolvidos na modificação da cadeia acil lipídica ou na adição de grupos importantes na determinação da especificidade do hospedeiro NodE e NodF determinam o comprimento e o grau de saturação da cadeia acil lipídica aquelas de Rhi zobium leguminosarum bv viciae e R meliloti resultam na síntese de grupos acil lipídicos de 184 e 162 res pectivamente Ver Capítulo 12 o número antes dos dois pontos indica o número total de carbonos da cadeia acil lipídica e o número após os dois pontos indica o número de ligações duplas Outras enzimas como NodL influenciam a especifici dade do hospedeiro aos fatores Nod por meio da adição de substituições específicas nas porções dos açúcares redutores ou não redutores do esqueleto de quitina Uma leguminosa hospedeira em particular responde a um fator Nod específico Os receptores de leguminosas para os fatores Nod são proteínas quinase com domínio extracelular LysM de ligação ao açúcar o motivo lisina é um módulo proteico amplamente distribuído original mente identificado em enzimas que degradam paredes celulares bacterianas presente também em muitas outras proteínas nos pelos da raiz Os fatores Nod ativam esses domínios induzindo oscilações nas concentrações de íons cálcio livres na região nuclear das células da epiderme da raiz O reconhecimento da oscilação dos íons cálcio neces sita de uma proteína quinase dependente de calmodulina Ácido graxo Hidrogênio ou glicerol Hidrogênio sulfato fucose ou 2Ometilfucose CH2OH CH3 HO HO NH O CH2OH O HO N O C O CH3 CH2 O O O HO N O C O n Figura 1311 Os fatores Nod são oligossacarídeos de lipoqui tina A cadeia de ácido graxo apresenta normalmente de 16 a 18 carbonos O número de seções intermediárias repetidas n em geral é dois ou três De Stokkermans et al 1995 Taiz13indd 364 Taiz13indd 364 27102016 145849 27102016 145849 Capítulo 13 Assimilação de Nutrientes Inorgânicos 365 íons cálcio CaMK calmodulindependent protein kinase que está associada a uma proteína com função desconhe cida denominada CYCLOPS Após a célula da epiderme ter reconhecido a oscilação continuada dos íons cálcio o regulador de transcrição responsivo ao fator Nod associa se diretamente a promotores de genes induzidos por fator Nod O processo global conectando a percepção do fator Nod no nível da membrana plasmática a alterações da ex pressão gênica no núcleo é denominado rota simbiótica devido ao compartilhamento de elementos com o processo pelo qual os fungos micorrízicos arbusculares interagem com seus hospedeiros ver Capítulos 5 e 23 A formação do nódulo envolve fitormônios Os dois processos infecção e organogênese do nódulo ocorrem simultaneamente durante a formação do nódulo da raiz Os rizóbios em geral infectam os pelos das raízes libe rando inicialmente fatores Nod que induzem um pronun ciado enrolamento das células desses pelos Figura 1312A e B Os rizóbios tornamse envolvidos por um pequeno com Figura 1312 Processo de infecção durante a organogênese do nódulo A Os rizóbios ligamse a um pelo emergente da raiz em resposta a atrativos químicos liberados pela planta B Em resposta aos fatores produzidos pelas bactérias o pelo da raiz exibe um en rolamento anormal e as células dos rizóbios crescem dentro dos en rolamentos C A degradação localizada da parede celular do pelo da raiz leva à infecção e à formação do canal de infecção a partir das vesículas secretoras do Golgi das células da raiz D O canal de infecção atinge a extremidade da célula e sua membrana fusiona se com a membrana plasmática da célula do tricoma da raiz E Os rizóbios são liberados no apoplasto e penetram no complexo da lamela média para a membrana plasmática da célula subepidérmica iniciando um novo canal de infecção que forma um canal aberto com o primeiro F O canal de infecção estendese e ramificase até atingir as célulasalvo onde as vesículas compostas de mem branas vegetais que envolvem as células bacterianas são liberadas no citosol A C E B D F Rizóbios Pelo da raiz Canal de infecção Complexo de Golgi Vesícula de Golgi Crescimento por enrolamento A membrana do canal de infecção fusionase com a membrana celular Vesícula contendo rizóbios Taiz13indd 365 Taiz13indd 365 27102016 145849 27102016 145849 366 Unidade II Bioquímica e Metabolismo partimento formado pelo enrolamento A parede celular do pelo também é degradada nessas regiões em resposta aos fa tores Nod permitindo às células bacterianas o acesso direto à superfície externa da membrana plasmática A próxima etapa é a formação de um canal de in fecção Figura 1312C uma extensão interna tubular da membrana plasmática que é produzida pela fusão de ve sículas derivadas do Golgi no local da infecção O canal cresce em seu ápice pela fusão de vesículas secretoras na extremidade do tubo Na região mais profunda do córtex próximo ao xilema as células corticais desdiferenciamse e iniciam a divisão formando uma área distinta no córtex denominada primórdio nodular a partir da qual o nódulo irá se desenvolver Os primórdios nodulares são formados em posição oposta aos polos do protoxilema do sistema vascular da raiz ver Tópico 131 na internet Compostos de sinalização diferentes atuando posi tiva ou negativamente controlam o desenvolvimento dos primórdios modulares Os fatores Nod ativam a sinaliza ção localizada da citocinina no córtex e periciclo da raiz levando à supressão localizada do transporte polar da au xina o qual estimula a divisão celular e induz a morfogê nese do nódulo O etileno é sintetizado na região do peri ciclo difundese para o córtex e bloqueia a divisão celular em posição oposta aos polos de floema da raiz O canal de infecção preenchido pelos rizóbios em pro liferação alongase através do pelo da raiz e das camadas de células corticais em direção ao primórdio nodular Quando o canal de infecção atinge as células especializadas do pri mórdio nodular sua extremidade fusionase com a mem brana plasmática de uma célula hospedeira e penetra no citoplasma Figura 1312D Subsequentemente as células bacterianas são liberadas no citoplasma circundadas pela membrana plasmática da célula hospedeira resultando na formação de uma organela denominada simbiossomo A ra mificação do canal de infecção no interior do nódulo permi te que a bactéria infecte muitas células Figura 1312E e F Inicialmente as bactérias no interior do simbiossomo continuam a se dividir e a membrana que as envolve tam bém denominada membrana bacterioide aumenta em área de superfície para acomodar esse crescimento fusionan dose com pequenas vesículas Logo após a partir de um sinal indetermina do da planta as bactérias param de se dividir e começam a se diferenciar em bacterioides fixadores de nitrogênio O nódulo como um todo desenvolve características semelhantes a um sistema vascular que facilita a tro ca de nitrogênio fixado produzido pelos bacterioides por nutrientes disponibilizados pela planta e uma camada de células para excluir o O2 do interior do nódulo da raiz Em algumas leguminosas de clima temperado p ex er vilhas os nódulos são alongados e cilíndricos devido à presença de um meristema nodular Os nódulos de legumi nosas tropicais como soja e amendoim não apresentam um meristema persistente além de serem esféricos O complexo da enzima nitrogenase fixa o N2 A fixação biológica do nitrogênio semelhante à fixação industrial do nitrogênio produz amônia a partir do nitro gênio molecular A reação geral é N2 8 e 8 H 16 ATP 2 NH3 H2 16 ADP 16 Pi 1310 Observe que a redução do N2 a 2 NH3 uma transferência de seis elétrons está acoplada à redução de dois prótons para formar H2 O complexo da enzima nitrogenase ca talisa essa reação O complexo da enzima nitrogenase pode ser separado em dois componentes a Feproteína e a MoFeproteína nenhum dos quais com atividade catalítica própria Figura 1313 A Feproteína é o menor dos dois componentes e tem duas subunidades idênticas que variam em massa de 30 a 72 kDa cada dependendo da espécie de bactéria Cada subunidade possui um grupo ferroenxofre 4 Fe e 4 S2 que participa nas reações redox envolvidas na conversão do N2 em NH3 A Feproteína é irreversivel mente inativada por O2 com uma meiavida típica de 30 a 45 segundos A MoFeproteína tem quatro subunidades com massa molecular total de 180 a 235 kDa dependendo da espé cie bacteriana Cada subunidade apresenta dois grupos MoFeS A MoFeproteína é também inativada pelo O2 com uma meiavida de 10 minutos no ar Figura 1313 Reação catalisada pela ni trogenase A ferredoxina reduz a Feproteína Acreditase que a ligação e a hidrólise do ATP à Feproteína provoquem uma mudança na conformação dessa proteína o que facilita as reações redox A Feproteína reduz a MoFe proteína e essa última reduz o N2 De Dixon e Wheeler 1986 Buchanan et al 2000 Ferredoxinaox Ferredoxinared Fered MoFered Feox MoFeox MoFeox Produtos 2 NH3 H2 Substrato N2 8 H Complexo da enzima nitrogenase Feproteína MoFeproteína 16 ATP 16 ADP Pi 16 Fered Taiz13indd 366 Taiz13indd 366 27102016 145849 27102016 145849 Capítulo 13 Assimilação de Nutrientes Inorgânicos 367 Na reação geral de redução do nitrogênio ver Figura 1313 a ferredoxina atua como um doador de elétrons para a Feproteína que por sua vez hidrolisa ATP e reduz a MoFeproteína A MoFeproteína pode então reduzir inúmeros substratos Tabela 134 embora sob condições naturais ela reaja somente com N2 e H Uma das reações catalisadas pela nitrogenase a redução do acetileno a eti leno é usada para estimar a atividade da nitrogenase ver Tópico 132 na internet O balanço energético da fixação do nitrogênio é com plexo A produção de NH3 a partir de N2 e H2 é uma reação exergônica para uma discussão das reações exergônicas ver Apêndice 1 na internet com um ΔG0 mudança na energia livre de 27 kJ mol1 Entretanto a produção industrial de NH3 a partir de N2 e H2 é endergônica de mandando um grande aporte de energia devido à ener gia de ativação necessária para quebrar a ligação tripla do N2 Pela mesma razão a redução enzimática do N2 pela nitrogenase também requer um grande investimento de energia ver Equação 1310 embora as mudanças exatas na energia livre ainda sejam desconhecidas Cálculos baseados no metabolismo de carboidrato de leguminosas indicam que a planta respira 93 moles de CO2 por mol de N2 fixado Com base na Equação 1310 o ΔG0 para a reação geral da fixação biológica do nitrogênio é de cerca de 200 kJ mol1 Visto que a reação total é altamen te exergônica a produção de amônio é limitada pelo lento funcionamento o número de moléculas de N2 reduzido por unidade de tempo é de cerca de 5 s1 do complexo nitroge nase Para compensar essa velocidade lenta de reciclagem o bacterioide sintetiza grandes quantidades de nitrogenase representando até 20 do total das proteínas na célula Sob condições naturais quantidades substanciais de H são reduzidas ao gás H2 Esse processo pode competir com a redução do N2 pelos elétrons da nitrogenase Nos rizóbios 30 a 60 da energia fornecida para a nitrogenase podem ser perdidos como H2 diminuindo a eficiência da fixação do nitrogênio Alguns rizóbios entretanto contêm hidrogenase uma enzima que pode clivar o H2 formado e gerar elétrons para a redução do N2 aumentando assim a eficiência da fixação de nitrogênio Amidas e ureídas são formas de transporte do nitrogênio Os procariotos simbióticos fixadores de nitrogênio liberam amônia que para evitar a toxicidade deve ser rapidamen te convertida em formas orgânicas nos nódulos da raiz antes de ser transportada via xilema para a parte aérea As leguminosas fixadoras de nitrogênio podem ser classi ficadas como exportadoras de amidas ou exportadoras de ureídas dependendo da composição da seiva do xilema As amidas principalmente os aminoácidos asparagina ou glutamina são exportadas por leguminosas de regiões temperadas como ervilha Pisum trevo Trifolium fava Vicia e lentilha Lens As ureídas são exportadas por leguminosas de ori gem tropical como a soja Glycine o feijoeiro Phaseo lus o amendoim Arachis e a ervilhadosul Vigna As três ureídas principais são alantoína ácido alantoico e citrulina Figura 1314 A alantoína é sintetizada nos peroxissomos a partir do ácido úrico enquanto o ácido alantoico é sintetizado no retículo endoplasmático a par tir da alantoína O local de síntese da citrulina a partir do aminoácido ornitina ainda não foi determinado Os três compostos são por fim liberados no xilema e transporta dos para a parte aérea onde são rapidamente cataboliza dos a amônio Esse amônio entra na rota de assimilação já descrita Assimilação do enxofre O enxofre está entre os elementos mais versáteis dos or ganismos vivos As pontes dissulfeto nas proteínas pos suem funções estruturais e reguladoras ver Capítulo 8 O enxofre participa do transporte de elétrons pelos grupos ferroenxofre ver Capítulos 7 e 12 Os sítios catalíticos de várias enzimas e coenzimas como urease e coenzima A contêm enxofre Os metabólitos secundários compostos que não estão envolvidos nas rotas primárias de cresci mento e de desenvolvimento que contêm enxofre variam TABELA 134 Reações catalisadas pela nitrogenase N2 NH3 Fixação do nitrogênio molecular N2O N2 H2O Redução do óxido nitroso N3 N2 NH3 Redução da azida C2H2 C2H4 Redução do acetileno 2 H H2 Produção do H2 ATP ADP Pi Atividade hidrolítica do ATP Figura 1314 Principais ureídas utilizadas para transportar nitro gênio a partir dos locais de fixação para os locais onde será desamina do fornecendo nitrogênio para a síntese de aminoácidos e nucleo sídeos Ácido alantoico Alantoína Citrulina H2N C O C H H N H H2N C N C OH O O C HN NH C N C NH2 C H H O O H2N CH2CH2CH2C H C COOH N H O NH2 O Taiz13indd 367 Taiz13indd 367 27102016 145849 27102016 145849 368 Unidade II Bioquímica e Metabolismo desde os fatores Nod dos rizóbios discutidos na seção an terior ao antisséptico aliina encontrado no alho e ao anti carcinogênico sulforafano presente no brócolis A versatilidade do enxofre deriva em parte da pro priedade que apresenta em comum com o nitrogênio múl tiplos estados estáveis de oxidação Nesta seção são discuti das as etapas enzimáticas que participam da assimilação do enxofre e as reações bioquímicas que catalisam a re dução do sulfato em dois aminoácidos contendo enxofre cisteína e metionina O sulfato é a forma do enxofre transportado nos vegetais A maior parte do enxofre nas células de plantas superiores deriva do sulfato SO4 2 transportado via um transporta dor de HSO4 2 do tipo simporte ver Capítulo 6 a partir da solução do solo O sulfato no solo é predominantemen te oriundo do intemperismo da rocha matriz No entan to a industrialização acrescenta uma fonte adicional de sulfato a poluição atmosférica A queima de combustíveis fósseis libera várias formas de enxofre gasoso incluindo dióxido de enxofre SO2 e sulfeto de hidrogênio H2S os quais são levados para o solo pela chuva Na fase gasosa o dióxido de enxofre reage com o radi cal hidroxila e o oxigênio formando o trióxido de enxofre SO3 O SO3 dissolvese na água e tornase ácido sulfúri co H2SO4 um ácido forte que é a principal fonte de chu va ácida As plantas conseguem metabolizar o dióxido de enxofre que é absorvido na forma gasosa pelos estôma tos Entretanto exposições prolongadas mais de 8 horas às altas concentrações atmosféricas do SO2 superiores a 03 ppm causam extensos danos aos tecidos devido à for mação do ácido sulfúrico A assimilação do sulfato requer a redução do sulfato a cisteína As primeiras etapas na síntese de compostos orgânicos contendo enxofre envolvem a redução do sulfato e a síntese do aminoácido cisteína Figura 1315 O sulfato é muito es tável e portanto necessita ser ativado antes que quaisquer reações subsequentes possam ocorrer A ativação inicia com Figura 1315 Estrutura e rotas metabólicas dos compostos en volvidos na assimilação do enxofre A enzima ATPsulforilase cliva o pirofosfato do ATP e o substitui pelo sulfato O sulfeto é produzido a partir do APS por reações que envolvem a redução pela glutationa e ferredoxina O sulfeto reage com a Oacetilserina formando cisteína Fd ferredoxina GSH glutationa reduzida GSSG glutationa oxidada S2 S2 Adenina ROH 3Fosfoadenilato Sulfotransferase 3fosfoadenosina5fosfossulfato PAPS Metabólito Osulfatado GSH 5AMP APSsulfo transferase ATP sulforilase APSquinase APS redutase Adenosina5fosfossulfato APS Ssulfoglutationa Sulfito Sulfeto Sulfato AcetilCoA CoA Serina acetiltransferase Oacetilserina Serina Cisteína Pirofosfatase inorgânico GSH GSSG Sulfito redutase Acetato Adenina H OH O O CH2 P H H H O O O O P O O S O O O O R O S O O O H OH OH CH2 H H H O O P O O S O O O O SO4 2 H2O PPi 2 Pi H CH2 CH2 S C O S O C NH C O NH COO CH2 CH2 C H H3N COO O O O S O O O C O CH2 CH COOH CH3 NH2 HO CH2 CH COOH NH2 CH2 CH COOH SH NH2 Oacetilserina tiolliase 6Fdred 6Fdox ATP ATP ADP Taiz13indd 368 Taiz13indd 368 27102016 145850 27102016 145850 Capítulo 13 Assimilação de Nutrientes Inorgânicos 369 a reação entre o sulfato e o ATP para formar adenosina5 fosfossulfato APS e pirofosfato PPi ver Figura 1315 SO4 2 ATP APS PPi 1311 A enzima que catalisa essa reação a ATPsulfurila se apresenta duas formas A principal é encontrada nos plastídios e a outra no citoplasma A reação de ativação é energeticamente desfavorável Para levar essa reação adiante os produtos APS e PPi devem ser convertidos de imediato em outros compostos O PPi é hidrolisado a fos fato inorgânico Pi pela pirofosfatase inorgânica de acor do com a seguinte reação PPi H2O 2 Pi 1312 O outro produto APS é rapidamente reduzido ou fosfori lado sendo a redução a rota predominante A redução de APS é um processo de múltiplas eta pas que ocorre exclusivamente nos plastídios De início a APSredutase aparentemente transfere dois elétrons da glutationa reduzida GSH para produzir sulfito SO3 2 APS 2 GSH SO3 2 2 H GSSG AMP 1313 onde GSSG representa a glutationa oxidada O SH da GSH e o SS da GSSG representam as pontes SH e SS respectivamente A seguir a sulfito redutase transfere seis elétrons da ferredoxina Fdred produzindo sulfeto S2 SO3 2 6 Fdred S2 6 Fdox 1314 O sulfeto resultante então reage com Oacetilserina OAS formando cisteína e acetato A Oacetilserina que reage com o S2 é formada principalmente nas mitocôn drias a partir de uma reação catalisada pela serina acetil transferase Serina acetilCoA OAS CoA 1315 O citoplasma produz a maior parte da cisteína da célula por uma reação catalisada pela OAStiolliase OAS S2 cisteína acetato 1316 A fosforilação de APS localizada no plastídio e no citosol é a rota alternativa Inicialmente a APSquinase catalisa a reação de APS com ATP formando 3fosfoade nosina5fosfossulfato PAPS APS ATP PAPS ADP 1317 As sulfotransferases no citoplasma então podem trans ferir o grupo sulfato de PAPS para vários compostos in cluindo colina brassinosteroides flavonol ácido gálico glicosídeo glicosinolatos peptídeos e polissacarídeos A assimilação do sulfato ocorre principalmente nas folhas A redução do sulfato à cisteína altera o número de oxidação do enxofre de 6 para 2 necessitando assim da trans ferência de oito elétrons A glutationa a ferredoxina o NADPH ou a Oacetilserina podem atuar como doadores de elétrons em várias etapas da rota metabólica ver Figura 1315 Em Arabidopsis todas as enzimas da assimilação do sulfato com exceção da sulfito redutase e das enzimas que catalisam a síntese da glutationa reduzida são codificadas por pequenas famílias multigênicas Contudo ainda não está claro se isso é uma redundância funcional ou se todos os genes possuem uma função ou localização específica Na assimilação do enxofre as folhas em geral são muito mais ativas que as raízes provavelmente porque a fotossíntese fornece a ferredoxina reduzida e a fotorres piração gera a serina que pode estimular a produção da Oacetilserina ver Capítulo 8 O enxofre assimilado nas folhas é exportado via floema para os locais de síntese proteica frutos e ápices de caules e raízes sobretudo na forma de glutationa H O O O H H3N C N C C N C CH2 CH2 SH CH2 C C C H H H H O O O Glicina Cisteína Glutamato Glutationa reduzida A glutationa também atua como um sinal que coordena o transporte do sulfato nas raízes e a assimilação desse nutriente na parte aérea A metionina é sintetizada a partir da cisteína A metionina outro aminoácido contendo enxofre encon trado nas proteínas é sintetizada nos plastídios a partir da cisteína para mais detalhes ver Tópico 133 na internet Após as sínteses da cisteína e da metionina o enxofre pode ser incorporado às proteínas e a diversos outros compos tos como a acetilCoA e a Sadenosilmetionina Esse úl timo composto é importante para a síntese do etileno ver Capítulo 15 e em reações envolvendo a transferência de grupos metil como na síntese da lignina ver Capítulo 23 Assimilação do fosfato O fosfato HPO4 2 na solução do solo é rapidamente ab sorvido pelas raízes das plantas mediante um transpor tador de HHPO4 2 do tipo simporte ver Capítulo 6 e incorporado a uma diversidade de compostos orgânicos incluindo açúcares fosfato fosfolipídeos e nucleotídeos Taiz13indd 369 Taiz13indd 369 27102016 145850 27102016 145850 370 Unidade II Bioquímica e Metabolismo O principal ponto de entrada do fosfato nas rotas de assi milação ocorre durante a formação do ATP a molécula de energia da célula Na reação geral desse processo o fosfato inorgânico é adicionado ao segundo grupo fosfato do di fosfato de adenosina para formar a ligação éster fosfato Nas mitocôndrias a energia para a síntese do ATP é proveniente da oxidação do NADH ou do succinato pela fosforilação oxidativa ver Capítulo 12 A síntese do ATP também é acionada pela fosforilação dependente da luz ocorrente nos cloroplastos ver Capítulo 7 Além dessas reações que ocorrem nas mitocôndrias e nos cloroplastos aquelas que acontecem no citosol como a glicólise tam bém assimilam fosfato A glicólise incorpora o fosfato inorgânico no ácido 13difosfoglicérico formando um grupo acil fosfato de alta energia Esse fosfato pode ser doado para o ADP para formar o ATP em uma reação de fosforilação em nível de substrato ver Capítulo 12 Uma vez incorporado ao ATP o grupo fosfato pode ser transferido mediante muitas rea ções diferentes formando vários compostos fosforilados encontrados nas células das plantas superiores Assimilação de cátions Os cátions absorvidos pelas células vegetais formam com plexos com compostos orgânicos Nesses compostos o cá tion se torna ligado ao complexo por ligações não covalentes para discussão das ligações não covalentes ver Apêndice 1 na internet As plantas assimilam macronutrientes cati ônicos como potássio magnésio e cálcio além de micronu trientes catiônicos cobre ferro manganês cobalto sódio e zinco Nesta seção são discutidas as ligações eletrostáticas e de valência coordenada as quais medeiam a assimilação de vários cátions que as plantas utilizam como nutrientes e as exigências especiais para a absorção do ferro pelas raízes e sua subsequente assimilação nas plantas Os cátions formam ligações não covalentes com compostos de carbono As ligações não covalentes formadas entre os cátions e os compostos de carbono são de dois tipos ligações de va lência coordenada e ligações eletrostáticas Na formação de um complexo de valência coordenada vários átomos de oxigênio ou nitrogênio de um composto de carbono doam elétrons não compartilhados para formar uma ligação com o nutriente catiônico Como consequência a carga positiva do cátion é neutralizada As ligações de valência coordenada em geral formamse entre cátions polivalentes e compostos de carbono por exemplo complexos entre o cobre e o ácido tartárico Figu ra 1316A ou entre íons magnésio e a clorofila a Figura 1316B Os nutrientes que são assimilados como comple xo de valência coordenada incluem o cobre o zinco o ferro e o magnésio Os íons cálcio também podem formar com Clorofila a Ácido poligalacturônico Ácido tartárico Complexo cobreácido tartárico A C B Cadeia do ácido poligalacturônico Os íons cálcio são mantidos nos espaços entre duas cadeias do ácido poligalacturônico Considerase que a maior parte do cálcio da parede celular esteja ligada desta forma Cu2 Mg N N N N H2C CH3 CH3 CH3 CH2 CH3 OCH3 H39C20OOC O C O C2H5 CH CH2 COOH HC HC OH Cu2 OH COOH COOH HC HC OH OH COOH O O O O O O O O H H H H H H H CO2 H H H H HO HO Ca O Figura 1316 Exemplos de complexos de valência coordenada Os complexos de valência coordenada são formados quando os áto mos de oxigênio ou nitrogênio de um composto de carbono doam pares de elétrons não compartilhados representados por pontos para formar uma ligação com o cátion A Íons cobre compartilham elétrons com os oxigênios das hidroxilas do ácido tartárico B Íons magnésio compartilham elétrons com os átomos de nitrogênio da clorofila a As linhas tracejadas representam as ligações de valên cia coordenada entre elétrons não compartilhados dos átomos de nitrogênio e do cátion magnésio C Modelo de caixa de ovos da interação do ácido poligalacturônico o principal constituinte das pectinas nas paredes celulares e dos íons cálcio À direita está re presentada de forma aumentada a formação de um complexo de valência coordenada entre um único íon cálcio e os oxigênios das hidroxilas dos resíduos do ácido galacturônico De Rees 1977 Taiz13indd 370 Taiz13indd 370 27102016 145850 27102016 145850 Capítulo 13 Assimilação de Nutrientes Inorgânicos 371 plexos de valência coordenada com o ácido poligalacturô nico das paredes celulares Figura 1316C As ligações eletrostáticas são formadas devido à atra ção de um cátion carregado positivamente por um grupo carregado negativamente como o carboxilato COO em um composto de carbono Ao contrário da situação das ligações coordenadas o cátion em uma ligação eletrostá tica mantém sua carga positiva Os cátions monovalentes como o íon potássio podem formar ligações eletrostáticas com os grupos carboxílicos de muitos ácidos orgânicos Fi gura 1317A Entretanto grande parte dos íons potássio acumulados pelas células vegetais e que atuam na regu lação osmótica e na ativação enzimática permanece no citosol e nos vacúolos como íons livre Os íons divalentes como o cálcio formam ligações eletrostáticas com os pec tatos Figura 1317B e os grupos carboxílicos dos ácidos poligalacturônicos ver Capítulo 14 Em geral íons catiônicos como o magnésio e o cálcio são assimilados pela formação de complexos de valência coordenada e de ligações eletrostáticas com aminoácidos fosfolipídeos e outras moléculas carregadas negativamente As raízes modificam a rizosfera para absorver o ferro O ferro é importante nas proteínas ferroenxofre ver Capí tulo 7 e como catalisador em reações redox mediadas por enzimas ver Capítulo 5 como aquelas do metabolismo do nitrogênio inicialmente discutidas As plantas obtêm o fer ro do solo onde ele está presente primordialmente como ferro férrico Fe3 em óxidos como FeOH2 FeOH3 e FeOH4 Em pH neutro o ferro férrico é altamente inso lúvel Para que quantidades suficientes do ferro sejam ab sorvidas da solução do solo as raízes desenvolveram vários mecanismos que aumentam sua solubilidade e assim sua disponibilidade Figura 1318 Esses mecanismos incluem Acidificação do solo fazendo aumentar a solubilidade do ferro férrico seguida pela redução do ferro férrico para a forma ferrosa Fe2 mais solúvel Liberação de compostos que formam complexos so lúveis e estáveis com o ferro Lembrese do Capítulo 5 no qual esses compostos são chamados de quelan tes do ferro ver Figura 53 Em geral as raízes acidificam o solo ao seu redor Elas exsudam prótons durante a absorção e a assimilação dos cátions em especial amônio e liberam compostos orgâ nicos como os ácidos málico e cítrico que aumentam a disponibilidade do ferro e do fosfato ver Figura 55 A deficiência de ferro estimula a extrusão de prótons pe Figura 1317 Exemplos de complexos eletrostáticos iônicos A O cátion K monovalente e o malato formam o complexo potás sio malato B O cátion divalente Ca2 e o pectato formam o com plexo cálcio pectato Os cátions divalentes podem formar ligações cruzadas entre as bordas paralelas que possuem grupos carboxila negativamente carregados As ligações cruzadas do cálcio exercem um papel estrutural nas paredes celulares Figura 1318 Consideramse dois pro cessos para a absorção de ferro nas plantas A Processo comum nas dicotiledôneas como ervilha tomate e soja Os quelantes incluem compostos orgânicos como ácido málico ácido cítrico fenóis e ácido piscí dico B Processo comum nas gramíneas como cevada milho e aveia Após a excre ção do sideróforo pela gramínea e a retirada do ferro de partículas do solo o complexo pode ser degradado e liberar o ferro para o solo trocar o ferro por outro ligante ou ser transportado para o interior da raiz De Guerinot e Yi 1994 A Cátion monovalente B Cátion divalente Dissociação do H Ácido málico Malato Potássio malato Cálcio pectato Formação do complexo 2 H HCOH COOH CH2 COOH HCOH COO CH2 COO HCOH COO K CH2 COO K C O O C O O Ca2 C O O C O O Ca2 2 K NADH Exterior Interior Exterior Interior Degradação A B Processo I ervilha tomate soja Processo II cevada milho aveia Fe3 sideróforo Sideróforo Fe3 quelante Fe2 quelante Fe2 H Fe2 NAD Membrana plasmática Partícula de solo Troca de ligante Membrana plasmática ATP ADP Taiz13indd 371 Taiz13indd 371 27102016 145850 27102016 145850 372 Unidade II Bioquímica e Metabolismo las raízes Além disso as membranas plasmáticas da raiz contêm uma enzima a ferro quelato redutase que reduz o ferro férrico Fe3 à forma de ferro ferroso Fe2 em que o NADH ou o NADPH do citosol servem como doadores de elétrons ver Figura 1318A A atividade dessa enzima aumenta sob condições de deficiência de ferro Vários compostos secretados pelas raízes formam quelatos estáveis com o ferro Os exemplos incluem o áci do málico o ácido cítrico os fenólicos e o ácido piscídico As gramíneas produzem uma classe especial de quelantes de ferro denominada sideróforos Os sideróforos são cons tituídos por aminoácidos não encontrados nas proteínas como o ácido mugineico por exemplo e formam comple xos estáveis com o Fe3 As células das raízes das gramí neas possuem sistemas de transporte de sideróforoFe3 em suas membranas plasmáticas que carregam o quelato para o interior do citoplasma Sob deficiência de ferro as raízes das gramíneas liberam mais fitossideróforos no solo e aumentam a capacidade do sistema de transporte do sideróforoFe3 ver Figura 1318B Cátions de ferro formam complexos com carbono e fosfato Após a absorção de cátion ferro ou um ferro quelato pe las raízes eles são oxidados à forma férrica e translocados em sua maior parte para as folhas na forma de complexos eletrostáticos com citrato ou com nicotianamina Uma vez nas folhas o cátion ferro passa por uma impor tante reação de assimilação por meio da qual ele é inserido na porfirina a qual é precursora do grupo heme encontrado nos citocromos localizados nos cloroplastos e nas mitocôn drias ver Capítulo 7 Essa reação é catalisada pela enzima ferroquelatase Figura 1319 A maior parte do ferro nos ve getais é encontrada nos grupos heme Além disso as proteí nas ferroenxofre da cadeia transportadora de elétrons ver Capítulo 7 contêm ferro não heme covalentemente ligado aos átomos de enxofre dos resíduos de cisteína na apopro teína O ferro é encontrado também nos centros Fe2S2 que contêm dois ferros cada um complexado com os átomos de enxofre dos resíduos de cisteína e dois sulfetos inorgânicos O ferro livre ferro que não está complexado com com postos de carbono pode interagir com o oxigênio para for mar radicais hidroxila OH que são altamente danosos As células vegetais conseguem limitar os danos pela arma zenagem do excesso de ferro em complexos de ferroprote ína chamados de ferritina Mutantes de Arabidopsis mos traram que as ferritinas embora essenciais para a proteção contra o dano oxidativo não servem como pool principal para o desenvolvimento da plântula ou o funcionamento apropriado aparato fotossintético A ferritina consiste em uma estrutura proteica com 24 subunidades idênticas for mando uma esfera oca que possui uma massa molecular de cerca de 480 kDa No interior dessa esfera há um núcleo de 5400 a 6200 átomos de ferro presentes como um complexo fosfatoóxido férrico A forma pela qual o ferro é liberado da ferritina não é conhecida porém a decomposição da estrutura proteica parece estar envolvida nesse processo O nível de ferro livre nas células vegetais regula a biossíntese de novo da ferriti na Existe um grande interesse na ferritina porque o ferro ligado a proteínas dessa forma pode ser altamente dispo nível para o homem Alimentos ricos em ferritina como a soja podem auxiliar em dietas para problemas de anemia Assimilação do oxigênio A respiração responde por cerca de 90 do volume de O2 assimilado pelas células vegetais ver Capítulo 12 Outra rota importante para a assimilação do O2 em compostos or gânicos envolve a incorporação do O2 da água ver reação 1 da Tabela 81 Uma proporção pequena do oxigênio pode ser diretamente assimilada em compostos orgânicos no pro cesso de fixação de oxigênio por meio de enzimas conhecidas como oxigenases A oxigenase mais importante nos vegetais é a ribulose15bifosfato carboxilaseoxigenase rubisco que durante a fotorrespiração incorpora o oxigênio em um composto orgânico e libera energia ver Capítulo 8 Outras oxigenases são discutidas no Tópico 134 na internet O balanço energético da assimilação de nutrientes A assimilação de nutrientes geralmente necessita de grandes quantidades de energia para converter compostos inorgâ nicos estáveis de baixa energia em compostos orgânicos de alta energia altamente reduzidos Por exemplo a redução do nitrato a nitrito e deste em amônio requer a transferência de aproximadamente oito elétrons e representa cerca de 25 do total de energia consumida pelas raízes e partes aéreas Por conseguinte o vegetal pode utilizar um quarto de sua ener gia para assimilar o nitrogênio um constituinte que representa menos de 2 da massa seca total da planta Muitas dessas reações de assimilação ocor rem no estroma do cloroplasto onde elas têm Figura 1319 Reação da ferroquelatase A enzima ferroquelatase catalisa a inserção do fer ro no anel da porfirina formando o complexo de valência coordenada Ver Figura 734 para ilustração da biossíntese do anel da porfirina Anel de porfirina Ferroquelatase Fe2 Fe N N N N N N N N Taiz13indd 372 Taiz13indd 372 27102016 145850 27102016 145850 Capítulo 13 Assimilação de Nutrientes Inorgânicos 373 acesso imediato a poderosos agentes redutores como o NADPH a tiorredoxina e a ferredoxina gerados durante o transporte de elétrons da fotossíntese Esse processo combinando a assimilação de nutrientes ao transporte de elétrons da fotossíntese é denominado fotoassimilação Figura 1320 A fotoassimilação e o ciclo C3 de fixação do carbono ocorrem no mesmo compartimento Contudo a fotoassi milação ocorre somente quando a cadeia fotossintética de transporte de elétrons gera agentes redutores em excesso além do que é necessário para o ciclo C3 por exemplo sob condições de alta luminosidade e baixo CO2 Níveis altos de CO2 inibem a assimilação do nitrato nas partes aéreas de plantas C3 Figura 1321A ver Ensaio 131 na internet Um mecanismo fisiológico responsável por esse fe nômeno envolve a fotorrespiração ver Capítulo 8 A fo Célula do mesofilo ATP ATP ATP 3 ATP 7 ATP 2 ATP 2 ATP NADH NO3 H NRT NO2 NO2 NH4 Glutamato Glutamato Aspartato Asparagina Outros amino ácidos Proteínas ácidos nucleicos H NiR GS GOGAT AspAT AS NO3 NR Fdred Fdred CLOROPLASTO Figura 1320 Resumo dos processos envolvidos na assimilação do nitrogênio mineral na folha O nitrato translocado das raízes pelo xilema é absorvido por uma célula do mesofilo por um cotranspor tador nitratopróton NRT para o citoplasma O nitrato é então reduzido a nitrito via nitrato redutase NR O nitrito é translocado para o estroma do cloroplasto junto com um próton No estroma o nitrito é reduzido a amônio via nitrito redutase NiR e esse amô nio é convertido em glutamato pela ação sequencial da glutamina sintetase GS e da glutamato sintase GOGAT Novamente no ci toplasma o glutamato é transaminado a aspartato via aspartato aminotransferase AspAT Finalmente a asparagina sintetase AS converte o aspartato em asparagina As quantidades aproximadas de ATP equivalente para cada reação estão indicadas acima de cada reação 00 04 08 12 16 Assimilação de NO 3 na parte aérea 0 200 400 600 800 1000 Ci μmol mol1 A Espécies C3 0 200 400 600 800 1000 Ci μmol mol1 B Espécies C4 Arabidopsis Cevada Flaveria pringlei Sequoia gigante Pinus taeda Bordo de açúcar Liquidâmbar Tomateiro Trigo Trigo Amaranthus retroflexus Flaveria bidentis Figura 1321 Assimilação do NO3 em função das concentra ções internas de CO2 Ci na parte aérea de nove espécies de C3 A e três espécies de C4 B A assimilação do NO3 na parte aérea está apresentada como ΔAQ diminuição na razão entre consumo e produção de O2 na parte aérea com uma mudança nutricional de NH4 para NO3 De Searles e Bloom 2003 Bloom et al 2012 Taiz13indd 373 Taiz13indd 373 27102016 145850 27102016 145850 374 Unidade II Bioquímica e Metabolismo torrespiração tem sido erroneamente retratada como um processo de desperdício sendo considerada um vestígio evolutivo dos vegetais em uma atmosfera com elevados níveis de CO2 Na verdade a fotorrespiração exerce um papel positivo na relação carbononitrogênio da planta Ela estimula a exportação do malato pelos cloroplastos sendo esse malato utilizado para gerar NADH no ci toplasma Esse NADH é utilizado na primeira etapa da assimilação do NO3 a redução do NO3 a NO2 O enri quecimento com dióxido de carbono reduz a fotorrespira ção diminuindo a quantidade de NADH disponível para a redução do NO3 Ao contrário da fixação de carbono pelas C3 a pri meira reação na rota de fixação de carbono nas plantas C4 forma grandes quantidades de malato e NADH no cito plasma das células do mesofilo Isso explica por que nas plantas C4 a assimilação de NO3 na parte aérea é inde pendente do CO2 Figura 1321B Da mesma forma o ca tabolismo rápido do malato e a elevada concentração de CO2 nas células da bainha do feixe vascular explicam por que as plantas C4 assimilam o NO3 exclusivamente nas células do mesofilo Caso ocorra como é esperada a duplicação nos níveis do CO2 atmosférico durante este século ver Capítulo 9 irá aumentar o efeito do CO2 na inibição da assimilação do nitrato na parte aérea afetando a relação plantanutriente A qualidade do alimento produzido por culturas C3 como o trigo já tem sofrido perdas e irá reduzir ainda mais du rante as próximas décadas O melhoramento de culturas para o aumento da assimilação do nitrato e do amônio tem potencial para mitigar essas perdas de qualidade contudo essa abordagem ainda é inexplorada RESUMO A assimilação de nutrientes é um processo frequente de demanda energética pelo qual as plantas incorporam nutrientes inorgâni cos em compostos de carbono necessários ao crescimento e ao desenvolvimento Nitrogênio no meio ambiente Quando o nitrogênio é fixado em amônia NH3 ou nitrato NO3 ele passa por diversas formas orgânicas e inorgânicas antes de retornar finalmente à forma de nitrogênio molecular N2 Figura 131 O amônio NH4 em altas concentrações é tóxico aos tecidos vivos Contudo o nitrato pode ser armazenado e transportado nos tecidos vegetais de forma segura Figura 132 Assimilação do nitrato As raízes vegetais absorvem ativamente o nitrato para então reduzilo a nitrito NO2 no citosol Figura 133 O nitrato a luz e os carboidratos afetam a transcrição e a tradu ção da nitrato redutase Figura 134 O escuro e o Mg2 podem inativar a nitrato redutase Essa inati vação é mais rápida do que a regulação pela redução da síntese ou da degradação da enzima Nos cloroplastos e nos plastídios da raiz a enzima nitrito redu tase reduz o nitrito a amônio Figura 135 Tanto as raízes quanto as partes aéreas assimilam o nitrato Fi gura 136 Assimilação do amônio As células vegetais evitam a toxicidade do amônio por sua rápi da conversão em aminoácidos Figura 137 O nitrogênio é incorporado em outros aminoácidos por reações de transaminação envolvendo a glutamina e o glutamato O aminoácido asparagina é um componentechave para o transporte e o armazenamento do nitrogênio Biossíntese de aminoácidos Os esqueletos de carbono dos aminoácidos são originados de in termediários da glicólise e do ciclo do ácido cítrico Figura 138 Fixação biológica do nitrogênio A fixação biológica do nitrogênio é responsável pela maior par te da amônia formada a partir do N2 atmosférico Figura 131 Tabelas 131 132 Vários tipos de bactérias fixadoras de nitrogênio formam as sociações simbióticas com plantas superiores Figuras 139 1310 Tabela 133 A fixação do nitrogênio necessita de condições anaeróbias ou microanaeróbias Procariotos simbióticos fixadores de nitrogênio funcionam no interior de estruturas especializadas formadas pela planta hos pedeira Figura 139 A relação simbiótica inicia pela migração das bactérias fixadoras de nitrogênio na direção da raiz da planta hospedeira a qual é mediada por atrativos químicos secretados pelas raízes Os compostos atrativos ativam a proteína NodD do rizóbio a qual então induz a biossíntese de fatores Nod que agem como sinalizadores para a simbiose Figura 1311 Os fatores Nod induzem o enrolamento da raiz sequestro dos rizóbios degradação da parede celular e acesso bacteriano à membrana celular do pelo da raiz do qual se forma o canal de infecção Figura 1312 Repleto de rizóbios em proliferação o canal de infecção alon gase através dos tecidos da raiz no sentido do nódulo em de senvolvimento o qual surge a partir das células corticais Figu ra 1312 Em resposta a um sinal do vegetal as bactérias do nódulo pa ram de se dividir e se diferenciam em bacterioides fixadores de nitrogênio Taiz13indd 374 Taiz13indd 374 27102016 145850 27102016 145850 Capítulo 13 Assimilação de Nutrientes Inorgânicos 375 Leituras sugeridas Andrews M 1986 The partioning of nitrate assimilation between roots and shoot of higher plants Plant Cell Environ 9 511519 Appleby C A 1984 Leghemoglobin and Rhizobium respiration Annu Rev Plant Physiol 35 443478 Beevers L 1976 Nitrogen Metabolism in Plants Elsevier London Bloom A J Burger M Asensio J S R and Cousins A B 2010 Carbon dioxide enrichment inhibits nitrate assimilation in wheat and Arabidopsis Science 328 899903 Bloom A J RubioAsensio J S Randall L Rachmilevitch S Cousins A B and Carlisle E A 2012 CO2 enrichment inhibits shoot nitrate assimilation in C3 but not C4 plants and slows growth under nitrate in C3 plants Ecology 93 355367 Brady N C 1979 Nitrogen and Rice International Rice Research Institute Manila Crawford N M and Forde B J 2002 Molecular and developmental biology of inorganic 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amidas ou ureídas Figura 1314 Assimilação do enxofre A maior parte do enxofre assimilado é derivada do sulfato SO4 2 absorvido da solução do solo Os vegetais podem tam bém metabolizar dióxido de enxofre gasoso SO2 que entra pelos estômatos A síntese de compostos orgânicos contendo enxofre inicia com a redução do sulfato no aminoácido cisteína Figura 1315 O sulfato é assimilado nas folhas e exportado como glutationa via floema para os locais de crescimento Assimilação do fosfato As raízes absorvem o fosfato HPO4 2 da solução do solo e sua assimilação ocorre com a formação do ATP A partir do ATP o grupo fosfato pode ser transferido a muitos compostos diferentes de carbono nas células vegetais Assimilação de cátions Cátions polivalentes formam ligações de valência coordenada com compostos de carbono Figura 1316 Cátions monovalentes formam ligações eletrostáticas com gru pos carboxilatos Figura 1317 As raízes utilizam vários mecanismos para absorver quantidades suficientes de ferro férrico Fe3 insolúvel da solução do solo Figura 1318 Uma vez nas folhas o ferro sofre uma importante reação de assimilação Figura 1319 Para restringir os danos causados pelo radical livre que o ferro livre pode ocasionar as células vegetais podem armazenar o excedente de ferro como ferritina Assimilação do oxigênio A respiração e a atividade oxigenase da rubisco são responsá veis pela maior parte da assimilação do O2 pelas células vege tais Contudo a fixação direta do oxigênio também é catalisada por outras oxigenases O balanço energético da assimilação de nutrientes A necessidade de energia para a assimilação de nutrientes está acoplada ao transporte de elétrons da fotossíntese o qual gera agentes com poder redutor Figura 1320 A fotoassimilação funciona somente quando o transporte de elétrons da fotossíntese gera agentes redutores em excesso além do necessário para o ciclo C3 de fixação de carbono O aumento dos níveis atmosféricos de CO2 inibe a assimilação do nitrato nas partes aéreas de plantas C3 Figura 1321 Taiz13indd 375 Taiz13indd 375 27102016 145850 27102016 145850 376 Unidade II Bioquímica e Metabolismo MD DOI 101199tab0011 httpwwwaspborg publicationsarabidopsis Dixon R O D and Wheeler C T 1986 Nitrogen Fixation in Plants Chapman and Hall New York Epstein E and Bloom A J 2005 Mineral Nutrition of Plants Principles and Perspectives 2nd ed Sinauer Associates Sunderland MA Foyer C H Bloom A J Queval G and Noctor G 2009 Photorespiratory metabolism Genes mutants energetics and redox signaling Annu Rev Plant Biol 60 455484 George E Marschner H and Jakobsen I 1995 Role of arbuscular mycorrhizal fungi in uptake of phosphorus and nitrogen from soil Crit Rev Biotechnol 15 257270 Geurts R Lillo A and Bisseling T 2012 Exploiting an ancient signalling machinery to enjoy a nitrogen fixing symbiosis Curr Opin Plant Biol 15 438443 Guerinot M L and Yi Y 1994 Iron Nutritious noxious and not readily available Plant Physiol 104 815820 Herridge D F Peoples M B and Boddey R M 2008 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Estabelecimento da Plântula Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos Capítulo 22 Senescência Vegetal e Morte Celular Capítulo 23 Interações Bióticas Capítulo 24 Estresse Abiótico Taiz14indd 378 Taiz14indd 378 27102016 150334 27102016 150334 14 A s células vegetais diferentemente das células animais são delimita das por uma parede celular mecanicamente forte Essa fina camada consiste em uma rede de microfibrilas de celulose incluída em uma matriz de polissacarídeos proteínas e outros polímeros produzidos pela célula A ma triz de polissacarídeos e as microfibrilas de celulose unemse em uma forte rede de uma mistura de ligações covalentes e não covalentes A matriz pode também conter enzimas e outros materiais que modificam as características físicas e químicas da parede Adicionalmente a condição de hidratação da parede celular influencia bastante suas propriedades físicas e de resistência mecânica As paredes celulares de procariotos fungos algas e plantas diferem umas das outras na composição química e na estrutura molecular ainda que cumpram em comum três funções regulação do volume celular determi nação da forma celular e proteção mecânica ao delicado protoplasto contra ataques bioquímicos e físicos As paredes celulares das plantas adquiriram funções adicionais não evidentes nas paredes celulares de outros organis mos e essas diversas funções se refletem na sua complexidade estrutural e diversidade de composição e forma Além dessas funções biológicas a parede celular vegetal é a base e a matériaprima para muitos produtos importantes à sociedade As paredes celulares vegetais são utilizadas na produção de papel tecidos como algo dão e linho e madeira de construção bem como outros produtos à base de madeira As paredes das células vegetais também são utilizadas na produ ção de fibras sintéticas como raiom plásticos filmes tintas adesivos géis e espessantes Atualmente esforços significativos estão em andamento em todo o mundo para desenvolver métodos de redução de custos efetivos para converter biomassa celulósica em biocombustível a fim de substituir os combustíveis de transporte com base em petróleo como a gasolina De acor do com alguns cenários um bilhão de toneladas de biomassa celulósica ne cessitará ser colhido a cada ano nos EUA para substituir cerca de um terço do petróleo utilizado atualmente para o transporte Como o reservatório mais abundante de carbono orgânico na natureza e o maior dreno de carbono capturado pela fotossíntese a parede celular vegetal também participa nos processos de fluxo de carbono dos ecossistemas Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão Taiz14indd 379 Taiz14indd 379 27102016 150334 27102016 150334 380 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Este capítulo inicia com uma descrição das funções gerais e da composição das paredes celulares e dos meca nismos de sua biossíntese e construção Após verificase o papel da parede celular primária na expansão celular Os mecanismos de crescimento apical que ocorrem em poucos tipos celulares especializados são confrontados com aque les de crescimento difuso em particular quanto ao estabe lecimento da polaridade celular e ao controle de sua taxa de expansão Muitas células principalmente aquelas do xile ma que estão envolvidas no transporte de água de longa distância e no suporte estrutural do caule produzem uma parede celular espessada e lignificada internamente à pa rede primária São descritas ideias atualizadas da estrutura dessa parede e o processo de lignificação Visão geral das funções e das estruturas da parede celular vegetal Sem suas paredes celulares as plantas seriam organismos muito diferentes do que se conhece Em vez de árvores imponentes seriam encontradas massas amorfas de célu las do tipo ameba De fato a parede celular é crucial para muitos processos essenciais de crescimento desenvolvi mento e funções diárias das plantas As paredes celulares determinam a resistência mecâ nica das estruturas vegetais permitindo que as plan tas cresçam até grandes alturas As células são aderidas umas às outras por suas pare des evitando o deslizamento e a motilidade celulares Essa restrição sobre o movimento celular contrasta acentuadamente com a situação em células animais e determina o modo como as plantas se desenvolvem O controle da adesão celular e a seletiva liberação da adesão é importante para o desenvolvimento dos espaços intercelulares para as trocas gasosas e para a separação celular durante a abscisão foliar e outras se parações de tecido com desenvolvimento controlado A morfogênese vegetal depende em última instância do controle das propriedades da parede celular porque o aumento de células vegetais é limitado principal mente pela capacidade de expansão da parede celular Como uma camada mecanicamente forte encapsu lando a célula a parede atua como um exoesquele to celular que controla a sua forma e que possibilita o desenvolvimento de pressões de turgor altas Sem uma parede celular para resistir às forças geradas pela pressão de turgor as relações hídricas das plantas se riam muito diferentes ver Capítulo 3 O fluxo de água da transpiração no xilema requer uma parede mecanicamente forte que resista ao colapso em resposta à pressão negativa no xilema Defeitos na formação da parede celular com frequência resultam em um fenótipo de xilema colapsado A parede celular atua como uma barreira de difusão limitando o tamanho e os tipos de moléculas que podem alcançar a membrana plasmática tanto por efeitos de peneiramento como por interações iônicas e hidrofóbicas Cargas negativas estáveis nas paredes influenciam profundamente a distribuição de íons e a carga das macromoléculas Numerosas proteínas sensoriais são parcialmente an coradas na parede celular e formam uma ponte até a membrana plasmática proporcionando um mecanis mo para detectar a integridade da célula As paredes celulares apresentam uma barreira estru tural e química significativa à invasão e à propagação de patógenos e parasitas e à remoção de tecidos por herbívoros Além disso oligossacarídeos liberados da parede celular pela ação de enzimas líticas a partir de microrganismos invasores atuam como moléculas sinalizadoras importantes que induzem respostas de defesa contra patógenos e simbiontes A cutícula que é uma camada hidrofóbica complexa integrada às paredes celulares mais externas da epi derme nos órgãos aéreos serve como uma barreira importante à perda de água e à invasão de patógenos Grande parte do carbono assimilado na fotossíntese é transformada em polissacarídeos que formam a parede Du rante fases específicas de desenvolvimento ou períodos de falta de açúcar alguns desses polímeros podem ser hidro lisados em seus açúcares constituintes passíveis de serem usados para atender necessidades celulares Esse papel é mais notável em sementes com grandes quantidades de re servas armazenadas nas paredes espessadas do endosperma ou dos cotilédones Polissacarídeos facilmente metaboliza dos são incluídos nessas paredes celulares durante o desen volvimento da semente e rapidamente mobilizados durante a germinação para nutrir o embrião em desenvolvimento A diversidade funcional e os vários papéis da parede celular requerem estruturas de parede celular diversas Esta seção tem início com uma breve descrição da morfologia e da arquitetura básica das paredes celulares vegetais A se guir são discutidas a organização a composição e a síntese da parede celular em algumas de suas diversas formas As paredes celulares das plantas variam em estrutura e função Em cortes de órgãos vegetais corados os objetos visuais mais óbvios em um microscópio são as paredes celulares que podem variar muito em aparência e composição em diferentes tipos celulares Figura 141 Por exemplo as paredes celulares do parênquima na medula e no córtex em geral são delgadas cerca de 100 nm e possuem poucas características distintivas Por outro lado as células de epi derme colênquima vasos e traqueídes fibras do floema e outras formas de células do esclerênquima têm paredes mais espessas cerca de 1000 nm ou mais frequentemente com muitas camadas Essas paredes podem ser moldadas de forma complexa e impregnadas com substâncias como ligninas cutina suberina ceras polímeros de silicato ou proteínas estruturais as quais alteram as suas proprieda des físicas e químicas Taiz14indd 380 Taiz14indd 380 27102016 150334 27102016 150334 Capítulo 14 Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão 381 As paredes em diferentes lados de uma célula podem variar em espessura em quantidade e em tipo de substân cias impregnadas em ornamentação e em frequência de pontoações e plasmodesmos canais diminutos envolvi dos por membrana que possibilitam o transporte passivo de pequenas moléculas e o transporte ativo de proteínas e ácidos nucleicos entre os citoplasmas de células adjacen tes ver Figura 14 Por exemplo a parede mais externa da epiderme não possui plasmodesmos é muito mais espessa que as outras paredes da célula e é revestida externamente com cutina e ceras Sua composição polissacarídica tam bém pode diferir daquela de outras paredes e em gramí neas a parede das células epidérmicas pode conter uma camada de silicato polimerizado Nas célulasguarda o lado da parede adjacente à fenda estomática é muito mais espesso do que as paredes dos demais lados da célula Es sas variações na arquitetura da parede de uma única célula refletem a polaridade celular e as funções diferenciadas e se originam da secreção de componentes de parede desti nados à superfície celular Apesar dessa diversidade morfológica as paredes celulares em geral são classificadas em dois tipos prin cipais primárias e secundárias Essa classificação não é baseada em diferenças estruturais ou bioquímicas mas no estágio de desenvolvimento da célula que está pro duzindo a parede celular As paredes primárias são de finidas como paredes formadas durante o crescimento celular Geralmente elas são delgadas e de arquitetura simples Figuras 142A e 143A mas algumas paredes primárias podem ser espessas e multiestratificadas como aquelas encontradas no colênquima ou na epiderme Figura 142B e C A C B 200 nm 20 μm Camadas externas da parede Camadas internas da parede Cutícula 1 μm 100 μm Parênquima cortical Esclerênquima Floema Xilema Figura 141 Corte transversal de um caule do botãodeouro Ranunculus repens mostrando células com morfologia de parede variada em diferentes tipos de tecido ver legenda Observe as pa redes altamente espessadas das células de fibras do esclerênquima e as pontoações das células do xilema Figura 142 Três vistas de paredes celulares primárias A Esta vista fron tal de fragmentos de parede celular de células parenquimáticas de cebola foi obtida com microscópio óptico utilizando óptica de Nomarski Observe que nesta escala a parede assemelhase a uma chapa muito fina com pequenas depressões na superfície essas depressões podem ser campos de pontoação locais onde são concentradas as conexões de plasmodesmos entre células B Imagem da superfície mais interna de uma parede não extraída e não desidra tada da epiderme de cebola obtida sob água por microscopia de força atômi ca Observe a textura fibrosa da parede e a presença de múltiplas lamelas com as fibrilas em orientações diversas As fibrilas mais delgadas têm cerca de 3 nm de diâmetro Elas se agregam para formar feixes maiores C Micrografia ao microscópio eletrônico da parede externa de célula epidérmica corte trans versal da região de crescimento do hipocótilo de feijão Múltiplas camadas são visíveis na parede As camadas internas são mais espessas e mais definidas do que as externas pois as camadas externas são as regiões mais antigas da parede e foram estendidas e afinadas por expansão celular A de McCann et al 1990 B de Zhang et al 2014 C de Roland et al 1982 Taiz14indd 381 Taiz14indd 381 27102016 150334 27102016 150334 382 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento As paredes secundárias são formadas após cessar a expansão da célula Elas são depositadas entre a membra na plasmática e a parede primária da célula As paredes se cundárias podem ser altamente especializadas em estrutu ra e composição refletindo o estado diferenciado da célula Figura 143B e C No sistema condutor de água xilema fibras traqueídes e vasos são notáveis por possuírem pa redes secundárias espessadas multiestratificadas que são reforçadas e impermeáveis pela presença da lignina Entre tanto nem todas as paredes secundárias são lignificadas ou espessadas Pontoações e campos de pontoação são áreas delgadas onde a parede primária não está revestida por uma parede secundária e apresenta plasmodesmos Uma camada delgada chamada lamela média é encon trada na interface onde as paredes das células vizinhas man têm contato A lamela média em geral é enriquecida com polissacarídeos pécticos pectinas os quais podem ser com plexados com glicoproteínas ricas em hidroxiprolina HR GPs hydroxyprolinerich glycoproteins Enquanto a origem da lamela média pode ser delineada na placa celular formada durante a divisão da célula materiais adicionais devem ser recrutados para essa camada à medida que as células se ex pandem Uma de suas funções é servir como uma camada adesiva flexível entre as células Os componentes diferem para as paredes celulares primárias e secundárias As paredes celulares contêm vários tipos de polissacarí deos denominados de acordo com os principais açúcares que os constituem Figura 144 e Tópico 141 na internet Por exemplo um glucano é um polímero de unidades de glicose ligadas pelas extremidades um galactano é um polímero de galactose um xilano é um polímero de xilose um manano é um polímero de manose e assim por dian te Glicano é o termo geral para um polímero formado de açúcares e é sinônimo de polissacarídeo Polissacarídeos podem ser cadeias não ramificadas lineares de resíduos de açúcar unidades ou podem conter cadeias laterais ligadas à cadeia principal backbone Para polissacarídeos ramificados a cadeia principal em geral é indicada pela última parte do nome O xiloglucano por exemplo possui uma cadeia principal de glucano uma cadeia linear de resíduos de glicose com xilose ligada a ele como cadeias laterais O arabinoxilano tem uma ca deia principal de xilano uma cadeia de resíduos de xilose com cadeias laterais de arabinose Os nomes podem ficar longos Por exemplo glicuronoarabinoxilano GAX é um arabinoxilano ornamentado com uma baixa frequência de unidades de ácido glicurônico Entretanto um nome com posto não indica necessariamente uma estrutura ramifica da Por exemplo ramnogalacturonano I é o nome dado a um polímero contendo ramnose e ácido galacturônico em sua cadeia principal também possui cadeias laterais de galactano e arabinano que não estão incluídas no nome Assim a denominação é baseada no açúcar principal do polímero porém não inclui seus detalhes estruturais As ligações específicas entre anéis de açúcar incluindo os carbonos específicos que são ligados juntos e a configu ração da ligação ver Tópico 141 na internet são impor tantes para as propriedades dos polissacarídeos Por exem plo a amilose não um componente de parede celular mas um componente de amido no plastídio é um α14 gluca no carbonos C1 e C4 de anéis de glicose adjacentes são li gados por uma ligação Oglicosídica em uma configuração α enquanto a celulose é um glucano formado de ligações β14 e a calose é um glucano induzido por injúria com posto primariamente de ligações β13 Essas diferenças nas ligações fazem enorme contraste nas propriedades fí sicas na digestibilidade enzimática e nos papéis funcionais desses três polímeros de glicose Isso ilustra a diversidade e a versatilidade dos polissacarídeos que podem ser formados pela mesma base de construção de açúcar Os polissacarídeos da parede celular são classificados em três grupos A celulose é o principal componente fibri lar da parede celular e é composta de uma matriz de β14 glucanos unidos para formar uma microfibrila com regiões mais e menos organizadas as quais são insolúveis em água 100 μm 55 μm 75 μm A B C Figura 143 Diversidade da estrutura da parede celular As pare des delgadas do parênquima do caule do botãodeouro Ranunculus occidentalis A contrastam com as paredes celulares secundárias es pessadas das traqueídes de um feixe vascular do caule de girassol He lianthus sp B e das esclereídes de um caroço de cereja Prunus sp Taiz14indd 382 Taiz14indd 382 27102016 150335 27102016 150335 Capítulo 14 Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão 383 e têm alta resistência à tensão ver detalhes na próxima se ção Pectina é o nome dado a um grupo complexo e di verso de polissacarídeos hidrofílicos e formadores de gel ricos em resíduos de açúcares ácidos Muitas pectinas são rapidamente solubilizadas da parede com água quente ou com quelantes de cálcio Os polissacarídeos de parede do terceiro grupo são coletivamente denominados hemicelu loses Normalmente elas requerem um agente extractante forte como o 14 M NaOH para serem solubilizadas da parede celular Quimicamente as hemiceluloses têm sido definidas como polissacarídeos com cadeias β14 ligadas à cadeia principal em uma configuração equatorial signifi cando que a ligação entre os resíduos está de acordo com o plano do anel As pectinas e as hemiceluloses também são denominadas polissacarídeos da matriz Como detalhado anteriormente as paredes celulares vegetais são construídas a partir de uma armação de mi crofibrilas de celulose incluída em uma matriz polimérica que varia de acordo com a espécie o tipo celular e a região da parede celular da planta Tabela 141 As paredes ce lulares primárias típicas de eudicotiledôneas são ricas em pectinas com menores quantidades de celulose e hemi celuloses enquanto as paredes celulares secundárias são ricas em celulose e uma forma diferente de hemicelulose com quantidades variadas de lignina um polímero aro mático que será descrito mais tarde neste capítulo Como resultado da alta quantidade de conteúdo péctico as pare des primárias têm um teor de água relativamente maior o que é importante para manter a capacidade da parede de expandir durante o aumento celular Por outro lado a estrutura celulosehemiceluloselignina das paredes ce lulares secundárias é densamente comprimida e contém menos água uma estrutura bem projetada para a força e a resistência à compressão As paredes celulares primárias também podem conter de 2 a 10 de proteínas não enzimáticas cujas funções exatas são incertas Tais proteínas podem ser localizadas nas paredes de tipos celulares específicos ou mais abran gentes Tabela 142 e normalmente são identificadas por motivos curtos ou sequências de repetição de aminoácidos ou um alto grau de glicosilação Uma diversidade de fun TABELA 141 Componentes estruturais das paredes celulares vegetais Classe Exemplos Celulose Microfibrilas de 14βDglucano Pectinas Homogalacturonano Ramnogalacturonano I com cadeias laterais de arabinano galactano e arabinogalactano Ramnogalacturonano II Hemiceluloses Xiloglucano Variantes de glucuronoarabinoxilano incluem glucuronoxilano e arabinoxilano Glucomanano Ligação mista de 1314βDglucano Proteínas não enzimáticas Ver Tabela 142 Lignina Ver Figura 1422 βDgalactose Gal A Hexoses B Pentoses βDglicose Glc βDmanose Man βDxilose Xyl αLarabinose Ara αDácido galacturônico GalA αDácido glicurônico GlcA Glicosil Glicose C Ácidos urônicos E Celobiose D Açúcares desóxi αLramnose Rha αLfucose Fuc CH2OH O HO HO OH OH H H H H H CH2OH O HO HO OH OH H H H H H CH2OH O HO HO H OH H OH H H H H O H HO OH OH H H H H HO HOCH2 O OH OH H OH H H H HOH2C O OH H OH H H H O HO HO OH H OH H H H H O C O O H HO OH H OH H H H OH O H H H H H HO CH3 OH OH OH O H H H OH HO H CH3 OH H OH C O O αDapiose Api CH2OH O HO HO HO OH O H H H H H O H H H H H HO CH2OH OH OH Figura 144 Estruturas conformacionais de açúcares comumen te encontrados em paredes celulares vegetais A Hexoses açúcares de seis carbonos B Pentoses açúcares de cinco carbonos C Áci dos urônicos açúcares ácidos D Açúcares desóxi E Celobiose mostrando a ligação 14βD entre dois resíduos de glicose em orientação invertida Todos os açúcares são apresentados em sua forma piranose anéis de seis membros exceto arabinose e apiose que são mostradas na forma furanose anéis de cinco membros Taiz14indd 383 Taiz14indd 383 27102016 150335 27102016 150335 384 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento ções tem sido sugerida para essas proteínas incluindo a consolidação da placa celular após a citocinese e o reforço da parede dos pelos de raízes em crescimento Além dessas proteínas com sequências repetitivas as paredes celulares primárias contêm pro teínas arabinogalactano AGPs arabinogalactan proteins as quais normalmente têm menos de 1 da massa seca da parede Essas proteí nas hidrossolúveis são fortemente glicosiladas Mais de 90 da massa de AGPs podem ser resíduos de açúcar sobretudo galac tose e arabinose Figura 145 Formas múltiplas de AGP são encontradas em tecidos vegetais na parede ou asso ciadas à face externa da membrana plasmática via âncora de glicosilfosfatidilinosinol GPI mostrando padrões de expressão específicos em tecidos e células As AGPs po dem funcionar na adesão celular e na sinalização durante a diferenciação da célula As microfibrilas de celulose têm uma estrutura organizada e são sintetizadas na membrana plasmática As microfibrilas de celulose mais simples são estruturas estreitas de cerca de 3 nm de largura 1 nm 109 metros que fortalecem a parede celular algumas vezes reforçando mais em uma direção do que em outra dependendo de como as microfibrilas são secretadas na parede ie elas dão a direção estrutural ver Figura 142B Cada micro fibrila é constituída de cerca de 18 a 24 mais comumente 18 cadeias paralelas de 14βDglicose fortemente li gadas entre si para formar um centro core altamente or denado cristalino com extensivas pontes de hidrogênio dentro das cadeias de glucanos e entre elas Figura 146 As cadeias que envolvem o feixe são mais flexíveis e suas posições são influenciadas pelas interações com a água e pelos polissacarídeos da matriz na superfície Além dis so há evidência de uma desordem periódica ao longo da microfibrila isto é segmentos curtos onde a organização cristalina é interrompida em intervalos de 150 a 300 nm A celulose nativa em plantas pode ser encontrada em duas formas cristalinas variantes denominadas alomorfos Iα e Iβ que diferem ligeiramente na maneira como as cadeias paralelas de glucano são dispostas A celulose Iβ é o alomor fo mais dominante nas plantas terrestres Até o momento o significado biológico dessas duas formas cristalinas não está esclarecido As microfibrilas têm superfícies hidrofílicas preenchidas pelos grupos polares OH estendendose a par tir das laterais das cadeias de glicose empilhadas e superfícies hidrofóbicas preenchidas pelos grupos não polares CH ocu pando o plano dos anéis de açúcar ver Figura 146E Essas superfícies ligamse diferentemente à água e aos polímeros da matriz e como resultado a forma da microfibrila é um fa tor importante para a construção da parede Ela é importante também para o ataque enzimático por celulases microbianas a qual se encaixa na superfície hidrofóbica e remove uma ca deia de glucano de cada vez Uma barreira importante para o ataque enzimático da celulose é o custo energético de retirar um único glucano dessa microfibrila cristalina As microfibrilas de celulose na natureza variam con sideravelmente em largura e no grau de organização de pendendo de seus recursos biológicos Por exemplo as mi crofibrilas de celulose nas paredes primárias das plantas terrestres têm cerca de 3 nm de largura enquanto aque las formadas por algumas algas podem ter até 20 nm de largura e podem ser mais organizadas mais cristalinas que as encontradas nas plantas terrestres Essa variação Cadeias laterais de arabinogalactano Proteína Figura 145 Uma molécula de proteína arabinogalactano mos trando cadeias laterais altamente ramificadas ligadas à cadeia prin cipal da proteína As AGPs têm ampla diversidade de estruturas De Carpita e McCann 2000 TABELA 142 Proteínas não enzimáticas da parede celular Classes de proteínas da parede celular Porcentagem de carboidratos Localização principal no tecido HRGP glicoproteína rica em hidroxiprolina 55 Câmbio e parênquima vascular PRP proteína rica em prolina 020 Xilema fibras parênquima cortical pelos de raízes GRP proteína rica em glicina 0 Xilema primário e floema AGP proteína arabinogalactano até 90 Expressão celular específica variada Taiz14indd 384 Taiz14indd 384 27102016 150335 27102016 150335 Capítulo 14 Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão 385 corresponde ao número de cadeias que compõem o corte transversal de uma microfibrila Microfibrilas individuais também podem se juntar para formar macrofibrilas maio res isso é mais comum nas paredes celulares de tecidos lenhosos onde a celulose tem um maior grau de organi zação cristalinidade que nas paredes celulares primárias O comprimento da cadeia de celulose ou GP grau de po limerização varia de cerca de 2 mil para mais de 25 mil resíduos de glicose correspondendo ao comprimento total de 1 a 13 μm A microfibrila pode ser maior que glucanos individuais por causa da sobreposição e do escalonamento dos glucanos na microfibrila É muito difícil obter medições precisas do comprimento das microfibrilas na parede celu lar mas a melhor estimativa está na faixa de 1 a 13 μm As evidências obtidas por meio de microscopia eletrô nica indicam que as microfibrilas de celulose são sinteti zadas por abundantes proteínas complexas organizadas denominadas complexos celulose sintase os quais são in corporados na membrana plasmática Figura 147 Essas estruturas tipo rosetas são compostas por seis subunida des as quais se acredita que contenham de 3 a 6 unidades de celulose sintase a enzima que sintetiza individual mente os glucanos que compõem a microfibrila Os com plexos de celulose sintase provavelmente contêm proteínas adicionais porém elas ainda não foram identificadas A celulose sintase em plantas é codificada por uma fa mília gênica denominada CESA Celulose Sintase A Tratase de uma família multigênica encontrada em todas as plantas terrestres Evidências genéticas indicam que três diferentes membros da família CESA estão envolvidos na síntese de ce lulose nas paredes primárias e que um conjunto diferente de três é utilizado para sintetizar celulose nas paredes secun H O H O H O HO O H O H HO O O H O O O O O O H HO H O O O H O H O HO O H O H HO O O O O O O O H HO H O O O HO HO H O H O H O HO O H O H HO O O H O O O O O HO O H HO H O O O H O H O HO O H O H HO O O O O O O HO O H HO H O O O HO HO A B E D Pontes de hidrogênio entre as cadeias de glucanos adjacentes e dentro delas Microfibrila de celulose individualizada Superfície hidrofóbica Superfície hidrofílica C Corte transversal de microfibrila de celulose O núcleo cristalino é altamente organizado Os glucanos da superfície são menos ordenados 500 nm Figura 146 Estrutura de uma microfibrila de celulose A Ima gem de força atômica da parede celular primária da epiderme de cebola Observe sua textura fibrilar que se origina das camadas de microfibrilas de celulose B Uma única microfibrila de celulo se composta de cadeias de 14βDglucano firmemente ligadas entre si para formar uma microfibrila cristalina C Corte transversal de uma microfibrila de celulose ilustrando um modelo de estru tura celulósica com núcleo cristalino de 14βDglucano alta mente ordenado circundado por uma camada menos organizada D As regiões cristalinas de celulose têm um alinhamento preciso de glucanos com pontes de hidrogênio dentro das camadas de 14βDglucanos mas não entre elas E Formas possíveis de microfibrilas em corte transversal Observe que a área de superfície hidrofóbica varia muito com a forma De Matthews et al 2006 micrografia de Zhang et al 2014 Taiz14indd 385 Taiz14indd 385 27102016 150335 27102016 150335 386 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento dárias de tecidos lenhosos Experimentalmente unidades CESA foram trocadas entre os complexos de celulose sintase das paredes primária e secundária e os complexos ainda as sim sintetizaram microfibrilas de celulose A família gênica CESA é parte de uma grande su perfamília superfamília celulose sintase que contém famílias de genes CSL tipo celulose sintase de cellulose synthase like intimamente relacionadas denominadas CSLA CSLB a CSLH etc Alguns autores se referem a essa superfamília como a superfamília CESACSL Os ge nes CSLA codificam sintases para 14βDmanano os genes CSLF e CSLH codificam sintases para o assim cha mado glucano de cadeia mista 1314βDglucano e os genes CSLC provavelmente codificam sintases para a cadeia principal 14βDglucano de xiloglucano Há evidências de que o CSLD participe das sínteses de ma nano e de celulose nos pelos de raízes As outras famílias de CSL provavelmente codificam enzimas que sintetizam as cadeias principais de outras hemiceluloses Entretan to a cadeia principal de xilano pode ser sintetizada por um grupo muito distinto de sintases incluindo sintases denominadas GT43 família 43 glicosiltransferase Todas essas sintases são açúcares nucleotídeos polissacarídeos glicosiltransferase que transferem monossacarídeos de nucleotídeos do açúcar até a extremidade em crescimento da cadeia de polissacarídeos D 25 nm A C B Microfibrila na parede celular Microtúbulo Feixe de microfilamentos 30 nm 01 μm Região de glicosil transferase Região transmembrana Sítio ativo E Membrana plasmática Cadeias de glucanos Exterior da célula Citoplasma Complexo CESA Figura 147 As microfibrilas de celulose são sintetizadas na superfície celular por complexos ligados à membrana contendo proteínas celulose sintase CESA A Micrografia ao microscópio eletrônico mostrando microfibrilas de celulose recémsintetizadas imediatamente exteriores à membrana plasmática B Réplicas impressas por criofratura mostrando ligações de anticorpos de nanopartícula de ouro contra celulose sintase nas estruturas de rosetas na membrana O detalhe mostra uma visão ampliada de duas partículas de rosetas selecionadas com marcação de ouro coloidal indicando que as estruturas das rosetas contêm CESA As nanopartículas de ouro são os círculos escuros indicados com setas C Estrutura de uma celulose sintase bacteriana A região marrom indica o domínio catalítico da região de glicosiltransferase GT onde o sítio catalítico está localizado essa é a atividade final da proteína que transfere a glicose do difosfato de uridina glicose UDPglicose para o glucano azul A região verde indica a região transmembrana TM que forma um túnel para o glucano atra vessar a membrana A região purpúrea é um domínio ausente em CESAs vegetais D Uma forma possível oligomérica de CESA em que três CESAs formam um complexo trimérico correspondente a uma das partículas na estrutura de roseta vista em B E Modelo computacional de um complexo CESA com extrusão de cadeias de glucano que coalescem para formar uma microfibrila A de Gun ning e Steer 1996 B de Kimura et al 1999 C dados de Morgan et al 2013 D de Sethaphong et al 2013 E imagem cortesia de Yara Yingling Taiz14indd 386 Taiz14indd 386 27102016 150335 27102016 150335 Capítulo 14 Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão 387 O domínio catalítico da celulose sintase que é localiza do no lado citoplasmático da membrana plasmática trans fere um resíduo de glicose a partir de um doador de um nucleotídeo de açúcar difosfato de uridinaglicose UDP glicose para o crescimento da cadeia de glucano Estudos recentes da estrutura de uma celulose sintase bacteriana forneceram novas ideias sobre os detalhes da formação do glucano e seu transporte através da membrana por um tú nel sintase ver Figura 147C A modelagem computacional indica que um mecanismo catalítico similar opera em plan tas com CESAs A modelagem também leva à hipótese de como sintases múltiplas poderiam ser agrupadas dentro do complexo de síntese de celulose para produzir múltiplas ca deias de glucanos paralelas que se unem para formar uma microfibrila imediatamente após a síntese ver Figura 147D e E Há alguma evidência de que hemiceluloses podem fi car aprisionadas na microfibrila à medida que ela se forma isso pode criar uma desordem na microfibrila cristalina e também ancorar a microfibrila à matriz Outras proteínas estão envolvidas na formação de microfibrilas de celulose mas as funções detalhadas ain da não estão esclarecidas Defeitos em uma classe de 14βDendoglucanases associadas à membrana deno minada KORRIGAN resultam na síntese e na cristalini dade reduzidas da celulose sugerindo que elas podem ter função na cristalização desse polissacarídeo Da mesma forma membros da família COBRA a qual contém um do mínio de ligação à celulose têm sido relacionados à monta gem das microfibrilas de celulose É bastante provável que a formação adequada de microfibrilas de celulose necessite também de muitas outras proteínas Os polímeros da matriz são sintetizados no complexo de Golgi e secretados via vesículas A matriz é uma estrutura polimérica hidratada entre microfibrilas de celulose cristalinas Os polissacarídeos da matriz são sintetizados por glicosiltransferases liga das à membrana no complexo de Golgi e transportados para a parede celular em pequenas vesículas via exoci tose Figura 148 e Tópico 142 na internet Conforme descrito anteriormente genes nas famílias CSL codificam glicosiltransferases para a síntese da estrutura básica de alguns polissacarídeos dessa matriz Resíduos adicionais de açúcares podem ser acrescentados como ramificações Membrana plasmática Complexo de Golgi CITOPLASMA Complexo de celulose sintase Vesículas secretoras Componentes da parede recémsintetizados Celulose Principais hemiceluloses Principais domínios de pectinas Xiloglucano Arabinoxilano Ramnogalacturonano I Ramnogalacturonano II Ligação de éster borato Homogalacturonano Arabinano Figura 148 Diagrama esquemático dos principais componentes estruturais da parede celular primária e sua provável disposição As microfibrilas de celulose bastões cinza são sintetizadas na super fície celular e parcialmente revestidas com hemiceluloses cordões azuis e purpúreos as quais podem separar as microfibrilas umas das outras As pectinas cordões vermelhos amarelos e verdes for mam uma matriz de entrelaçamento que controla o espaçamento das microfibrilas e a porosidade da parede As pectinas e as hemice luloses são sintetizadas no complexo de Golgi e transferidas para a parede via vesículas que se fundem com a membrana plasmática e desse modo depositam esses polímeros na superfície celular Para maior clareza a rede de hemicelulosecelulose está destacada à es querda e a rede de pectina está destacada à direita De Cosgrove 2005 Taiz14indd 387 Taiz14indd 387 27102016 150336 27102016 150336 388 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento à cadeia principal de polissacarídeos por outros conjuntos de glicosiltransferases provavelmente atuando de modo coordenado em complexos ligados à membrana Diferentemente da celulose que forma microfibrilas cristalinas os polissacarídeos da matriz são muito menos organizados e com frequência são descritos como amorfos Esse caráter não cristalino é uma consequência da estrutura desses polissacarídeos sua conformação ramificada e não linear Mesmo assim estudos usando várias técnicas físicas incluindo espectroscopia infravermelha e ressonância mag nética nuclear RMN indicam uma organização parcial de hemiceluloses e pectinas na parede celular provavelmente como resultado de uma tendência física desses polímeros a se tornarem alinhados ao longo do eixo da celulose Tal realinhamento das pectinas após elas serem depositadas na parede celular foi visualizado por microscopia confocal combinada com marcações metabólicas a uma molécula de fucose acoplada a um fluorocromo As pectinas são componentes formadores de gel hidrofílico na parede celular primária As pectinas compreendem o componente mais abundante da maior parte das paredes celulares primárias formando uma fase de gel hidratado onde celulose e hemiceluloses são incorporadas Elas atuam como material de preenchi mento hidrofílico que evita a agregação e o colapso da rede de celulose e também determinam a porosidade da parede celular a macromoléculas Elas são concentradas particu larmente na lamela média em especial nas zonas de jun ção tricelulares sendo importantes para a adesão celular A liberação de oligossacarídeos das pectinas durante um ataque fúngico aos tecidos vegetais induz uma resposta de defesa que limita a invasão de patógenos ver Capítulo 23 As pectinas constituem um grupo heterogêneo de po lissacarídeos caracteristicamente contendo ácidos galac turônicos e açúcares neutros como ramnose galactose e B Ramnogalacturonano I RG I Metil éster A Homogalacturonano HG C Arabinano D Arabinogalactano Tipo I HO HO OH OH H3CO OCH3 OCH3 C C O O O O O O H3CO C O HO HO HO OH OH OH O C O O O O C O O O O O O O O O O O O OH OH OH C HO CH3 O O O O O O O OH OH OCCH3 C HO CH3 O O O O O O OH OH OH C HO CH3 O O O O HO HO OH OH CH2OH O O OH CH2OH O O OH CH2OH O O HO OH CH2OH HOCH2 O O HO OH HOCH2 O O OH HO CH2 O O O OH OH OH OH HO HO HO HO CH2 CH2 CH2 CH2 O O O O O O O O OH HO CH2 O O Figura 149 Estruturas parciais das pectinas mais comuns A Homogalacturonano também conhecido como ácido poligalacturô nico ou ácido péctico é constituído de ligações 14αDácido galacturônico GalA Os resíduos de carboxila com frequência são metil esterificados B Ramnogalacturonano I RG I é um domínio péctico muito grande com uma cadeia principal alternando GalA e 12αDramnose Rha As cadeias laterais estão ligadas à ramnose e são compostas principalmente de arabinanos C galactanos e ara binogalactanos D Essas cadeias laterais podem ser curtas ou muito longas Os resíduos de ácido galacturônico frequentemente são metil esterificados De Carpita e McCann 2000 Taiz14indd 388 Taiz14indd 388 27102016 150336 27102016 150336 Capítulo 14 Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão 389 arabinose Esses diferentes polissacarídeos com frequência são covalentemente ligados uns aos outros formando gran des estruturas macromoleculares cerca de 106 Da Estudos de RMN indicam que as pectinas fazem contato com as su perfícies celulósicas na parede estudos consistentes mos traram que as cadeias laterais neutras de pectinas podem se ligar às superfícies de celulose embora mais fracamente do que fazem as hemiceluloses Os resultados em RMN tam bém indicam que as pectinas têm íntima associação com os xiloglucanos Há também evidências de ligações covalentes entre pectinas e hemiceluloses e um estudo recente iden tificou um complexo covalente contendo proteína arabino galactano pectina e xilano entretanto a extensão e o sig nificado dessa ligação cruzada na função da parede celular primária ainda são incertos Os três principais polissacarídeos pécticos algumas vezes denominados domínios pécticos são homogalactu ronano HG ramnogalacturonano I RG I e ramnogalac turonano II RG II Figura 149 O HG é uma cadeia linear de resíduos de 14αDácido glicurônico alguns dos quais são metil esterificados É a pectina mais abundante nas paredes primárias O RG I tem uma longa cadeia prin cipal de resíduos alternados de ramnoses e ácidos galac turônicos ele transporta longas cadeias laterais de arabina nos galactanos e o chamado arabinogalactano do tipo 1 conhecido coletivamente como polissacarídeo péctico neu tro O RG II o menos abundante desses domínios pécticos contém uma cadeia principal de HG dotada de cadeias late rais com pelo menos dez diferentes açúcares em um padrão complexo de ligações Embora RG I e RG II tenham nomes similares eles têm estruturas muito diferentes Tem sido proposto que na parede esses domínios pécticos são ligados covalentemente de ponta a ponta A Fi gura 1410 ilustra um esquema hipotético para as ligações de HG RG I e RG II Entretanto nem todos os polissaca rídeos pécticos são anexados a essas grandes estruturas Por exemplo a maioria dos arabinanos e galactanos não estava ligada a polissacarídeos ácidos nas paredes celulares Ramnogalacturonano I RG I Homogalacturonano HG Ramnogalacturonano II RG II Dapiose Lácido acérico Dgalactose Ddha Borato Grupo acetil Grupo metil Dxilose Lgalactose Larabinose Ácido galacturônico Ácido glicurônico Lramnose Kdo Lfucose A B Ligação iônica da rede de pectina por cálcio O O O C O O O OH OH OH OH OH HO O C O O O C C H3CO O O O O O O O O O C O O O Ca2 O O C O O O OH OH OH HO HO HO HO HO O C O O O Ca2 OH C O O O O C O HO HO HO O O O C O O O OH OH OH OH HO HO O C C O O O Ca2 O O O OCH3 OH C O O O O O C O HO HO HO Metil éster Figura 1410 A Modelo esquemático ilustrando o arranjo linear entre os vários domínios pécticos incluindo ramnogalactu ronano I RG I homogalacturonano HG e ramnogalacturonano II RG II A estrutura não é quantitativamente precisa HG deve ser cerca de dez vezes mais abundante e RG I cerca de duas vezes mais abundante Kdo 3DesóxiDmano2ácido octulosônico DDha dihidroxiacetona B A formação de uma rede de pectina envolve pontes iônicas dos grupos carboxila COO não esterificados por íons cálcio Quando bloqueados por grupos metil esterificados os grupos carboxila não podem participar desse tipo de formação de rede intercadeia Da mesma forma a presença de cadeias laterais na cadeia principal interfere na formação da rede A de Mohnen 2008 B de Carpita e McCann 2000 Taiz14indd 389 Taiz14indd 389 27102016 150336 27102016 150336 390 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento de caules em crescimento de ervilha HG foi solubilizado sem outros componentes pécticos das paredes celulares do milho por métodos não enzimáticos de ação moderada Ligações cruzadas adicionais de polissacarídeos pécti cos ocorrem via borato de diéster entre dois domínios de RG II Tal interligação é importante para a estrutura da pa rede e para a resistência mecânica dos tecidos Em alguns grupos de plantas como Amaranthaceae que inclui o espi nafre e a beterraba os arabinanos e os galactanos pécticos são esterificados com ácido felúrico o qual pode sofrer rea ções oxidativas para formar ligações cruzadas de diferulato Quando o HG é inicialmente sintetizado muitos gru pos carboxila ácidos são metil esterificados formando um polissacarídeo menos carregado A remoção de metil éste res na parede celular pelas enzimas pectinas metil esterases facilita a ligação cruzada iônica de HG e a formação do gel Desesterificação extensiva em blocos de HG restaura o gru po carboxila carregado e possibilita que íons cálcio formem pontes iônicas entre cadeias adjacentes resultando em um gel relativamente consistente A solubilização das pectinas por quelantes de cálcio é baseada na remoção dessas pontes de cálcio A formação de gel iônico pelo HG é importante para a adesão das células pela lamela média e torna a parede celular primária menos extensível A desesterificação de HG também tem um papel na iniciação do primórdio foliar no meristema apical caulinar e no crescimento do tubo políni co Pela criação livre de grupos carboxila a desesterificação também aumenta a densidade da carga elétrica na parede o que por sua vez pode influenciar a concentração de íons na parede as atividades de enzimas da parede e possivelmente a distribuição de moléculas de sinalização carregadas O HG é sintetizado no complexo de Golgi por uma glicosiltransferase denominada GAUT1 que transfere ácido galacturônico de um doador UDP para um recep tor HG GAUT1 é parte de um complexo proteico que é ancorado na face mais interna da membrana do complexo de Golgi por uma proteína relacionada porém enzimati camente inativa GAUT7 Acreditase que o complexo de Golgi contenha numerosas outras enzimas que participam da síntese de outros polissacarídeos de parede entretanto essas enzimas ainda não foram bem caracterizadas As hemiceluloses são polissacarídeos de matriz que se ligam à celulose As hemiceluloses constituem um grupo heterogêneo de polissacarídeos Figura 1411 que são firmemente ligados à parede Elas geralmente têm uma alta capacidade de se ligar à celulose in vitro e provavelmente desempenham um papel importante na montagem de microfibrilas de celulo se para formar uma parede celular coerente in vivo A hemicelulose dominante nas paredes celulares pri márias da maioria das plantas terrestres é o xiloglucano que consiste em um 14βDglucano ornamentado com resíduos de 16αDxilosil ver Figura 1411A A estru tura do xiloglucano mostra alguma variabilidade entre as espécies Na maioria das eudicotiledôneas 30 a 40 dos resíduos de xilose são anexados a um resíduo de galactose que por sua vez pode conter um resíduo de fucose ter minal Uma nomenclatura concisa tem sido desenvolvida para se referir ao padrão de ramificação de xiloglucano ver Figura 1411B por exemplo G é usado para um resí duo de glicose não substituído X significa que a glicose é substituída somente por xilose L é usado para uma cadeia lateral de xilosegalactose e F denota uma cadeia lateral de xilosegalactosefucose Os xiloglucanos têm uma subestrutura recorrente na qual um de cada quatro resíduos de glicose na cadeia principal é não substituído não contém uma cadeia late ral de açúcar A digestão de endoglucanase de xilogluca nos da maioria dos recursos de eudicotiledôneas produz três oligossacarídeos principais com quatro resíduos de glicose na cadeia principal designados XXXG XXFG e XLFG Por outro lado os xiloglucanos nas paredes celu lares de gramíneas são predominantemente constituídos de unidades repetidas de XXGG XXGGG e XXGGGG Plantas da família Solanaceae como o tomateiro utili zam um resíduo de arabinose no lugar de galactose o qual parece ser funcionalmente equivalente à mecânica da parede celular Glicosidases são capazes de remover açúcares da cadeia lateral resultando em xiloglucanos com baixo grau de substituição os quais se ligam mais firmemente à celulose Diferentemente da maioria das plantas terrestres a hemicelulose dominante nas paredes celulares primárias das gramíneas Poaceae é o arabinoxilano também co nhecido como glucuronoarabinoxilano ou GAX ver Figura 1411C Xiloglucanos e pectinas também estão presentes nas paredes celulares das gramíneas mas são muito menos abundantes GAX tem uma cadeia principal de 14βD xilano substituída com resíduos de 13αLarabinose cerca de 1 resíduo em 50 é substituído com 12αDácido glicurônico O grau de substituição de arabinose varia am plamente de mais de 80 a menos de 10 Diferentemente da maioria das hemiceluloses o GAX altamente substituído não é firmemente ligado à parede celular não se liga à celu lose in vitro e é rapidamente solubilizado da parede celular sob condições moderadas usadas para extração de pectinas Alguns dos resíduos de arabinose contêm grupos de ferula tos anexados por uma ligação de éster O acoplamento oxi dativo de grupos de ferulatos resulta em ligações cruzadas entre GAX tais interligações reduzem a digestibilidade das gramíneas ie para alimentação de vacas e ovelhas e po dem reduzir a extensibilidade da parede celular Ferulatos também funcionam como sítios de nucleação para polime rização de ligninas nas paredes de gramíneas Além do GAX as paredes celulares primárias das gramíneas também contêm 1314βglicano de ca deia mista Considerase que o glucano de cadeia mista se ligue firmemente à superfície da celulose reduzindo as interações celulosecelulose enquanto o GAX menos substituído possa ter uma função de ligação cruzada As paredes secundárias de tecidos lenhosos contêm pouco xiloglucano ou pectina em vez disso os polissaca rídeos da matriz são principalmente xilanos e glucoma Taiz14indd 390 Taiz14indd 390 27102016 150336 27102016 150336 Capítulo 14 Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão 391 HO HO HO HO OH OH OH O CH2OH CH2 O O O O O O HO HO OH O O HO HO HO HO OH OH OH O CH2 HO HO OH O O CH2 O O O O HO HO OH OH O HOCH2 CH2 O O O O HO OH O O O HO HO HO OH C O OH O O O O HO O O O HO O O O O OH O HO OH O O HO OH O OH HOCH2 OCH3 O HO OH OH OH HOCH2 O CH2 O C O 14βDGlc14βDGlc14βDGlc14βDGlc14βDGlc14βDGlc A Xiloglucano αDXyl16 αDXyl16 αDXyl16 αDXyl16 14βDXyl14βDXyl14βDXyl14βDXyl14βDXyl14βDXyl C Glucuronoarabinoxilano GAX D Glucomanano B Nomenclatura do xiloglucano αLAra13 αLAra13 αDGlcA12 αLAra13 Éster de ácido ferúlico G X X X G X X L G X X F G X L F G X X X G G G G X F F X L L L L X G G G G X X X G G G G X X X G G G HO HO OH OH O HOCH2 HOCH2 O O O HO HO OH OH O HOCH2 HOCH2 O O O HO HO HO OH OH O HOCH2 HOCH2 HOCH2 O O O HO HO OH OH OH OH O CH2 HOCH2 O O O O O HO OH O HOCH2 O O αDGal16 4βDGlc14βDGlc14βDGlc14βDGlc14βDMan14βDMan14βDMan14βDMan14βDMan1 O Figura 1411 Estruturas parciais das princi pais hemiceluloses Para detalhes da nomen clatura dos carboidratos ver Tópico 141 na internet A O xiloglucano tem uma cadeia principal de ligações 14βDglicose Glc com ramificações 16 contendo αDxilose Xil Em alguns casos galactose Gal e fucose Fuc são adicionadas às cadeias laterais de xilo se B Esquema da nomenclatura para cadeias laterais de xiloglucano G resíduo de glicose não substituído X glicose substituída somente com xilose L cadeia lateral de xilosegalactose F cadeia lateral de xilosegalactosefucose C Os glucuronoarabinoxilanos GAX têm uma cadeia principal com ligação 14βDxilose Xil com cadeias laterais de arabinose Ara e menos frequentemente com ácido glicurôni co GlcA ou resíduos de ácido 4Ometilgli curônico Nas gramíneas alguns dos resíduos de arabinose carregam ésteres de ácidos fe rúlicos D Os glucomananos têm uma cadeia principal consistindo em resíduos com ligações 14βDglicose Glc e manose Man com poucas cadeias laterais com ligações α16 galactose De Carpita e McCann 2000 nanos com baixo grau de substituição da cadeia lateral Essas hemiceluloses ligamse firmemente à celulose e re querem que um alcalino forte seja solubilizado da parede A maioria das hemiceluloses de paredes secundárias varia conforme a origem em paredes secundárias de eudicoti ledôneas a hemicelulose dominante é o glucuronoxilano Taiz14indd 391 Taiz14indd 391 27102016 150336 27102016 150336 392 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento com menores quantidades de glucomananos O glucuro noxilano é semelhante ao GAX ver Figura 1411C mas sem as cadeias laterais de arabinose e o ácido glicurôni co é substituído no 4Ometil O glucomanano tem uma cadeia principal consistindo em β14glicose e resíduos de manose com raras cadeias laterais de galactose ver Figura 1411D Em lenhos de gimnospermas a maioria das hemiceluloses é glucomanano com menores quanti dades de arabinoxilano substituído com resíduos de 4O metilglucoronil O GAX de baixo grau de substituição é a hemicelulose predominante nas paredes secundárias das gramíneas A baixa frequência de cadeias laterais nessas hemiceluloses possibilita que se liguem mais fortemente à celulose embalandose firmemente na parede celular Estrutura e função da parede celular primária No início de suas vidas as células vegetais formam uma parede celular flexível que é extensível e capaz de incorpo rar novo material estrutural assim como estender a parede A estrutura da parede em geral consiste em camadas finas feitas de microfibrilas de celulose longas incluídas em uma matriz hidratada de polissacarídeos não celulósicos e de uma pequena quantidade de proteínas não enzimáticas ver Figura 148 Tabela 141 Essa estrutura confere uma com binação ideal de flexibilidade e resistência à parede celular em crescimento que deve ser tanto extensível como rígida A parede celular primária é composta de microfibrilas de celulose incluídas em uma matriz de pectinas e hemiceluloses Pela massa seca as paredes celulares primárias em geral contêm cerca de 40 de pectinas 25 de celulose e 20 de hemicelulose com talvez 5 de proteínas e o restante composto de diversos outros materiais Entretanto gran des desvios desses valores típicos podem ser encontrados entre espécies As paredes de células de coleóptilos de gramíneas por exemplo consistem em 60 a 70 de he micelulose GAX 20 a 25 de celulose e apenas cerca de 10 de pectinas As paredes celulares do endosperma de cereais podem conter cerca de 2 de celulose com a he micelulose compondo a maior parte da parede As paredes celulares do parênquima do aipo e da beterraba contêm principalmente celulose e pectinas e apenas 4 de he micelulose A parede na extremidade de tubos polínicos parece ser constituída principalmente de pectina com pe quenas quantidades de celulose para reforçar a estrutura apical A composição da parede e as estruturas dos polis sacarídeos não são estáticas mas podem mudar durante o desenvolvimento como resultado de padrões alterados da síntese e pela ação de enzimas que podem retirar cadeias laterais e digerir pectinas e hemiceluloses Logo pode ser inadequado falar em paredes celulares primárias típicas uma vez que elas podem ser muito diversas O que as paredes primárias têm em comum é que elas são formadas por células em crescimento contêm uma matriz altamente hidratada entre as microfibrilas de celu lose e têm a capacidade de expandir em área de superfície pelo menos durante o crescimento celular Isso contrasta com as paredes secundárias que são agregadas mais den samente e têm um papel estrutural e de reforço incompa tível com a sua expansão A parede primária contém uma quantidade considerável de água cerca de 75 localizada principalmente na matriz O estado de hidratação da matriz é um determinante muito importante nas propriedades físicas da parede por exemplo a remoção da água torna a parede mais rígida e menos ex tensível e isso é um fator que contribui para a inibição do crescimento da planta pelo déficit hídrico A desidratação da parede celular também pode ser importante no fortaleci mento das paredes celulares durante a lignificação um pro cesso que conduz água para fora da parede celular e resulta em uma parede mais rígida que resiste ao ataque enzimático As novas paredes celulares primárias são construídas durante a citocinese e continuam sendo construídas durante o crescimento As paredes primárias originamse de novo durante os es tágios finais da divisão celular quando a placa celular recémformada separa as duas célulasfilhas e solidifica em uma parede estável que é capaz de suportar o estresse físico gerado pela pressão de turgor A placa celular formase quando as vesículas do Golgi e as cisternas do retículo endoplasmático se agregam na área mediana do fuso de uma célula em divisão Essa agregação é organizada pelo fragmoplasto uma reunião complexa de microtúbulos membranas e vesículas que se forma durante o final da anáfase ou o começo da telófase ver Capítulo 1 As membranas das vesículas fusionamse entre si e com a membrana plasmática lateral para formar a nova membrana plasmática que separa as célulasfilhas Os conteúdos das vesículas funcionam como precursores a partir dos quais a nova lamela média e a parede primária são montadas A vida de um polímero particular pode ser delinea da sendo assim resumida Síntese depósito construção modificação Em um dado momento os polímeros de parede podem aparecer em algum ou em todos esses estágios de formação A síntese e o depósito dos principais polímeros de parede já foram descritos As modificações podem alterar as intera ções entre os componentes da parede ou podem fazer parte dos processos de perda de polissacarídeos e desarranjo da parede Aqui será considerada a construção do polímero de parede em uma rede coesa mais tarde serão consideradas as modificações que afetam a expansão celular Após sua secreção no apoplasto os polímeros de pa rede precisam ser reunidos em uma estrutura coesa isto é os polímeros individuais devem alcançar o arranjo físico e as relações de ligação que são característicos da pare de primária em crescimento e que conferem a eles re sistência à tensão e extensibilidade Embora os detalhes da construção da parede não sejam completamente com Taiz14indd 392 Taiz14indd 392 27102016 150336 27102016 150336 Capítulo 14 Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão 393 preendidos a autoconstrução e a construção mediada por enzimas são fundamentais no processo AUTOCONSTRUÇÃO A autoconstrução é um conceito atrativo porque seu mecanismo é simples Muitos polissa carídeos possuem uma nítida tendência de se agregarem espontaneamente em estruturas organizadas A agregação pode tornar tecnicamente difícil a separação das hemicelu loses em seus polímeros componentes Em comparação as pectinas são mais solúveis e tendem a formar redes géis isotrópicas dispostas ao acaso dispersas A autoconstru ção pode não contar tudo porque quando as hemicelulo ses são unidas em celulose in vitro suas ligações são muito mais fracas que no caso de paredes celulares reais Essa discrepância sugere o envolvimento de outros processos necessários para tornar fortes as redes na parede CONSTRUÇÃO MEDIADA POR ENZIMAS Além da auto construção as enzimas podem facilitar a construção da pa rede Um participante fundamental da construção da parede mediada por enzimas é a xiloglucano endotransglicosilase XET Essa enzima que pertence à grande família de en zimas denominadas xiloglucanos endotransglicosilasehi drolase XTHs tem a capacidade de clivar a cadeia principal de um xiloglucano e juntar uma extremidade do xiloglucano cortado com a extremidade livre de um xiloglucano aceptor Figura 1412 Tal reação de transferência integra xiloglu canos recémsintetizados à parede celular potencialmente reforçandoa Transglicosilases com outras especificidades de substratos têm sido recentemente detectadas nas paredes celulares das plantas entretanto suas funções biológicas ainda não foram avaliadas Outras enzimas que podem auxiliar na construção da parede incluem glicosidases pectina metil esterase e dife rentes oxidases Algumas glicosidases removem as cadeias laterais das hemiceluloses aumentando a tendência de ade rência entre elas e a superfície das microfibrilas de celulose Como descrito na seção anterior a pectina metil esterase re move metil ésteres que bloqueiam os grupos ácidos de HG melhorando assim a capacidade do HG de formar uma rede de gel com pontes de Ca2 As oxidases como a peroxidase catalisam ligações cruzadas entre grupos fenólicos tirosina fenilalanina ácido ferúlico em proteínas pectinas e outros polímeros de parede Essa ligação cruzada oxidativa também é a base de formação da lignina que será discutida mais adiante no capítulo Mecanismos de expansão celular Durante o aumento da célula vegetal novos polímeros de parede são continuamente sintetizados e secretados ao mesmo tempo em que a parede preexistente se expan de A expansão da parede pode ser altamente localizada como no caso do crescimento apical ou mais dispersa sobre toda a sua superfície crescimento difuso Figura 1413 O crescimento apical é característico de pelos de raízes e tubos polínicos ele é intimamente relacionado ao citoesqueleto em especial microfilamentos de actina ver Ensaio 141 na internet A maioria das outras células no corpo da planta exibe o crescimento difuso relacionado às atividades dos microtúbulos e dos microfilamentos de actina Células como as fibras algumas esclereides e tri comas crescem segundo um padrão que é intermediário entre o crescimento difuso e o apical Xiloglucano endotransglicosilase XET Complexo xiloglucanoenzima Produto híbrido Xiloglucano doador Etapa 1 Etapa 2 Xiloglucano aceptor Grupo livre Figura 1412 Ação da xiloglucano endotransglicosilase XET clivando e unindo polímeros de xiloglucano em novas configura ções Etapa 1 A enzima cliva uma molécula de xiloglucano xilo glucano doador formando um complexo de longa vida em que o xiloglucano é ligado de forma covalente à enzima Etapa 2 A seguir a enzima transfere a cadeia de xiloglucano para a extremidade não reduzida de um segundo xiloglucano xiloglucano aceptor resul tando em um produto híbrido De Fry 2004 A Crescimento apical B Crescimento difuso Expansão celular Marcas sobre a superfície celular Figura 1413 A superfície celular expandese diferentemente durante os crescimentos apical e difuso A A expansão de uma célula em crescimento apical é restrita ao domo apical na extremi dade da célula Se forem colocadas marcas na superfície da célula e ela tiver possibilidade de continuar a crescer apenas as marcas que estavam inicialmente no domo apical se tornam afastadas Os pelos das raízes e os tubos polínicos são exemplos de células vegetais que exibem crescimento apical B Se as marcas forem dispostas sobre a superfície de uma célula em crescimento difuso a distância entre todas as marcas aumenta à medida que a célula cresce A maioria das células de plantas multicelulares apresenta crescimento difuso Taiz14indd 393 Taiz14indd 393 27102016 150336 27102016 150336 394 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Entretanto mesmo em células com crescimento difu so partes distintas da parede podem expandirse em dife rentes taxas ou direções Por exemplo em células corticais do caule as paredes da extremidade crescem muito menos que as laterais Essa diferença pode ser atribuída a variações estruturais ou enzimáticas em paredes específicas ou a va riações nos estresses sofridos por diferentes paredes Como consequência desse padrão desigual na expansão da pare de as células vegetais podem assumir formas irregulares A orientação das microfibrilas influencia a direção de células com crescimento difuso Durante o crescimento a parede celular frouxa é estendi da por forças físicas geradas da pressão de turgor da célula A pressão de turgor cria uma força dirigida para fora igual em todas as direções A direção do crescimento é determi nada em grande parte pela estrutura da parede celular es pecificamente pela orientação das microfibrilas de celulose Quando formadas primeiro no meristema as células são isodiamétricas isto é possuem diâmetros iguais em todas as direções Se a orientação das microfibrilas de ce lulose na parede celular primária é disposta aleatoriamente as células crescem isotropicamente igualmente em todas as direções expandindose radialmente para gerar uma esfera Figura 1414A Na maioria das paredes celulares das plan tas contudo as microfibrilas de celulose são alinhadas em uma direção preferencial resultando em um crescimento anisotrópico p ex no caule as células aumentam mais em comprimento do que em largura Nas paredes laterais de células em alongamento como as células do parênquima cortical e as células vasculares de caules e raízes ou de células entrenodais gigantes da alga verde filamentosa Nitella as microfibrilas de celulose são depositadas de maneira circunferencial transversalmente em ângulos retos em relação ao eixo longitudinal da célula O arranjo circunferencial das microfibrilas de celulose res tringe o crescimento em circunferência e promove o cresci mento em comprimento Figura 1414B O depósito da parede continua à medida que a célula se expande De acordo com a hipótese de crescimento em multirrede cada camada sucessiva de parede é estendida e fica mais fina à medida que a célula cresce de modo que seria esperado que as microfibrilas em camadas de parede celular mais velhas se tornem passivamente reorientadas na direção longitudinal à medida que as células se alongam As evidências da reorientação passiva têm sido relatadas para células em crescimento de raízes de Arabidopsis marcadas com fluorocromo que possibilita a observação dos feixes de microfibrilas de celulose por microscopia confocal Outras observações lançam dúvidas na universalidade do crescimento em multirrede Em um estudo para testar a capacidade das microfibrilas da parede celular de reorienta remse passivamente em resposta à tensão da parede seg mentos isolados da parede de hipocótilos em crescimento foram submetidos à lenta extensão sob condições que imi tassem um crescimento normal o efeito dessa extensão na orientação das microfibrilas de celulose na superfície inter na da parede foi examinado em microscopia eletrônica Ao permitir que a parede se estenda lentamente em 20 a 30 houve falha na alteração do ângulo transversal das micro fibrilas na superfície da parede interna sugerindo que as microfibrilas tenham se separado umas das outras de uma maneira coordenada Esses e outros resultados sugerem que a expansão da parede envolve um afrouxamento seletivo das junções que mantêm as microfibrilas unidas em vez de um afrouxamento generalizado da matriz Outros experimentos sugerem que as camadas mais ve lhas da parede celular ie a metade externa podem ser tão fragmentadas como resultado de seu alargamento que pouco podem contribuir para o controle do crescimento Por essa hipótese um quarto da parede interna domina o controle da expansão celular ver Tópico 143 na internet Até agora foi considerado apenas um único padrão de crescimento difuso Entretanto as chamadas células fun damentais pavement cells na epiderme de muitas folhas de eudicotiledôneas exibem uma situação mais complicada Essas células são altamente lobadas criando um padrão de encaixe que lembra peças de quebracabeça Figura 1415A e B Esse padrão de interdigitação na expansão da parede celular combina aspectos de crescimento difuso e crescimento apical e requer a ação de pequenas proteínas de ligação a GTP denominadas ROP tipo Rho de plan tas GTPases e de suas proteínas de ativação denominadas RICs proteína interativa com ROP contendo motivo CRIB Figura 1415C Essas proteínas organizam o citoesquele to microfilamentos de actina e microtúbulos de tubulina A Microfibrilas de celulose orientadas aleatoriamente B Microfibrilas de celulose dispostas transversalmente Figura 1414 A orientação de microfibrilas de celulose recém depositadas determina a direção da expansão celular A Se a pa rede celular for reforçada por microfibrilas de celulose orientadas aleatoriamente a célula irá expandirse igualmente em todas as direções formando uma esfera B Quando a maioria das microfi brilas do reforço tem a mesma orientação a expansão celular ocorre perpendicularmente à orientação dessas microfibrilas e é limitada na direção do reforço Nesse caso a orientação da microfibrila é transversal de modo que a expansão celular é longitudinal Taiz14indd 394 Taiz14indd 394 27102016 150337 27102016 150337 Capítulo 14 Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão 395 o qual transporta material e catalisadores para o controle local do crescimento da parede celular Como será descrito mais adiante o citoesqueleto tem um papel central na regu lação do crescimento da parede celular Os microtúbulos corticais influenciam a orientação de microfibrilas recémdepositadas As microfibrilas de celulose recémdepositadas geralmen te estão coalinhadas com microtúbulos dispostos no cito plasma próximos à membrana plasmática Figura 1416 Um exemplo notável ocorre nos elementos de vaso xilema onde bandas de microtúbulos corticais marcam os locais dos espessamentos da parede secundária e também os sí tios de localização de CESA Além disso uma ruptura ex perimental da organização de microtúbulos com drogas ou por defeitos genéticos muitas vezes provoca a desorganiza ção da estrutura e do crescimento da parede Por exemplo várias drogas ligamse à tubulina a subunidade proteica de microtúbulos fazendoos se despolimerizarem Quando raízes em crescimento são tratadas com drogas que des polarizam os microtúbulos como a orizalina a região de alongamento expandese lateralmente tornandose bulbo sa e semelhante a um tumor Figura 1417A e B Esse rom pimento no crescimento é devido à expansão isotrópica das células isto é elas aumentam como uma esfera em vez de se alongarem A destruição de microtúbulos nas células em A C B ROP24 RIC4 ROP24 RIC4 ROP24 RIC4 ROP24 RIC1 ROP24 RIC1 ROP24 RIC1 ROP24 RIC4 ROP24 RIC4 Microtúbulos Microfilamentos de actina F Lóbulo Estreita mento 30 μm 30 μm A B 5 μm Figura 1415 Crescimento celular por in terdigitação de células fundamentais da folha e sua regulação pelas ROP GTPases A Mi crografia ao microscópio eletrônico de var redura de células fundamentais pavement cells de uma folha de Arabidopsis Observe a aparência de quebracabeça B A imagem de células fundamentais em imunofluores cência mostra mais claramente os lobos e as reentrâncias formados por células interdigita das C Um modelo para explicar o papel de ROP GTPases e seus efetores RICs na mor fogênese foliar As ROP24 GTPases quando ativadas por RIC4 promovem a formação de microfilamentos de actina em regiões de crescimento de lobos quando ativadas por RIC1 elas promovem a formação de feixes de microtúbulos na região mais estreita de cada lobo Essas mudanças no citoesqueleto de certa forma atuam como sinais para orientar a direção do crescimento da parede A cor tesia de Daniel Szymanski B de Settleman 2005 cortesia de J Settleman C de Fu et al 2005 Figura 1416 A orientação de microtúbulos no citoplasma cortical reflete a orientação de microfibrilas de celulose recémdepositadas nas paredes de células que estão em alongamento A A disposição de microtúbulos pode ser revelada com anticorpos marcados para a tubulina proteína de microtúbulo sob fluorescência Nesse elemento traqueal em diferenciação de uma cultura de células em suspensão de Zinnia o padrão de microtúbulos verde reflete a orientação das microfibrilas de celulose na parede conforme mostrado pela mar cação com calcoflúor azul B O alinhamento de microfibrilas de celulose na parede celular pode às vezes ser observado em cortes preparados para microscopia eletrônica como nesta micrografia de um elemento de tubo crivado em desenvolvimento em uma raiz de Azolla uma pteridófita aquática O eixo longitudinal da raiz e o ele mento de tubo crivado dispõemse verticalmente Tanto as microfi brilas de parede setas de duas pontas como os microtúbulos corti cais setas de uma ponta são alinhados transversalmente A cortesia de Robert W Seagull B cortesia de A Hardham Taiz14indd 395 Taiz14indd 395 27102016 150337 27102016 150337 396 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento crescimento induzida por droga interfere no depósito trans versal de celulose As microfibrilas de celulose continuam a ser sintetizadas na ausência de microtúbulos mas elas são depositadas de maneira aleatória e como consequência as células expandemse igualmente em todas as direções Essas e outras observações têm levado à sugestão de que os microtúbulos servem como caminhos que guiam ou direcionam o movimento de complexos CESA à medida que sintetizam microfibrilas ver Ensaio 142 na internet O movimento de CESA em células vivas foi visualizado pela expressão da fusão de CESA com um marcador fluores cente de proteína As unidades de CESA foram observadas movendose dentro da membrana plasmática ao longo dos microtúbulos Figura 1417C elas também foram observa das sendo inseridas à membrana plasmática oriundas do complexo de Golgi em compartimentos de microtúbulos unidos Um ligante molecular entre CESA e microtúbulos foi identificado recentemente como CSI1 proteína interati va CESA 1 de CESA interactive protein 1 fornecendo uma relação entre o citoesqueleto e a orientação da celulose Es ses resultados obtidos por microscopia confocal e genética revelam novos detalhes de como o citoesqueleto direciona a organização da parede celular A extensão e a taxa do crescimento celular As células vegetais em geral expandemse de dez a mil ve zes em volume antes de alcançar a maturidade Em casos extremos as células podem aumentar mais que dez mil vezes em volume comparadas com suas iniciais meriste máticas p ex elementos de vaso A parede celular experi menta essa expansão profunda sem perder sua integridade mecânica e sem tornarse mais delgada Logo os políme ros recémsintetizados são integrados dentro da parede sem desestabilizála Não se sabe exatamente como essa integração é realizada embora a autoconstrução e a XET 5 μm A B Controle sem tratamento com droga Controle sem tratamento com droga C 1 μM de orizalina 1 μM de orizalina Figura 1417 O rompimento de microtúbulos corticais provoca um aumento drástico na expan são celular radial e um concomitante decréscimo no alongamento A Raiz de plântula de Ara bidopsis tratada com 1 μM de orizalina droga despolimerizadora de microtúbulos por dois dias antes de ser feita esta fotomicrografia A droga alterou a polaridade do crescimento B Os mi crotúbulos foram visualizados por meio de uma técnica de imunofluorescência indireta e um an ticorpo antitubulina Enquanto os microtúbulos corticais no controle estão orientados em ângu los retos em relação à direção do alongamento celular pouquíssimos microtúbulos permanecem em raízes tratadas com 1 M de orizalina C Imagens de proteína CESA painel da esquerda e de microtúbulos painel central marcados por fluorocromos indicam que os microtúbulos orientam as trajetórias de movimento de CESA na membrana plasmática guiando assim a orientação das microfibrilas de celulose O painel da direita mostra a sobreposição das duas ima gens A e B de Baskin et al 1994 cortesia de T Baskin C de Gutierrez et al 2009 Taiz14indd 396 Taiz14indd 396 27102016 150337 27102016 150337 Capítulo 14 Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão 397 tenham provavelmente funções importantes conforme descrito no início deste capítulo Esse processo de integração pode ser particularmen te importante para pelos que crescem de maneira rápida em raízes tubos polínicos e outras células especializadas que exibem crescimento apical Nesses locais a região de depósito da parede e expansão superficial é localizada no domo hemisférico no ápice da célula tubular e onde a ex pansão celular e o depósito da parede devem estar rigoro samente coordenados Em células que se desenvolvem rapidamente com crescimento apical a parede duplica sua área de superfície e em minutos é deslocada para a parte da célula que não está se expandindo Tratase de uma taxa de expansão da parede muito maior que a normalmente encontrada em células com crescimento difuso onde as taxas de cresci mento são de cerca de 1 a 10 por hora Em função dessas taxas de expansão rápidas as células com crescimento api cal são altamente suscetíveis ao adelgaçamento e ao rom pimento da parede Modelos mecânicos e citológicos do crescimento apical do tubo polínico dão uma ideia sobre como a expansão e a adição dos componentes de parede necessitam ser coordenadas para um crescimento apical estável Embora os crescimentos difuso e apical pareçam ter mecanismos distintos ambos os tipos de expansão de parede devem ter processos análogos se não idênticos de integração de polímeros relaxamento do estresse da pare de e movimentos sutis dos polímeros de parede Muitos fatores influenciam a taxa de expansão da pa rede celular O tipo e a idade da célula são importantes fatores de desenvolvimento Portanto há também hormô nios como a auxina e a giberelina As condições ambien tais como a luz e a disponibilidade de água podem da mesma forma modular a expansão celular Esses fatores internos e externos provavelmente modificam a expansão celular mediante alteração da maneira como a parede é afrouxada de modo que ela amolece estendese irrever sivelmente de maneira diferente Nesse contexto falamos em propriedades de amolecimento da parede celular O relaxamento do estresse da parede celular dirige a captação de água e a expansão da célula Como a parede celular é a maior barreira mecânica que limita a expansão celular tem sido dada muita atenção às suas propriedades físicas Como um material polimérico hi dratado a parede celular vegetal tem propriedades físicas que são intermediárias entre aquelas de um sólido e as de um líquido São as propriedades viscoelásticas ou reoló gicas de fluxo As paredes das células que estão em cres cimento em geral são menos rígidas que as das células ma duras e sob condições adequadas exibem a longo prazo um alongamento irreversível ou amolecimento ausente ou quase ausente em células maduras O relaxamento do estresse é um conceito decisivo para se compreender como as paredes celulares se ex pandem O termo estresse é utilizado aqui no sentido mecânico como força por unidade de área Os estresses da parede surgem como uma consequência inevitável do turgor celular A pressão de turgor de células vegetais em crescimento em geral situase entre 03 e 10 megapascal MPa A pressão de turgor estende a parede celular e gera nela um estresse físico ou uma tensão de contrabalanço Devido à geometria da célula um grande volume pres surizado contido por uma parede delgada essa tensão de parede é estimada em 10 a 100 MPa de estresse tênsil sem dúvida um estresse muito grande Esse simples fato tem consequências importantes para a mecânica do aumento celular Enquanto as células ani mais podem mudar a forma em resposta a forças geradas pelo citoesqueleto essas forças são desprezíveis quando comparadas àquelas produzidas pelo turgor que são con trabalançadas pela parede celular vegetal Portanto para alterar a forma as células vegetais precisam controlar a direção e a taxa de expansão da parede o que elas reali zam pelo depósito de celulose em uma orientação oblíqua isso determina a direção da expansão da parede e pelo afrouxamento seletivo das ligações entre microfibrilas Esse afrouxamento bioquímico possibilita o movimento ou o deslizamento das microfibrilas de celulose e de seus polissacarídeos da matriz associados aumentando desse modo a área de superfície da parede Ao mesmo tempo esse afrouxamento reduz o estresse físico na parede O relaxamento do estresse da parede é crucial pois permite às células vegetais em crescimento a redução de seu turgor e de potenciais hídricos o que as capacita a absorver água e a se expandir Sem relaxamento do es tresse a síntese da parede apenas a espessaria mas não a expandiria na verdade o depósito e a expansão da parede não estão intimamente ligados em muitos casos Durante o depósito da parede secundária em células que não estão crescendo não ocorre o relaxamento do estresse e con sequentemente o depósito de polissacarídeos resulta em uma parede celular espessada Quando as células vegetais passam por crescimento em expansão o incremento de volume é gerado principal mente por captação de água Essa água é destinada prin cipalmente ao vacúolo que ocupa uma proporção cada vez maior no volume da célula à medida que ela se expan de O Ensaio 143 na internet descreve como as células em crescimento regulam a captação de água e como essa captação é coordenada com o amolecimento da parede O crescimento induzido por acidez e o relaxamento do estresse da parede são mediados por expansinas Uma característica comum de paredes celulares em cresci mento é sua extensão muito mais rápida em pH ácido do que em pH neutro Esse fenômeno é denominado crescimento ácido Em células vivas o crescimento ácido fica evidente quando as células em crescimento são tratadas com tampões ácidos ou com a droga fusicoccina que induz a acidificação da solução da parede celular por meio da ativação de uma HATPase bomba de H na membrana plasmática Taiz14indd 397 Taiz14indd 397 27102016 150338 27102016 150338 398 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Um exemplo de crescimento induzido por acidez pode ser encontrado na iniciação do pelo da raiz em que o pH da parede local cai para um valor de 45 no momento em que a célula epidérmica começa a crescer para fora O crescimen to induzido por auxina também é associado à acidificação da parede mas provavelmente não é suficiente para expli car toda a indução do crescimento por esse hormônio ver Capítulo 19 outros processos de afrouxamento da parede podem também estar envolvidos Contudo esse mecanis mo de extensão da parede dependente do pH parece ser um processo conservado evolutivamente comum a todas as plantas terrestres e está envolvido em uma diversidade de processos de crescimento O crescimento ácido pode ser observado também em paredes celulares isoladas que carecem de processos ce lulares metabólicos e sintéticos normais Tal observação implica no uso de um extensômetro para submeter a pa rede à tensão e para medir a longo prazo a extensão ou o deslizamento da parede Figura 1418 O termo deslizamento referese a uma extensão irre versível dependente do tempo normalmente como resultado do escorregamento relativo de polímeros de parede Quando as paredes em crescimento são incubadas em tampão neu tro pH 7 e presas em um extensômetro elas se estendem brevemente quando a tensão é aplicada mas a extensão logo cessa Quando transferida para um tampão ácido pH 5 ou menor a parede começa a estenderse rapidamente e em algumas ocasiões continua por muitas horas Esse deslizamento induzido por acidez é característi co de paredes de células em crescimento mas não é ob servado nas paredes maduras que não estão em cresci mento Quando prétratadas com aquecimento proteases ou outros agentes que desnaturam proteínas as paredes perdem sua capacidade de crescimento ácido Esses resul tados indicam que o crescimento ácido não é devido sim plesmente às características físicoquímicas da parede p ex um enfraquecimento do gel de pectina mas catalisa do por uma ou mais proteínas de parede A ideia de que proteínas são necessárias para o cresci mento ácido foi confirmada em experimentos por recons tituição Nesses experimentos paredes inativadas pelo calor foram restauradas respondendo quase totalmente ao crescimento ácido pela adição de proteínas extraídas de paredes em crescimento Figura 1419 Os componentes ativos provaram ser um grupo de proteínas denominadas expansinas As expansinas catalisam a extensão depen dente de pH e o relaxamento do estresse das paredes ce Congelar descongelar raspar Transfor mador eletrônico mede a extensão Solução que pode se tornar ácida Corte Força constante 100 200 0 30 60 90 Tempo min Caule congeladodescongelado Comprimento Tampão de pH 45 Tampão de pH 7 Tampão de pH 7 Inativar com calor Plântula de pepino estiolada Transformador eletrônico mede a extensão Parede Excisar a região em crescimento Homogeneizar coletar e lavar as paredes extrair as paredes para solubilizar a proteína expansina Aplicar proteína à parede Congelar descongelar raspar Força constante A B 10 20 0 30 60 90 Tempo min Caule inativado pelo calor Comprimento Adição de expansina Controle Tampão de pH 45 Figura 1418 Extensão de paredes celulares isoladas indu zida por acidez e medida em um extensômetro A amostra de parede de células mortas é presa e colocada sob tensão em um extensômetro que mede o comprimento com um transformador eletrônico ligado a um grampo Quando a solução que circunda a parede é substituída por um tampão ácido p ex pH 45 a parede estendese irreversivelmente de uma maneira dependen te do tempo ela desliza De Durachko e Cosgrove 2009 Figura 1419 Esquema para a reconstituição da extensibilidade de paredes celulares isoladas A As paredes celulares são prepara das conforme a Figura 1418 e brevemente aquecidas para inativar a resposta endógena de extensão ácida Para recuperar essa resposta as proteínas são extraídas de paredes em crescimento e adicionadas à solução que circunda a parede B A adição de proteínas con tendo expansinas recupera as propriedades de extensão ácida da parede Segundo Cosgrove 1997 Taiz14indd 398 Taiz14indd 398 27102016 150338 27102016 150338 Capítulo 14 Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão 399 lulares Elas são eficazes em quantidades catalíticas cerca de 1 parte da parede para 5000 por peso seco mas não exibem atividade lítica ou outras atividades enzimáticas Com o sequenciamento completo do genoma de vá rias plantas sabese agora que as expansinas pertencem a uma grande superfamília de proteínas divididas em duas grandes famílias de expansinas αexpansinas EXPAs e βexpansinas EXPBs e mais duas famílias menores de função desconhecida Nos estudos de extensão em pare des celulares isoladas as EXPAs são mais ativas nas pare des celulares de eudicotiledôneas enquanto as EXPBs são mais ativas nas paredes de gramíneas Evidências atuais indicam que as EXPAs afrouxam as junções celulosecelu lose contendo xiloglucanos ao passo que as EXPBs afrou xam complexos da parede contendo GAX As expansinas também foram descobertas em um pequeno grupo de bactérias e fungos onde facilitam a colonização dos tecidos vegetais As análises evolutivas indicam que as expansinas bacterianas se originaram provavelmente de uma ou mais transferências de genes horizontais de uma planta para uma bactéria Essas trans ferências são seguidas por uma transferência adicional de genes horizontais entre várias espécies de bactérias que colonizam o sistema vascular das plantas A base molecular da ação da expansina sobre a reologia da parede ainda é incerta mas a maioria das evidências in dica que as expansinas causam deslizamento da parede pelo afrouxamento da adesão não covalente entre seus polissa carídeos Estudos da estrutura e da ligação de proteínas su gerem que as expansinas atuam em sítios na parede celular onde as microfibrilas de celulose são unidas umas às outras Os modelos da parede celular são hipóteses sobre como os componentes moleculares se encaixam para formar uma parede funcional Para entender como as células vegetais crescem é essen cial compreender como os polímeros da parede celular es tão ligados para produzir uma estrutura com resistência à tração suficiente para resistir à pressão de turgor Ao mes mo tempo essa estrutura deve ser suficientemente flexível para permitir a expansão irreversível da malha da parede e a incorporação de novos polímeros para reforçar a parede O modelo molecular mais antigo da arquitetura da parede celular primária foi imaginado como um com plexo covalentemente ligado de xiloglucanos pectinas e proteínas não covalentemente ligados às microfibrilas de celulose Esse modelo foi mais tarde substituído por um conceito alternativo em que os xiloglucanos revestiam to talmente as superfícies das microfibrilas de celulose Es ses xiloglucanos ligavam diretamente as microfibrilas em uma rede de suporte de carga com pectinas e glicopro teínas formando uma matriz de interpenetração indepen dente Figura 1420A Sérias dúvidas acerca desse modelo de rede entre laçada surgiram nos últimos anos A ideia de que xilo glucanos cobrem a maioria das superfícies de celulose tem sido enfraquecida pelos dados de RMN indicando que somente cerca de 10 das superfícies de microfibrilas de celulose são revestidos por xiloglucanos e que as pectinas têm contato direto com as superfícies de celulose Mutan tes de Arabidopsis thaliana foram gerados completamente carentes de xiloglucanos apresentando fenótipo com um crescimento relativamente menor de fato um resulta do surpreendente demonstrando que o xiloglucano não é essencial para ao menos alguns aspectos da estrutura e da função da parede celular primária Esses resultados demonstram que as plantas são extremamente adaptativas com relação às suas composições de parede Análises bioquímicas das paredes celulares digeridas com endoglucanases substratoespecíficas mostram que grande parte dos xiloglucanos não contribui à mecânica A B C Microfibrila Sítio preferencial biomecânico Xiloglucano Figura 1420 Conceitos alternativos da função estrutural do xiloglucano A O modelo de rede entrelaçada propõe que os xilo glucanos se ligam extensivamente às superfícies de celulose e for mam pontes cruzadas que unem firmemente as microfibrilas B O modelo biomecânico de sítios preferenciais hot spots propõe que grande parte do xiloglucano não seja de suporte de carga e que a extensão e a mecânica da parede sejam controladas em regiões limitadas onde as microfibrilas de celulose têm contato próximo au xiliadas por xiloglucanos aprisionados C Simulação computacional de duas microfibrilas de celulose azul e verde mostradas em corte transversal unidas por uma cadeia de xiloglucano vermelho B de Park e Cosgrove 2012 C de Zhao et al 2013 Taiz14indd 399 Taiz14indd 399 27102016 150338 27102016 150338 400 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento da parede e que a celulose não está diretamente ligada aos extensos cordões de xiloglucanos Em vez disso os resultados sugerem que o componente quantitativamente menor de xiloglucano se entrelaça com celulose forman do junções estruturalmente importantes que controlam o deslizamento e a extensibilidade mecânica Além disso as expansinas têm sido encontradas marcando um sítio com propriedades similares isto é sítios contendo xiloglucano e celulose com estrutura cristalina alternada Desses estudos um novo conceito está emergindo acerca da arquitetura funcional das paredes celulares em crescimento Esse conceito revisado postula uma rede em microescala contendo sítios preferenciais hot spots biomecânicos que são junções limitadas de feixes de mi crofibrilas de celulose em que a extensibilidade e a mecâ nica da parede são controladas Figura 1420B e C Em apoio a essa ideia um modelo computacional mostra que uma monocamada de xiloglucano encaixada entre micro fibrilas de celulose poderia proporcionar considerável re sistência mecânica às paredes celulares Esse modelo de sítios preferenciais como os modelos anteriores a ele deve ser considerado uma hipótese necessitando de mais testes validação e revisão Muitas mudanças estruturais acompanham o cessar da expansão da parede A interrupção do crescimento que ocorre durante a ma turação da célula em geral é irreversível e costuma ser acompanhada por uma redução da extensibilidade da parede medida por métodos biofísicos diversos Essas mudanças físicas na parede podem acontecer por a uma redução nos processos de afrouxamento da parede b um aumento de ligações cruzadas de parede ou c uma alteração na composição da parede contribuindo para uma estrutura mais rígida ou menos suscetível ao afrou xamento Para cada uma dessas ideias existe alguma evi dência Várias modificações da parede em maturação podem contribuir para tornála rígida Os polissacarídeos da matriz recémsecretados podem ter a estrutura alterada de modo a formar complexos mais firmes com celulose ou outros polímeros de pare de ou eles podem ser resistentes a atividades de afrou xamento da parede A remoção de 1314βDglucano em paredes ce lulares de gramíneas coincide com a cessação do cresci mento nessas paredes e pode causar sua rigidez A desesterificação das pectinas formando géis pécticos mais rígidos é associada de maneira semelhante à ces sação do crescimento em gramíneas e eudicotiledôneas A ligação cruzada de grupos fenólicos na parede como resíduos de tirosina em HRGPs resíduos de ácido ferúlico fixados à matriz de polissacarídeos e ligninas em geral coincide com a maturação da pare de e acreditase que seja mediada por peroxidase uma enzima putativa na rigidez da parede Portanto muitas mudanças estruturais da parede ocorrem durante e após a cessação do crescimento Ainda não é possível identificar o significado de processos indi viduais para o término da expansão da parede Estrutura e função da parede celular secundária A parede celular secundária PCS é uma estrutura hie rárquica formada dentro da parede celular primária após esta ter cessado a sua expansão Figura 1421A e B As PCSs mais estudadas são aquelas altamente lignificadas e mortas na maturidade como traqueídes elementos de vaso e fibras em tecidos lenhosos contudo outros exem plos notáveis incluem fibras do floema e interfasciculares células pétreas e células epidérmicas como as fibras do al godão que não são lignificadas As PCSs geralmente têm um papel estrutural de re forço Em comparação com as paredes celulares primárias que podem se estender de forma dinâmica incorporar no vos materiais e resistir à força de tração gerada pelo turgor celular as PCSs são concebidas estruturalmente para re sistir às forças de compressão e de tração geradas pela gra vidade pelas forças externas que causam a flexão do órgão e pelas pressões hidrostáticas negativas surgidas durante a transpiração Uma consequência marcante de defeitos na síntese da celulose em PCS é o colapso dos elemen tos de vaso xilema As propriedades mecânicas das PCSs são estáveis resistindo mesmo após a morte celular e são determinadas pela arquitetura da parede e pelas intera ções físicas entre os polímeros da parede celular Embora a estrutura e a função da PCS difiram daquelas das paredes celulares primárias mais dinâmicas as duas provavelmen te compartilham alguns princípios de formação Como mencionado anteriormente a celulose da PCS em tecidos lenhosos é sintetizada por um grupo de três CESAs diferentes dos três CESAs utilizados pela celulose da parede celular primária Até o momento a significância desse fato para a estrutura da celulose não está clara mas possivelmente tem um impacto no funcionamento do com plexo celulosesintase separadamente ou em agrupamentos para formar as microfibrilas Outra distinção importante das PCSs é que suas hemiceluloses têm cadeias principais de xilano e gluco mananos com grau baixo de substituição poucas cadeias laterais ao passo que as hemiceluloses das paredes celulares primárias são altamente substituídas Essa diferença tem um impacto importante nas propriedades das hemiceluloses como conformação solubilidade e ligações à celulose e provavelmente tem um efeito substancial na or ganização das microfibrilas de celulose na parede celular As paredes celulares secundárias são ricas em celulose e hemicelulose e muitas vezes têm uma organização hierárquica As PCSs mais estudadas consistem em camadas concêntri cas formadas sequencialmente denominadas S1 S2 S3 e Taiz14indd 400 Taiz14indd 400 27102016 150338 27102016 150338 Capítulo 14 Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão 401 assim por diante porém o número de camadas varia confor me o tipo celular ver Figura 1421B As PCSs com duas ou três camadas são comuns no lenho e nas fibras A orientação da celulose é diferente para cada camada com a primeira camada depositada S1 orientada em uma hélice pouco pro funda quase transversal ao passo que a celulose na camada mais espessa S2 é orientada mais longitudinalmente FORMAÇÃO ESTRUTURA E ADESÃO DA MACROFI BRILA As lamelas da PCS contêm microfibrilas de ce lulose altamente alinhadas as quais são agrupadas em macrofibrilas compactadas que por sua vez alinhamse umas com as outras e são separadas por hemiceluloses e ligninas Figura 1421C Embora os modelos moleculares tenham sido o foco dos estudos das paredes celulares pri márias por mais de 40 anos as representações molecula res das PCSs só recentemente foram formuladas e passa ram apenas por poucos testes e refinamento Um modelo de Terashima e colaboradores Figura 1421D ilustra al guns conceitos básicos da construção de macrofibrilas em nanoescala mas os detalhes do modelo são hipotéticos sendo propostas relações alternativas entre celulose he micelulose e ligninas O conceito de macrofibrila como um agregado de nu merosas microfibrilas individuais é baseado na microsco pia eletrônica de alta resolução de paredes celulares des lignificadas e parcialmente desconstruídas A aparência das macrofibrilas na parede sugere que sua formação seja B D S3 S2 S1 S1 S2 S3 Parede secundária Parede primária Lamela média Feixe de MFC Manano Xilano Cadeia de lignina MFC isolada A C 200 nm 12 3 nm 34 nm Figura 1421 A Corte transversal de uma esclereide de Podo carpus em que são visíveis camadas múltiplas na parede secundária B Diagrama da organização da parede celular frequentemente en contrada em traqueídes e em outras células com paredes secundárias espessas Três camadas distintas S1 S2 e S3 são formadas interna mente à parede primária C Macrofibrilas visíveis na superfície inter na de uma parede celular de traqueíde em Ginko conforme obser vado em microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo D Um modelo da estrutura e da compactação de uma macrofibri la Aqui a macrofibrila é apresentada como uma matriz de três por quatro de microfibrilas de celulose MFCs elementares as quais são compactadas e revestidas com glucomananos Uma camada de lig ninaxilano está ligandose às microfibrilas A David Webb C de Terashima et al 2004 D de Terashima et al 2009 Taiz14indd 401 Taiz14indd 401 27102016 150338 27102016 150338 402 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento B A Monolignóis Álcool pcumaril Unidades phidroxifenol H Álcool coniferil Unidades guaiacil G Álcool sinapil Unidades siringil S βO4 βéter β5 fenilcumarano ββ resinol SO4 difenil éter Grupo terminal álcool cinamil Siringil Guaiacil HO OH HO H3CO OH HO OH H3CO OCH3 OH OH OH OMe MeO MeO S G MeO HO HO O OMe OMe MeO OH S S HO HO O O OH OH OMe OMe OMe OMe OMe OMe OMe OMe OMe OMe OMe G S O O O MeO MeO MeO MeO MeO MeO MeO S O O O O O O O O O O O O O HO G G G G OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH HO HO HO HO HO HO HO HO HO S G S G OMe OMe OMe MeO O OH OH OH HO S OMe S G G S S G Figura 1422 A Os monolignóis que se tornam as unidades H G e S do polímero de lignina diferem no número de substi tuintes metóxi no anel fenólico B Modelo atual da estrutura da lignina do álamo composto de unidades de monolignóis S e G interligadas por radicais livres gerados por peroxidase e lacase Observe que este é 1 de bilhões de isômeros possíveis B de Ralph et al 2007 bem organizada e comece nos primeiros estágios de for mação das microfibrilas de celulose Uma possibilidade é que os agrupamentos dos complexos de síntese da celulo se um para cada microfibrila elementar produzam mi crofibrilas que se alinham coordenadamente e coalescem imediatamente para formar uma macrofibrila com intera ção de hemicelulose ocorrendo posteriormente Esse pro cesso pode ser mediado por proteínas auxiliares Embora ainda não tenham sido identificados candidatos específi cos proteínas das famílias COBRA e KORRIGAN podem estar envolvidas pois seus fenótipos mutantes incluem uma organização reduzida na parede celular O modelo apresentado na Figura 1421D indica um arranjo estruturado dos polímeros da matriz com gluco mananos revestindo a superfície da macrofibrila xilanos posicionados na camada seguinte e ligninas ligando xila nos e preenchendo o espaço entre as macrofibrilas Outros autores sugerem que a lignina é intercalada e entrelaçada entre cadeias de hemicelulose Os detalhes da estrutura da macrofibrila podem diferir para as espécies com composi ção diferente de hemicelulose Estudos físicos e computacionais indicam que as ma crofibrilas são impedidas de se fusionar em um único cris tal de celulose maciço pela água presa entre as microfibrilas constituintes O desalinhamento e a torção de microfibri las individuais também ajudam a impedir tal cristalização Em outro estudo foi observado que o diâmetro da macro fibrila varia de acordo com o tipo de célula e lamela corre lacionando com o conteúdo da lignina entretanto nada é conhecido sobre os controles subjacentes a esse processo A lignificação transforma a parede celular secundária em uma estrutura hidrofóbica resistente à desconstrução As PCSs muitas vezes são lignificadas um processo que começa logo após a sua formação e pode mesmo continuar após a morte celular evidentemente em alguns tipos celu Taiz14indd 402 Taiz14indd 402 27102016 150338 27102016 150338 Capítulo 14 Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão 403 lares pelas contribuições metabólicas de célu las vivas vizinhas Em sua maioria os blocos de construção das ligninas denominados mono lignóis são alcoóis sinapil e coniferil com me nores quantidades de álcool pcumaril Figura 1422A Os monolignóis são sintetizados na célula a partir da fenilalanina por meio da rota fenilpropanoide ver Apêndice 4 na internet Os monolignóis são exportados através da membrana plasmática possivelmente pe los transportadores ABC para a parede celu lar onde sofrem acoplamento oxidativo re sultando em unidades de ligninas siringil S guaiacil G e phidroxifenil H A unidade S é não ramificada ao passo que as unidades G e H são capazes de formar estruturas rami ficadas Na maioria das espécies a lignina é uma mistura de todas as três unidades po rém isso pode variar espacialmente e no de senvolvimento bem como entre as espécies A lignina de angiospermas é composta prin cipalmente de unidades G e S ao passo que a lignina de gimnospermas contém principal mente unidades G As gramíneas têm níveis ligeiramente elevados de unidades H Estudos recentes mostram que a polimerização de lig nina é muito flexível e pode incorporar uma diversidade de subunidades fenólicas A formação da lignina envolve o aco plamento oxidativo mediado por radicais de monolignóis na parede catalisado por pero xidases e lacases para formar um polímero aleatoriamente combinável Figura 1422B Uma grande quantidade de trabalhos tem ca racterizado a estrutura da lignina a rota de biossíntese dos monolignóis e as estratégias para modificação dessa rota para manipular a lignificação Em tecidos lenhosos a polimerização de ligninas geralmente começa nos vértices da célula na parede celular primária incluindo a lamela média e então se estende progressi vamente para a lamela da PCS A base para esse padrão de lignificação não é bem com preendida mas em geral especulase que os sítios de nucleação encontramse na lamela média rica em pectina onde a lignificação co meça e que as características físicas da matriz da parede podem influenciar na polimeriza ção à base de radicais monolignóis e ter liga ção cruzada com polissacarídeos de parede Um caso especial de lignificação ocorre em uma região estreita na parede da endo derme da raiz denominada estria de Cas pary que forma uma barreira hidrofóbica entre o estelo e o córtex Por muitos anos Citoplasma Domínio de membrana da estria de Caspary Parede celular Membrana plasmática A B C Estria de Caspary CASP1 NADPHoxidase ESB1 Peroxidase Monolignol Transportador de monolignol Lignina Figura 1423 Representação esquemática do depósito da estria de Caspary A CASPs são distribuídas inicialmente de maneira uniforme ao redor da mem brana plasmática porém logo se agregam no domínio central designado como domínio de membrana da estria de Caspary CSD B NADPHoxidase e pero xidase são requisitadas para o CSD e os monolignóis são exportados em um processo não direcionado ao apoplasto C A polimerização de lignina ocorre exclusivamente na parede celular adjacente ao CSD porque as enzimas estão localizadas nesse local De Roppolo e Geldner 2012 Taiz14indd 403 Taiz14indd 403 27102016 150338 27102016 150338 404 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento acreditavase que a estria de Caspary fosse composta de suberina porém avanços recentes têm mostrado que ela contém lignina que é polimerizada em uma parte res trita da parede celular Os fatoreschave que controlam sua síntese abrangem a proteína CASP1 que organiza as proteínas de membrana na estria de Caspary uma NADPHoxidase que gera peróxido de hidrogênio e uma peroxidase que gera os radicais monolignóis inter mediários Figura 1423 Além disso a proteína Suberi na Reforçada 1 ESB1 Enhanced Suberin 1 da parede é essencial para a lignificação propriamente dita nessa estreita região da parede celular A ESB1 é um membro da classe de proteínas conhecidas como proteínas diri gentes de domínio do latim dirigere direcionar que podem guiar a estereoquímica de um composto sinteti zado por outras enzimas A função exata da ESB1 não é clara mas ela pode construir um núcleo de formação da lignina especificamente na estria de Caspary da parede celular da endoderme Embora a lignificação seja associada ao fortaleci mento da parede não é clara a base física para esse efei to Admitiuse anteriormente que a lignina formasse uma macromolécula volumosa que interpenetrava e tinha liga ção cruzada na parede entretanto os resultados mais re centes indicam que a lignina nativa ou protolignina é menor do que se acreditava Notavelmente a lignina rica em S do álamo transgênico que superexpressa ferulato 5hidrolase tem um grau de polimerização de somente 10 ainda que as plantas pareçam fenotipicamente normais Obstáculos técnicos tornam difícil avaliar a extensão da li gação cruzada de lignina em outras paredes celulares mas a ligação cruzada extensa não parece ser essencial para a formação de lenho no álamo À medida que a PCS se torna lignificada a água é substituída e recolocada por moléculas hidrofóbicas de lignina Isso tende a reforçar as interações não covalen tes entre ligninas e polissacarídeos talvez considerando algum fortalecimento da parede Há também evidências de ligações covalentes extensas entre ligninas e polissa carídeos de parede mas tem sido difícil caracterizálas em detalhe Nas paredes celulares de gramíneas as ligações de ligninacarboidrato ocorrem em grande parte via gru pos de ferulato ligados a resíduos de arabinose em GAX ver Figura 1411C RESUMO A arquitetura a mecânica e o funcionamento das plantas de pendem da estrutura da parede celular A parede é secretada e construída como uma estrutura complexa que varia em forma e composição à medida que a célula se diferencia Visão geral das funções e das estruturas da parede celular vegetal As paredes celulares variam muito em forma e composição dependendo do tipo celular e da espécie Figuras 141143 As paredes celulares primárias são sintetizadas em células com crescimento ativo ao passo que as paredes secundárias são de positadas em determinadas células como os elementos de vaso xilema e as fibras esclerênquima após cessar a expansão ce lular Figuras 142 143 A parede celular primária é uma rede de microfibrilas de celulo se incluída em uma matriz de hemiceluloses pectinas e proteí nas estruturais Figuras 144 145 Tabela 141 As microfibrilas de celulose são séries de cadeias de glucanos altamente ordenadas sintetizadas na superfície da célula por complexos de proteína denominados complexos de celulose sintase Essas estruturas tipo rosetas contêm 3 a 6 unidades de celulose sintase que se associam entre si para formar uma subunidade hexamérica Figuras 146 147 A matriz de polissacarídeos é sintetizada no complexo de Golgi e secretada via vesículas Figura 148 As pectinas formam géis hidrofílicos que podem ter ligação cru zada por íons cálcio e as hemiceluloses unem as microfibrilas Figuras 1491411 As paredes secundárias em tecidos lenhosos em geral contêm xilanos e glucomananos em vez de xiloglucanos e pectinas Estrutura e função da parede celular primária A formação da parede ocorre parcialmente por autoconstru ção espontânea mas também pode ser mediada por enzimas A xiloglucano endotransglicosilase tem a capacidade de exe cutar reações de transglicosilação que integram xiloglucanos recentemente sintetizados dentro da parede Figura 1412 Mecanismos de expansão celular A expansão da parede pode ser altamente localizada cresci mento apical ou mais dispersa sobre a superfície da parede crescimento difuso Figura 1413 Em células com crescimento difuso o crescimento celular é de terminado pela orientação das microfibrilas de celulose que é determinada pelos microtúbulos no citoplasma Figuras 1414 1416 Padrões complexos de crescimento celular como aqueles do tipo quebracabeça presentes na epiderme foliar de eudico tiledôneas envolvem ligações de proteínas GTP que organizam os elementos do citoesqueleto direcionando desse modo lo calmente o padrão de crescimento da parede Figura 1415 A extensão e a taxa do crescimento celular O afrouxamento bioquímico da parede celular leva ao relaxa mento do estresse da parede Esta vincula de maneira dinâmica a absorção da água com a expansão da parede celular na célula em crescimento Taiz14indd 404 Taiz14indd 404 27102016 150338 27102016 150338 Capítulo 14 Paredes Celulares Estrutura Formação e Expansão 405 Leituras sugeridas Albersheim P Darvill A Roberts K Sederoff R and Staehelin A 2011 Plant Cell Walls Garland Science New York Baskin T I 2005 Anisotropic expansion of the plant cell wall Annu Rev Cell Dev Biol 21 203222 Boerjan W Ralph J and Baucher M 2003 Lignin biosynthesis Annu Rev Plant Biol 54 519546 Cosgrove D J 2005 Growth of the plant cell wall Nat Rev Mol Cell Biol 6 850861 Cosgrove D J and Jarvis M C 2012 Comparative structure and biomechanics of plant primary and secondary cell walls Front Plant Sci 3 204 Lu F and Ralph J 2010 Lignin In Cereal Straw as a Resource for Sustainable Biomaterials and Biofuels R C Sun ed Elsevier Amsterdam pp 169207 Mohnen D 2008 Pectin structure and biosynthesis Curr Opin Plant Biol 11 266277 Paredez A R Somerville C R and Ehrhardt D W 2006 Visualization of cellulose synthase demonstrates functional association with microtubules Science 312 14911495 Plomion C Leprovost G and Stokes A 2001 Wood Formation in Trees Plant Physiol 127 15131523 Sampedro J and Cosgrove D J 2005 The expansin superfamily Genome Biol 6 242 Waldron K W and Brett C T 2007 The role of polymer crosslinking in intercellular adhesion In Plant Cell Separation and Adhesion J Roberts and Z Gonzalez Carranza eds Blackwell Oxford pp 183204 Zhong R and Ye Z H 2007 Regulation of cell wall biosynthesis Curr Opin Plant Biol 10 564572 As ações dos hormônios como as auxinas e as giberelinas e as condições do ambiente como a luz e a disponibilidade de água modulam a expansão da célula mediante alteração da extensibilidade da parede ou das propriedades de produção da parede A extensão da parede celular induzida por acidez é caracte rística em paredes de células em crescimento e mediada pela proteína expansina a qual afrouxa as adesões não covalentes entre os polissacarídeos de parede Figuras 1418 1419 A cessação do crescimento celular durante a maturação da cé lula envolve múltiplos mecanismos de ligação cruzada e enrije cimento da parede celular Estrutura e função da parede celular secundária As paredes celulares secundárias tipicamente são camadas es pessas depositadas entre a membrana plasmática e a parede celular primária Elas adicionam resistência à tensão e à com pressão nos caules e em outros órgãos As paredes celulares secundárias de tecidos lenhosos são com postas de duas ou mais camadas contendo celulose hemicelu lose e lignina A lignina é formada dentro da parede por acoplamento oxida tivo de monolignóis em um polímero aleatório de subunidades fenólicas Ela prende a parede celular secundária em um ma terial hidrofóbico que é resistente à desconstrução enzimática Figuras 1421 1422 MATERIAL DA INTERNET Tópico 141 Terminologia da química de polissacaríde os É disponibilizada uma breve revisão dos termos usados para descrever as estruturas as ligações e os polímeros na química de polissacarídeos Tópico 142 Componentes da matriz da parede celular A secreção de xiloglucano e proteínas glicosiladas pelo com plexo de Golgi pode ser demonstrada em nível ultraestrutural Tópico 143 Propriedades mecânicas das paredes celu lares estudos com Nitella Experimentos têm demonstrado que a parte interna correspondente a 25 da parede celular determina a direção da expansão da célula Ensaio 141 Gradientes de cálcio e oscilações no tubo po línico em crescimento O cálcio exerce um papel na regulação do crescimento apical do tubo polínico Ensaio 142 Microtúbulos microfibrilas e anisotropia do crescimento As orientações de microtúbulos eou microfibri las nem sempre são correlacionadas com a direção do cresci mento Ensaio 143 Coordenação biofísica da absorção da água e ampliação da parede celular Um modelo físico fornece um arcabouço quantitativo para relacionar a física da absorção de água à extensão da parede e para avaliar os fatores físicos limitantes no crescimento celular Taiz14indd 405 Taiz14indd 405 27102016 150338 27102016 150338 Taiz14indd 406 Taiz14indd 406 27102016 150338 27102016 150338 Esta página foi deixada em branco intencionalmente 15 C omo organismos sésseis as plantas constantemente realizam ajustes em resposta a seu ambiente seja para tirar proveito de condições favoráveis ou para sobreviver em situações desfavoráveis Para facilitar es ses ajustes as plantas desenvolveram sistemas sensoriais sofisticados para otimizar o uso da água e de nutrientes para monitorar a quantidade a qua lidade e a direcionalidade da luz e para se defender de ameaças bióticas e abióticas Charles e Francis Darwin realizaram estudos pioneiros sobre a transdução de sinal durante o crescimento da curvatura de coleóptilos de gramíneas em resposta à luz Eles constataram que a fonte luminosa unidire cional foi percebida no ápice do coleóptilo embora a resposta de curvatura tenha ocorrido mais distante ao longo da parte aérea Essa constatação os levou a concluir que devia haver um sinal móvel o qual transferia informação de uma região do tecido do coleóptilo para outra e provocava a resposta de curvatura O sinal móvel foi mais tarde identificado como auxina ácido 3in dolacético a primeiro hormônio vegetal a ser descoberto Em geral um estímulo ambiental que inicia uma ou mais respostas vegetais é referido como um sinal o componente químico que responde bioquimicamente ao sinal é designado como um receptor Os receptores são proteínas ou no caso de receptores luminosos pigmentos associados a proteínas Uma vez sentido seu sinal específico os receptores precisam fazer a transdução dele ie convertêlo de uma forma em outra a fim de amplificálo e desencadear a resposta celular Com frequência os receptores fazem isso mediante modificação da atividade de outras proteínas ou em pregando moléculas de sinalização intracelular denominadas mensageiros secundários essas moléculas então alteram processos como a transcrição gênica Assim as rotas de transdução de sinal geralmente envolvem a se guinte cadeia de eventos Sinal receptor transdução de sinal resposta Em muitos casos a resposta inicial é a produção de sinais secundários como hormônios que são então transportados para o sítio de ação para evocar a resposta fisiológica principal Muitos dos eventos específicos e das etapas intermediárias envolvidas na transdução de sinal em vegetais têm sido iden tificados esses intermediários constituem as rotas de transdução de sinal Sinais e Transdução de Sinal Taiz15indd 407 Taiz15indd 407 27102016 152339 27102016 152339 408 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Este capítulo inicia com uma visão geral breve dos tipos de sinais externos que direcionam o crescimento vegetal A seguir discutese como as plantas empregam as rotas de transdução de sinal para regular a expressão gênica e as respostas póstraducionais Uma descoberta surpreendente é que na maioria dos casos as rotas de transdução de sinal funcionam por inativação degrada ção e remoção de proteínas repressoras que modulam a transcrição A amplificação do sinal via mensageiros se cundários é necessária assim como mecanismos para que a transmissão do sinal coordene respostas pelo corpo da planta No final é examinado como cascatas individuais de respostas a estímulos muitas vezes são integradas com outras rotas de sinalização denominado regulação cruza da para formar as respostas da planta a seu ambiente no tempo e no espaço Aspectos temporais e espaciais da sinalização Os mecanismos de transdução de sinal nas plantas podem ser relativamente rápidos ou extremamente lentos Figura 151 Quando algumas plantas carnívoras mais notavel mente a dioneia Dionaea muscipula capturam insetos elas usam pelos foliares modificados que se fecham em milissegundos após a estimulação pelo contato De ma neira semelhante a sensitiva Mimosa pudica dobra seus folíolos rapidamente ao ser tocada Plântulas reorientam se com relação à gravidade minutos após serem colocadas na posição horizontal Em geral esses mecanismos de res posta rápida envolvem respostas eletroquímicas para fazer a transdução dos sinais já que a transcrição gênica e a tra dução de proteínas são demasiadamente lentas Por outro A B C E D Figura 151 A velocidade das respostas vegetais ao ambiente varia de muito rápida até extremamente lenta A Os movimentos do inseto sobre as folhas modificadas de dioneia Dionaea musci pula ativam o movimento imediato dos pelos induzindo o fecha mento rápido dos lobos foliares B As folhas de drósera Drosera anglica capturam insetos em um fluido pegajoso produzido por glândulas pedunculadas enrolamse para segurar a presa e após iniciam a digestão C O pilriteiro Crataegus spp sujeito a ventos que sopram predominantemente para a costa responde lentamen te crescendo no sentido contrário ao do vento D Troncos e ramos de árvores podem responder lentamente ao estresse mecânico me diante produção de lenho de reação A árvore neste caso é uma angiosperma que produz lenho de tensão na superfície superior As gimnospermas produzem lenho de compressão na superfície infe rior E Corte transversal de um ramo de gimnosperma com lenho de compressão criando uma estrutura anelada assimétrica Taiz15indd 408 Taiz15indd 408 27102016 152339 27102016 152339 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 409 lado as plantas atacadas por insetos herbívoros podem emitir voláteis que em poucas horas atraem predadores desses animais Os processos que ocorrem nessa escala de tempo com frequência envolvem nova transcrição e ativi dade de tradução ver Capítulo 2 As respostas ambientais de prazo mais longo modifi cam os programas de desenvolvimento para moldar a ar quitetura da planta por todo o seu ciclo de vida Exemplos de respostas de longo prazo incluem a modulação da ra mificação das raízes em resposta à disponibilidade de nu trientes o crescimento de folhas de sol ou de sombra para ajustarse às condições de luz e a ativação do crescimen to de gemas laterais quando o ápice do caule é danifica do por herbívoros pastejadores As respostas vegetais de longo prazo podem operar por escalas de tempo de meses ou anos Por exemplo um período longo de temperatura baixa denominado vernalização é necessário para que o florescimento ocorra em muitas espécies vegetais ver Ca pítulo 20 A remodelação da cromatina muitas vezes está envolvida nessas respostas de longo prazo ver Capítulo 2 As respostas das plantas aos sinais ambientais tam bém diferem espacialmente Em uma resposta autônoma celular a um sinal ambiental tanto a recepção do sinal quanto a resposta a ele ocorrem na mesma célula Na res posta autônoma não celular ao contrário a recepção do sinal ocorre em uma célula e a resposta ocorre em célu las tecidos ou órgãos distais Um exemplo de sinalização autônoma é a abertura das célulasguarda em que a luz azul ativa transportadores iônicos de membrana para in tumescer as células via receptores de luz azul denomina dos fototropinas ver Capítulos 10 e 16 Um exemplo de sinalização autônoma não celular nos mesmos órgãos se ria a formação de estômatos adicionais quando as folhas maduras estão expostas à intensidade luminosa alta em um processo que requer transmissão de informação de um órgão para outro ver Capítulo 19 Percepção e amplificação de sinais Embora sua natureza e composição variem bastante todas as rotas de transdução de sinal compartilham características comuns um estímulo inicial é percebido por um receptor e transmitido via processos intermediários para sítios onde as respostas fisiológicas são iniciadas Figura 152 O es tímulo pode derivar da programação do desenvolvimento ou do ambiente externo Quando o mecanismo de resposta alcança um ponto ótimo mecanismos de retroalimentação atenuam os processos e reiniciam o mecanismo sensor Os receptores localizamse na célula e são conservados nos reinos Os receptores podem estar localizados na membrana plas mática no citosol no sistema de endomembranas ou no núcleo conforme exemplificado por hormônios e recepto res de contato Figura 153 Em alguns casos os recep tores movemse de um compartimento para outro Muitos receptores vegetais assemelhamse aos encontrados em sistemas bacterianos Por exemplo homólogos do canal iô nico mecanossensível bacteriano canal mecanossensível de condutância pequena MscS mechanosensitive chan nel of small conductance são encontrados na membrana plasmática e no envoltório do cloroplasto provavelmente a membrana interna de células vegetais Os canais me canossensíveis atuam como receptores e auxiliam células e plastídios a se ajustarem à intumescência induzida por osmose Os receptores vegetais que percebem a presença dos hormônios citocinina e etileno descritos mais adian te neste capítulo são derivados de sistemas bacterianos de dois componentes Vários fotorreceptores vegetais diver giram de proteínas similares em bactérias e assumiram Transdução de sinal Exemplos Sinal ambiental ou do desenvolvimento Receptor Rota de transdução de sinal Transmissão de sinal Resposta Luz temperatura contato hormônio nutriente Receptor quinase receptor acoplado à proteína G proteína Fbox canal iônico Degradação da proteína repressora fosforilação de proteínas mensageiros secundários potenciais de ação voltagem de membrana Transporte de hormônios sinalização elétrica Transcricional expressão gênica póstraducional reorganização citoesquelética desativaçãoativação enzimática Atenuação de sinal p ex degradação do receptor desfosforilação homeostase iônica síntese do repressor Figura 152 Esquema geral da transdução de sinal Sinais ambientais ou de desenvolvimento são percebidos por receptores especializados Após é ativada uma cascata de sinalização que envolve mensageiros secundários e leva a uma resposta da célula vegetal Quando uma resposta ótima é alcançada mecanismos de retroalimen tação atenuam o sinal Taiz15indd 409 Taiz15indd 409 27102016 152340 27102016 152340 410 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento novas funções Por exemplo os membros bacterianos da superfamília criptocromofotoliase são flavoproteínas que reparam dímeros de pirimidina produzidos no DNA pela luz UV Nos vegetais os criptocromos carecem de resíduos cruciais necessários para o reparo de DNA e em vez disso medeiam o controle luminoso do alongamento do caule a expansão foliar o florescimento fotoperiódico e o relógio circadiano ver Capítulo 16 Outros receptores vegetais assemelhamse mais aos encontrados em animais e fungos mas muitas vezes pos suem componentes adicionais ou modificados Exemplos são encontrados em sistemas vegetais de receptor Fbox ubiquitina ligase que estão integrados a diversos comple xos de receptores hormonais vegetais ver Figura 153 Os complexos eucarióticos de ubiquitina E3 ligase presentes no citosol e no núcleo fixam covalentemente ubiquitina às proteínas do substrato marcandoas para degradação pelo proteassomo 26S Na subfamília SCF Skp Cullin e pro teína Fbox de E3 ligases o reconhecimento de substratos é mediado por proteínas Fbox A família de genes Fbox aumentou consideravelmente nas plantas para acomodar essa expansão funcional Quinase é uma enzima que catalisa fosforilação isto é a adição de um grupo fosfato do ATP a um substrato como uma proteína modificando assim suas proprieda des Quando uma proteína funciona como um receptor e faz a transdução do sinal fosforilando outra molécula ela é denominada receptor quinase Dependendo do tipo de receptor quinase uma proteínaalvo pode ser fosforilada nos diversos resíduos de aminoácidos serina treonina tirosina ou histidina para alterar sua atividade biológica Receptores quinases que atuam em diferentes mecanis mos de sinalização de animais têm um papel limitado mas importante em plantas O mais notável é o sistema receptor de hormônios brassinosteroides em que o recep tor quinase BRI1 desempenha um papel central no desen volvimento ver Figura 153 Existe também um grande número de serinastreoninas quinases do tipo receptor RLKs receptorlike kinases em plantas em comparação com outros reinos as RLKs exercem um papel destacado nas interações entre plantas e patógenos ver Capítulo 23 No entanto embora os componentes de alguns sistemas receptores encontrados em animais ocorram em plantas eles podem não participar de funções análogas Por exem plo os sistemas animais contêm um grande número de re ceptores acoplados à proteína G GPCRs G proteincoupled receptors da membrana plasmática que detectam uma sé rie diversa de sinais extracelulares variando de hormônios GID1 GA BRI1 Brassinosteroides Ácido abscísico Ácido abscísico Citocinina Núcleo Etileno Citosol Membrana plasmática Giberelina Jasmonato AIA Retículo endoplasmático Estímulo mecânico MscS Endossomo GTG12 CRE1 AHK2 AHK3 ETR1 ETR2 EIN4 ERS1 ERS2 Cloroplasto PYRPYLRCAR MscS TIR1 COl1 Proteínas Fbox Figura 153 Localizações primá rias de receptores de fitormônios e receptores mecanossensíveis MscS na célula Os receptores individuais são discutidos mais adiante neste capítulo De Santer e Estelle 2009 Taiz15indd 410 Taiz15indd 410 27102016 152340 27102016 152340 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 411 até odores e sabores e sinalizam via uma grande família de proteínas G heterotriméricas Embora as plantas pos suam um número pequeno de proteínas G heterotrimé ricas até agora nenhuma função análoga à de GPCR foi claramente demonstrada nelas Os sinais devem ser amplificados intracelularmente para regular suas moléculasalvo Se um receptor for considerado a porta pela qual um sinal entra na rede de sinalização sua localização até certo pon to determina o comprimento da rota de sinalização sub sequente essas rotas podem consistir em algumas etapas de sinalização ou em uma elaborada cascata de eventos de sinalização A percepção de sinais na membrana plasmá tica com frequência ativa rotas de transcrição com muitos intermediários No caso de rotas de sinalização que devem finalmente alcançar o núcleo para regular a expressão gê nica a força do sinal dissipase ao longo da rota a menos que ele seja reforçado por eventos de amplificação Na au sência de amplificação qualquer intermediário de sinaliza ção ativado que deve atravessar o citosol para translocar ao núcleo tornase diluído devido à difusão e à desativação p ex por desfosforilação degradação ou sequestro Além disso muitos sinais químicos estão presentes em concen trações muito baixas os receptores semelhantes também podem ocorrer em densidade muito baixa de modo que o sinal inicial pode ser bastante fraco As cascatas de amplifi cação de sinais servem para manter ou até aumentar a força do sinal por distâncias maiores Para elevar eventos de si nalização inicial fracos acima do limiar de detecção ou para propagálos através do citoplasma as células empregam mecanismos de amplificação como as cascatas de fosforila ção e os mensageiros secundários A cascata de amplificação de sinal MAPquinase está presente em todos os eucariotos A cascata MAP proteína ativada por mitógeno mitogen activated protein quinase desempenha um papel impor tante na amplificação de sinais em plantas e outros euca riotos A cascata MAPquinase deve seu nome a uma série de proteínas quinase módulos de sinalização que fosfo rilam umas às outras em uma sequência específica muito semelhante aos atletas passando o bastão em uma corrida de revezamento As cascatas MAPquinase são módulos de sinalização filogeneticamente antigos e conservados Elas estão envolvidas em muitas rotas de sinalização im portantes incluindo as que regulam hormônios estresse abiótico e respostas de defesa Muitas vezes os elemen tos de uma cascata MAPquinase representam pontos de convergência de várias rotas de sinalização diferentes A primeira quinase na sequência é uma MAPquinasequi nasequinase MAP3K A MAP3K quando ativada por um receptor fosforila a MAPquinasequinase MAP2K que fosforila MAPquinase MAPK A MAPK a âncora da equipe de revezamento fosforila proteínas reguladoras e fatores de transcrição específicos o que causa mudan ças na expressão gênica Figura 154 Vários módulos de sinalização de MAPKs têm sido identificados em plantas muitos dos quais estão relacionados a respostas ao estresse Tabela 151 O papel das MAPKs nas respostas vegetais ao estresse abiótico será discutido no Capítulo 24 Na cascata MAPK cada quinase que é fosforilada pode modificar a atividade de muitas das suas próprias proteínasalvo Por isso uma cascata de sinalização com posta de várias quinases é teoricamente capaz de alterar o status de fosforilação e portanto a atividade de milhares de proteínasalvo em resposta a relativamente poucas mo léculas de ligantes que originalmente se unem ao recep tor na membrana plasmática Contudo o número dessas interações provavelmente seria muito mais limitado se as MAPKs fossem reunidas em complexos por proteínas de sustentação Esses módulos de MAPK têm sido identifica dos em rotas de sinalização de MAPK de animais onde se admite que elas promovam a especificidade de respostas Ca2 é o mensageiro secundário mais ubíquo em plantas e em outros eucariotos Os mensageiros secundários moléculas pequenas e íons que são rapidamente produzidos ou mobilizados em níveis relativamente altos após a percepção do sinal e que podem ADP ATP Citosol Exterior da célula Membrana plasmática P Mensageiros secundários hormônios Sinal Proteínaalvo MAP3K ADP ATP P MAP2K P Pi P MAPK MAPK Ativa Inativa MAP quinase fosfatase 1 Sinais interagem com receptores e geram mensageiros secundários eou hormônios 2 MAP3K ativa MAP2K por fosforilação 3 MAP2K ativa MAPK por fosforilação 4 MAPK fosforila proteínasalvo que induzem a resposta 5 MAPKfosfatase inativa MAPK por desfosforilação Figura 154 As rotas da proteína quinase ativada por mitógeno MAPK amplificam sinais para alcançar uma resposta rápida e ex pressiva a um estímulo ambiental ou de desenvolvimento As setas contínua e tracejada partindo do sinal indicam ativação direta e in direta respectivamente Ver Tabela 151 para intermediários especí ficos de MAPK em plantas Taiz15indd 411 Taiz15indd 411 27102016 152340 27102016 152340 412 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento modificar a atividade de proteínasalvo de sinalização representam outra estratégia para aumentar ou propagar os sinais O mensageiro secundário mais ubíquo em todos os eucariotos provavelmente seja o íon cálcio o cálcio di valente Ca2 que nos vegetais está envolvido em um gran de número de rotas de sinalização diferentes incluindo interações simbióticas respostas de defesa bem como res postas a diversos hormônios e estresses abióticos Os ní veis de Ca2 citosólico crescem rapidamente quando canais iônicos permeáveis a ele se abrem Isso permite a entrada passiva de Ca2 desde suas reservas até o citosol Figura 155 A atividade do canal deve ser fortemente regulada para manter o controle preciso do ritmo e da duração da elevação do Ca2 citosólico Geralmente os canais iônicos são controlados por portões significando que seus poros são abertos ou fechados por mudanças no potencial elé trico transmembrana tensão de membrana modificação póstradução ou ligação a um ligante Várias famílias de canais permeáveis ao Ca2 foram identificadas em plantas elas incluem receptores do tipo glutamato GLRs gluta matelike receptors localizados na membrana plasmática e canais com portões de nucleotídeos cíclicos CNGCs de cyclic nucleotidegated channels Evidências eletrofisiológi cas e outras respaldam a presença de canais permeáveis ao Ca2 no tonoplasto e no retículo endoplasmático RE Assim que a sinalização mediada pelo receptor ativa canais permeáveis ao Ca2 as proteínas sensoras desse íon desempenham um papel essencial como intermediários de sinalização vinculando sinais de Ca2 a mudanças nas ati vidades celulares A maioria dos genomas vegetais contém quatro famílias principais de sensores de Ca2 proteínas calmodulina CaM e do tipo calmodulina proteínas qui nase dependentes de Ca2 CDPKs Ca2dependent protein kinases proteínas quinase dependentes de Ca2calmodu lina CCaMKs Ca2calmodulindependent protein kinases e proteínas do tipo calcineurinaB CBLs de caucineurinB like que atuam combinadas com proteínas quinase de in teração com CBL CIPKs CBLinteracting protein kinases Os membros dessas famílias de sensores modulam a atividade de proteínasalvo seja ligandose à proteínaalvo CaM ou fosforilandoa CDPK CCaMK CBLCIPK de uma ma neira dependente de Ca2 ver Figura 155 As proteínasal vo incluem fatores de transcrição diversas proteínas quina se Ca2ATPases enzimas produtoras de espécies reativas de oxigênio EROs e canais iônicos Por fim as bombas de Ca2 e os trocadores de Ca2 em organelas e membranas plasmáticas removem ativamente Ca2 do citosol para ter minar a sinalização de Ca2 ver Figura 155 As mudanças no pH citosólico ou no pH da parede celular podem servir com mensageiros secundários para respostas hormonais e a estresses As células vegetais usam a força motriz de prótons ie o gradiente eletroquímico de prótons através de membra nas celulares para acionar a síntese de ATP ver Capítulos 7 e 12 e para energizar o transporte ativo secundário ver Capítulo 6 Além de ter essa atividade de manutenção os prótons também apresentam atividade de sinalização e funcionam como mensageiros secundários Em uma célula em repouso o pH citosólico costuma ser mantido constante em cerca de 75 enquanto a parede celular tem pH de 55 ou mais baixo O pH extracelular pode mudar rapidamente em resposta a uma diversidade de diferentes sinais endógenos e ambientais ao passo que as mudan ças no pH intracelular ocorrem mais lentamente devido à capacidade de tamponamento celular Em hipocótilos em crescimento por exemplo a auxina um hormônio vege tal desencadeia a ativação da HATPase de membrana plasmática pela fosforilação de seu Cterminus Isso torna a parede celular mais ácida o que acreditase promover a expansão celular pela ativação das enzimas de afrouxa mento de parede como as expansinas ver Capítulo 14 Nas raízes contudo a auxina inibe a expansão celular e ao mesmo tempo desencadeia a sua rápida alcalinização um processo que tem sido demonstrado como dependente de Ca2 Mudanças similares de pH dependentes de Ca2 são observadas em muitas respostas de plantas ao estresse ambiental ver Capítulo 24 Ainda não se sabe quais transportadores são ativados ou desativados pelo Ca2 para facilitar mudanças de pHs extracelulares e intracelulares também não se conhece a maior parte dos alvos a jusante dessas mudanças de pH TABELA 151 Módulos de sinalização de MAPKs identificados em plantas Rotas MAP3K MAP2K MAPK Respostas de defesa e síntese do ácido salicílico MEKK1 MKK12 MPK4 Homeostase das espécies reativas de oxigênio MEKK1 MKK12 MPK4 Estresse pelo frio e estresse salino MEKK1 MKK2 MPK46 Síntese do etileno MEKK MKK45 MPK36 Sinalização de patógenos YODA MKK45 MPK36 Desenvolvimento de estômatos YODA MKK45 MPK36 Sinalização de patógenos e do jasmonato MKK3 MPK12714 Citocinese NPK1 NtMEK2 Ntf6 Fonte Suarez Rodriguez et al 2010 Taiz15indd 412 Taiz15indd 412 27102016 152340 27102016 152340 Figura 155 Ion cálcio pH e EROS fundamentais como mensageiros secundários que amplificam sinais e ativam a proteína de sinalização de alvos para desencadear respostas fisiológicas Um aumento em Ca2 atua nas proteínas sensoras de cálcio calmodulinas CaMs proteínas tipo calmodulinaBproteínas quinasas de interação com CBL CBLCIPKs que estão localizadas em diferentes sítios subcelulares 414 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento geradas pela redução parcial de oxigênio ver Ensaio 127 na internet A maioria delas é formada em mitocôndrias e plastídios nos peroxissomos e na parede celular No contexto da sinalização celular as NADPHoxidases lo calizadas na membrana plasmática compõem a família de enzimas produtoras de EROs mais bem compreendida As NADPHoxidases ou homólogas da oxidase de queima respiratória RBOHs de respiratory burst oxidase homologs transferem elétrons do NADPH citosólico doador de elé trons através da membrana para reduzir o oxigênio mo lecular extracelular A ERO resultante superóxido pode dismutar para peróxido de hidrogênio uma ERO mais permeável à membrana que aparentemente também pode entrar nas células através de aquaporinas específicas A atividade da NADPHoxidase é regulada pela fos forilação de seus aminoácidos Nterminais e por ligação direta de Ca2 ver Figura 155 Algumas das quinases res ponsáveis pela fosforilação dos Nterminais da NADPH oxidase foram identificadas como CDPKs e CIPKs de pendentes de CBL As queimas oxidativas mediadas pela NADPHoxidase portanto muitas vezes são encontradas a jusante das rotas de sinalização do Ca2 por exemplo na sinalização da defesa onde mutantes defeituosos na produ ção de EROs exibem suscetibilidade alterada a patógenos No entanto existem também evidências de que as EROs geradas pela NADPHoxidase possam atuar a montante da sinalização do Ca2 Durante a sinalização do ácido abscí sico ABA nas célulasguarda por exemplo uma quinase2 relacionada à sacarose não fermentativa SnRK2 sucrose nonfermenting related kinase2 é ativada ver seção Rotas de sinalização hormonal e a seguir fosforila e ativa a NADPH oxidase RBOHF A produção de EROs resultante parece sinalizar a entrada de Ca2 através de canais iônicos exis tentes na membrana plasmática permeável ao cálcio Os alvos da sinalização das EROs estão apenas co meçando a ser identificados A cadeia lateral de tiol dos resíduos do aminoácido cisteína em especial pode ser modificada por oxidação formando ligações dissulfeto in tramoleculares dentro de polipeptídeoproteína ou inter moleculares ligação cruzada oxidativa de polipeptídeos proteínas diferentes Foi demonstrado que a regulação re dox direta altera a atividade de ligação ao DNA ou a loca lização celular de vários fatores de transcrição e ativadores transcricionais Na parede celular resíduos de tirosina de proteínas estruturais conjugados de polissacarídeos de áci do ferúlico e monolignóis são alvos potenciais de EROs que podem ter ligação cruzada oxidativamente para modificar a resistência ou as propriedades de barreira da parede celular As moléculas de sinalização de lipídeos atuam como mensageiros secundários que regulam diversos processos celulares Fosfoglicerolipídeos e esfingolipídeos são componentes lipídicos primários de membranas plasmáticas vegetais e determinantes importantes de suas propriedades físicas p ex carga da superfície da membrana fluidez curvatu ra local da membrana Várias enzimas fosfolipases hidro lisam ligações específicas de fosfoglicerolipídeos para pro duzir moléculas de sinalização de lipídeos Figura 156 ver Capítulo 12 Por exemplo acil hidrolases removem cadeias de acil graxos resultando em um lisofosfolipí deo Os lisofosfolipídeos são lipídeos bioativos pequenos caracterizados por uma única cadeia de carbono e um grupo da cabeça polar Eles são mais hidrofílicos do que seus fosfolipídeos correspondentes e têm sido envolvidos na regulação do bombeamento de prótons na membrana plasmática e em outros processos Os membros da família da fosfolipase A PLA clivam uma das ligações ésteres de acil liberando um ácido graxo e um lisofosfolipídeo A fosfolipase C PLC hidrolisa a ligação glicerofosfato para produzir diacilglicerol DAG e um grupo da cabeça fosforilado tal como inositol145trisfosfato IP3 Tanto DAG quanto IP3 estão envolvidos na regulação dos fluxos de Ca2 que são importantes para uma ampla diversidade de processos fisiológicos ver Figura 156B A atividade da fosfolipase D PLD libera o grupo da cabeça do fosfoli pídeo produzindo ácido fosfatídico PA uma molécula de sinalização de lipídeos que aumenta rapidamente em resposta ao estresse ambiental O PA é considerado um lipídeo de forma cônica que au menta a curvatura local negativa da membrana essas mu danças na curvatura poderiam promover a gemulação de vesículas ou a ligação de proteínas associadas à membra na por facilitação da inserção de aminoácidos hidrofóbicos na bicamada lipídica O grupo da cabeça do PA carregado negativamente também estabelece interação eletrostática com bolsas pockets de ligação carregadas positivamente de proteínas efetoras Nas célulasguarda o PA interage com proteínas de sinalização de ABA promovendo o fechamen to estomático ver Capítulos 16 e 24 O PA também modula a dinâmica dos microtúbulos e do citoesqueleto de actina Ele aumenta a formação de filamentos de actina mediante ligação à atividade da proteína de capeamento de actina regulando desse modo essa atividade A proteína de ca peamento de actina ligase de uma maneira independente de Ca2 às extremidades de crescimento de filamentos de actina bloqueando a troca de subunidades ver Capítulo 1 Hormônios e desenvolvimento vegetal A forma e a função dos organismos multicelulares não po deriam ser mantidas sem uma comunicação eficiente entre células tecidos e órgãos Nos vegetais superiores a regu lação e a coordenação do metabolismo o crescimento e a morfogênese muitas vezes dependem de sinais químicos de uma parte da planta para outra Essa ideia surgiu no século XIX com o botânico alemão Julius von Sachs 18321897 Sachs propôs que mensageiros químicos são os res ponsáveis pela formação e pelo crescimento de diferentes órgãos vegetais Ele sugeriu também que os fatores ex ternos como a gravidade poderiam afetar a distribuição dessas substâncias na planta Na verdade desde então se tornou evidente que a maioria das redes de sinalização Taiz15indd 414 Taiz15indd 414 27102016 152340 27102016 152340 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 415 que traduz sinais ambientais em respostas de crescimento e desenvolvimento regula o metabolismo ou a redistribui ção desses mensageiros químicos endógenos Embora Sa chs não conhecesse a identidade desses mensageiros quí micos suas ideias levaram à descoberta definitiva desses compostos Os hormônios são mensageiros químicos produzidos em uma célula que modulam os processos celulares em outra célula interagindo com proteínas específicas que funcionam como receptores ligados a rotas de transdução de sinal Como no caso dos hormônios animais a maioria dos hormônios vegetais em concentrações extremamente baixas é capaz de ativar respostas em célulasalvo Embo ra os detalhes do controle hormonal do desenvolvimento sejam completamente diversos todas as rotas hormonais básicas compartilham características comuns Figura 157 Por exemplo a percepção de sinais e o programa de desenvolvimento muitas vezes resultam em aumentos ou decréscimos na biossíntese de hormônios O hormônio é então transportado para um sítio de ação A percepção do hormônio por um receptor resulta em eventos transcri cionais ou póstranscricionais p ex fosforilação recicla gem proteica extrusão iônica que por fim induzem uma O PLD PLC Grupo da cabeça Grupo da cabeça Colina Etanolamina Glicerol Serina Inositol Inositolmonofosfato Inositolbifosfato OH PtdColina PtdEtn PtdGlicerol PtdSerina PtdInositol PtdInsP PtdInP2 Ácido fosfatídico PC PE PG PS PI PIP PIP2 PA Lipídeo A B Acil hidrolase relacionada à patatina Lisolipídeos FA P O O O O O CH2 CH O O H2C PLA1 PLA2 Acil hidrolase C C Produção de oxilipinas Bombeamento de prótons Resposta a estresses abióticos Defesa contra patógenos Resposta a auxinas PCPLA1 1 2 LisoPC FA Síntese do ácido jasmônico AJ Maturação do pólen Deiscência da antera Abertura da flor Senescência PCPLA1 LisoPA FA Curvatura da membrana vesicular e tráfego Gravitropismo da parte aérea PLDα1 Resposta ao ABA Produção de EROs Acumulação de AJ Degeneração de lipídeos Abertura estomática Perda de água Tolerância ao congelamento PLDδ PA Citoesqueleto de microtúbulos Sensibilidade ao H2O2 Ativação da MAPK Sobrevivência celular Tolerância ao estresse PLDε Tráfego de membrana Diferenciação celular Padronização dos pelos da raiz PIPLC DAG IP3 Fluxo de Ca2 Abertura estomática Tolerância à seca Germinação da semente Percepção da luz Resposta ao estresse Fosfolipídeos PLs eou galactolipídeos GLs PLsGLs PC PA PC PLs PC PtdIns45P2 Figura 156 Enzimas modificadoras de lipídeos remodelam mem branas celulares e produzem moléculas de sinalização de lipídeos A Estrutura hidrólise nome e abreviações dos fosfolipídeos comuns À esquerda A estrutura geral de um fosfolipídeo é mostrada con sistindo em duas cadeias acil graxas esterificadas para uma estrutura básica de glicerol um fosfato criando a parte fosfatidil Ptd e um grupo cabeça variável As posições sujeitas à ação da fosfolipase PLA1 PLA2 PLC e PLD são indicadas pelas setas vermelhas À direi ta Uma tabela de possíveis grupos da cabeça com suas abreviações B Substratos de lipídeos de membrana e mensageiros produzidos por diferentes enzimas de hidrólise de fosfolipídeos e galactolipídeos e seus efeitos fisiológicos e celulares a jusante De Wang 2004 N de T Fosfatidilinositol45bifosfato Taiz15indd 415 Taiz15indd 415 27102016 152340 27102016 152340 416 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento resposta fisiológica ou de desenvolvimento Além disso a resposta pode ser atenuada por mecanismos de retro alimentação negativa que reprimem a síntese hormonal e por catabolismo ou sequestro que se combinam para causar o retorno da concentração hormonal ativa para os níveis de présinal Dessa maneira a planta readquire a capacidade de responder à próxima entrada de sinal O desenvolvimento vegetal é regulado por nove hor mônios principais auxinas giberelinas citocininas eti leno ácido abscísico brassinosteroides jasmonatos ácido salicílico e estrigolactonas Figura 158 Além disso vários peptídeos como CLAVATA3 atuam por distâncias curtas para controlar o desenvolvimento embrionário e a padro nização dos meristemas apicais Na verdade nos próximos anos a lista de moléculas sinalizadoras e de reguladores do crescimento provavelmente continue a se expandir Aqui será feita uma breve introdução de auxinas giberelinas citocininas etileno ácido abscísico e brassinosteroides os papéis dos jasmonatos e do ácido salicílico durante as inte rações bióticas serão discutidos no Capítulo 23 Desenvolvimento programado Entrada ambiental Transdução de sinal Resposta Síntese de hormônios Transporte para o sítio de ação Receptor Limiar Compartimentalização conjugação reversível Catabolismo Término da resposta Retro alimentação ou Efluxo A Auxinas E Ácido abscísico F Brassinosteroides G Ácido salicílico H Estrigolactona B Giberelinas C Citocininas CH2 N H COOH Ácido 3indolacético AIA GA4 R H GA1 R OH H CO2H H R CH2 CO O HO GA7 R H GA3 R OH H CO2H H R CH2 CO O HO C H H C H H D Etileno O OH H3C CH3 CH3 COOH CH3 1 ScisABA forma ativa de ocorrência natural HO HO H O O OH OH Brassinolídeo OH OH O HN N N Cinetina N N H O Zeatina HO NH N N N N H O O O R1 R2 R3 O O COOH O I Ácido jasmônico Figura 157 Esquema comum da re gulação hormonal Figura 158 Estruturas químicas dos fitormônios Taiz15indd 416 Taiz15indd 416 27102016 152340 27102016 152340 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 417 A auxina foi descoberta em estudos iniciais da curvatura do coleóptilo durante o fototropismo A auxina é essencial ao crescimento vegetal e a sua si nalização funciona praticamente em cada aspecto do desenvolvimento Ela foi o primeiro hormônio do cresci mento a ser estudado em plantas sendo descoberta após a predição de sua existência por Charles e Francis Darwin na obra O Poder do Movimento nas Plantas The Power of Movement in Plants 1881 Eles estudaram a curvatura de bainhas de folhas jovens coleóptilos de plântulas do alpiste Phalaris canariensis e os hipocótilos de plântulas de outras espécies em resposta à luz unidirecional Eles concluíram que um sinal produzido no ápice se deslocava para baixo fazendo as células inferiores crescerem mais rapidamente no lado sombreado do que no lado ilumina do Subsequentemente foi demonstrado que o sinal era uma substância química que podia se difundir em blocos de gelatina Figura 159 Os fisiologistas vegetais cha maram o sinal químico de auxina originária da palavra grega auxein que significa aumentar ou crescer eles identificaram o ácido 3indolacético AIA como a auxina vegetal primária Em algumas espécies o ácido 4cloro3 indolacético 4cloroAIA e o ácido fenilacético atuam como auxinas naturais mas o AIA é a forma mais abun dante e fisiologicamente mais importante ver Figura 158A Como a estrutura do AIA é relativamente simples os pesquisadores prontamente foram capazes de sintetizar uma ampla série de moléculas com atividade auxínica Al guns desses compostos como o ácido 1naftalenoacético ANA o ácido 24diclorofenoxiacético 24D e o ácido 2metóxi36diclorobenzoico dicamba são agora usados amplamente como reguladores do crescimento e herbici das na horticultura e na agricultura As giberelinas promovem o crescimento do caule e foram descobertas em relação à doença da planta boba do arroz Um segundo grupo de hormônios vegetais é o das gibe relinas abreviadas como GA e numeradas na sequência cronológica de sua descoberta Esse grupo compreende um grande número de compostos todos ácidos tetracícli cos quatro anéis diterpenoides mas apenas alguns deles principalmente GA1 GA3 GA4 e GA7 têm atividade bio lógica intrínseca ver Figura 158B Um dos efeitos mais admiráveis das GAs biologicamente ativas alcançado por seu papel na promoção do alongamento celular é a in dução do alongamento do entrenó em plântulas anãs As GAs têm outros papéis diversos durante o ciclo de vida da planta por exemplo elas podem promover a germinação de sementes ver Capítulo 18 a transição para o floresci mento ver Capítulo 20 o desenvolvimento do pólen e o crescimento do tubo polínico ver Capítulo 21 além do desenvolvimento do fruto ver Capítulo 21 As GAs foram reconhecidas pela primeira vez por Eichi Kurosawa em 1926 e isoladas por Teijiro Yabuta e Yusuke Sumuki na década de 1930 como produtos na turais no fungo Gibberella fujikuroi chamado atualmente de Fusarium fujikuroi do qual os hormônios derivam seu nome Os indivíduos do arroz infectados com F fujikuroi tornamse anormalmente altos o que os deixa suscetíveis à queda e com produção reduzida daí o nome bakanae ou doença da planta boba Esse crescimento excessivo pode ser reproduzido pela aplicação de GAs em plântulas de ar roz não infectadas F fujikuroi produz várias GAs diferen tes a mais abundante delas é GA3 também chamada de ácido giberélico que pode ser obtido comercialmente para uso horticultural e agronômico Por exemplo GA3 é pul verizada sobre videiras para produzir uvas maiores e sem Plântula intacta curvatura Ápice do coleóptilo removido sem curvatura Cobertura opaca no ápice sem curvatura Darwins 1880 Luz Plântula de aveia com 4 dias Coleóptilo Semente 1 cm Raízes BoysenJensen 1913 Lâmina de mica inserida no lado não iluminado sem curvatura Lâmina de mica inserida no lado iluminado curvatura Remoção do ápice Gelatina entre o ápice e o coleóptilo decapitado A curvatura fototrópica normal permanece possível A partir dos experimentos de fototropismo C e F Darwin concluíram em 1880 que um estímulo ao crescimento é produzido no ápice do coleóptilo e transmitido para a zona de crescimento Em 1913 P BoysenJensen descobriu que o estímulo ao crescimento atravessa a gelatina mas não passa pela barreira impermeável à água como a mica Figura 159 Primeiros experimentos sobre a natureza química da auxina Taiz15indd 417 Taiz15indd 417 27102016 152340 27102016 152340 418 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento sementes que rotineiramente são compradas em mercados Figura 1510A Respostas impressionantes foram obtidas quanto ao alongamento do caule de plantas anãs ou em rosetas em especial em ervilhas Pisum sativum geneti camente anãs milho anão Zea mays Figura 1510B e muitas plantas em roseta Figura 1510C Logo após a primeira caracterização de GAs a partir de F fujikuroi descobriuse que as plantas possuem tam bém substâncias semelhantes às GAs mas em quantidade muito menor do que no fungo A primeira GA vegetal a ser identificada foi GA1 descoberta em extratos de sementes do feijão escarlate em 1958 Atualmente sabese que as GAs são ubíquas em plantas e também estão presentes em vários fungos além de F fujikuroi A maioria das espécies estudadas até agora contém GA1 eou GA4 de modo que essas são as GAs às quais se atribui a função hormonal Além de GA1 e GA4 as plantas contêm muitas GAs inati vas que representam os precursores ou os produtos da de sativação das GAs bioativas As citocininas foram descobertas como fatores promotores da divisão celular em experimentos de cultura de tecidos As citocininas foram descobertas em uma pesquisa so bre fatores que estimulavam a divisão de células vegetais ie passam por citocinese em combinação com a auxina outro fitormônio Foi identificada uma pequena molécula que na presença de auxina podia estimular a proliferação do tecido parenquimático medular do tabaco em cultura Figura 1511A A molécula indutora da citocinese foi de nominada cinetina A cinetina é uma citocinina sintética mas sua estrutura é similar à das citocininas de ocorrência natural ver Figura 158C Conforme será visto em outros capítulos as citocini nas têm efeitos em muitos processos fisiológicos e de de senvolvimento incluindo a senescência foliar ver Capítu lo 22 a dominância apical ver Capítulo 18 a formação e a atividade dos meristemas apicais ver Capítulo 17 o desenvolvimento gametofítico ver Capítulo 21 a promo ção da atividade de dreno o desenvolvimento vascular e a quebra da dormência da gema ver Capítulo 19 Além disso as citocininas desempenham papéis importantes na interação das plantas com fatores bióticos e abióticos abrangendo os estresses salino e pela seca os macronu trientes incluindo nitrato fósforo ferro e sulfato as re lações simbióticas com bactérias fixadoras de nitrogênio e fungos micorrízicos arbusculares bem como bactérias patogênicas fungos nematódeos e vírus Figura 1511B ver também Capítulos 23 e 24 O etileno é um hormônio gasoso que promove o amadurecimento do fruto e outros processos do desenvolvimento O etileno é um gás com uma estrutura química simples ver Figura 158D Ele foi primeiro identificado como um regulador de crescimento vegetal em 1901 por Dimitry Neljubov quando demonstrou a capacidade de alterar o Figura 1510 A A giberelina induz o crescimento em uvas Thompson sem sementes Cachos não tratados normalmente permanecem pequenos devido ao aborto natural de sementes O cacho da esquerda é não tratado Durante o desenvolvimento dos frutos o cacho da direita foi pulverizado com GA3 produzindo frutos maiores e alongamento dos pedicelos pedúnculos dos fru tos B O efeito da GA1 exógena sobre o milho do tipo selvagem identificado como normal na fotografia e o mutante anão d1 A giberelina estimula o alongamento expressivo do caule no mu tante anão mas apresenta pouco ou nenhum efeito sobre a planta alta do tipo selvagem C O repolho uma planta de dias longos permanece com pequeno porte em forma de roseta sob condições de dias curtos mas pode ser induzido ao bolting com entrenós longos e à floração por aplicações de GA3 No caso ilustrado foram produzidos pedúnculos florais gigantes B cortesia de B Phinney A B C Taiz15indd 418 Taiz15indd 418 27102016 152341 27102016 152341 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 419 crescimento de plântulas de ervilha estioladas no labo ratório Figura 1512A Subsequentemente o etileno foi identificado como um produto natural sintetizado por te cidos vegetais O etileno regula uma ampla gama de respostas em plantas incluindo a germinação da semente e o cresci mento da plântula a expansão e a diferenciação celular a senescência e a abscisão foliar e floral ver Capítulos 18 e 22 além de respostas aos estresses bióticos e abióticos ver Capítulos 23 e 24 incluindo a epinastia Figura 1512B O ácido abscísico regula a maturação da semente e o fechamento estomático em resposta ao estresse hídrico O ácido abscísico ABA é um hormônio ubíquo em plan tas vasculares e tem sido encontrado também em musgos alguns fungos fitopatogênicos e uma ampla gama de me tazoários O ABA é um terpenoide com 15 carbonos ver Figura 158E que foi identificado na década de 1960 como um composto inibidor do crescimento associado ao co meço da quebra da dormência e à promoção da abscisão do fruto do algodoeiro Contudo trabalhos posteriores demonstraram que o ABA promove a senescência o pro cesso que precede a abscisão em vez da própria abscisão Desde então verificouse também que o ABA é um hor mônio que regula respostas aos estresses salino por de sidratação e térmico incluindo o fechamento estomático Figura 1513 ver Capítulo 24 O ABA também promove a maturação e a dormência da semente ver Capítulo 18 e regula o crescimento de raízes e partes aéreas a heterofilia produção de tipos foliares diferentes em um único indi víduo o florescimento e algumas respostas a patógenos ver Capítulo 23 Os brassinosteroides regulam a fotomorfogênese a germinação e outros processos do desenvolvimento Os brassinosteroides inicialmente denominados brassinas foram primeiramente descobertos como substâncias promo Auxina citocinina Auxina A B Figura 1511 A citocinina acentua a divisão celular e o esverdea mento A Explantes foliares de Arabidopsis do tipo selvagem foram induzidos a formar calo conjunto de células não diferenciadas me diante cultura na presença apenas de auxina parte superior ou de auxina mais citocinina parte inferior A citocinina foi necessária para o crescimento do calo e o esverdeamento na presença da luz B For mação de tumor no caule de um tomateiro infectado com a bactéria da galha da coroa Agrobacterium tumefaciens Dois meses antes de ser feita esta fotografia o caule foi ferido e inoculado com uma cepa virulenta da bactéria da galha da coroa A de RiouKhamlichi et al 1999 B de Aloni et al 1998 cortesia de R Aloni A B Figura 1512 Respostas ao etileno A Resposta tríplice de plân tulas de ervilha estioladas Plântulas de ervilha com seis dias foram cultivadas no escuro na presença de 10 ppm partes por milhão de etileno à direita ou deixadas sem tratamento à esquerda As plântulas tratadas apresentaram intumescimento radial inibição do alongamento do epicótilo e crescimento horizontal do epicótilo diagravitropismo B Epinastia foliar no tomateiro A epinastia ou curvatura das folhas para baixo à direita é causada pelo tratamen to com etileno Um tomateiro não tratado é mostrado à esquerda A epinastia ocorre quando as células do lado superior do pecíolo cres cem mais rápido que as do lado inferior Cortesia de S Gepstein Taiz15indd 419 Taiz15indd 419 27102016 152341 27102016 152341 420 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento toras do crescimento presentes no pólen de Brassica napus canola Análises posteriores com raios X mostraram que a brassina mais bioativa nas eudicotiledôneas que era chama da de brassinolídeo é um esteroide polihidroxilado similar aos hormônios esteroides animais ver Figura 158F Muitos brassinosteroides têm sido identificados principalmente intermediários das rotas catabólicas ou biossintéticas dos brassinolídeos Desses as duas for mas conhecidas de brassinosteroides ativos são o bras sinolídeo e seu precursor imediato castasterona embora uma forma seja predominante dependendo da espécie vegetal e do tipo de tecido Os brassinosteroides são hormônios vegetais ubíquos que como as auxinas e as GAs parecem preceder a evolução das plantas terres tres Nas angiospermas os brassinosteroides são encon trados em níveis baixos em diversos órgãos p ex flo res folhas raízes e em níveis relativamente mais altos no pólen nas sementes imaturas e nos frutos A B A B C D Homozigoto bri1 Heterozigoto bri1 Heterozigoto cpd Mutante cpd Tipo selvagem Mutante det2 Tipo selvagem Mutante det2 Figura 1513 Fechamento estomático em resposta ao ABA Na presença da luz os estô matos estão abertos para as trocas gasosas com o ambiente à esquerda O tratamento com ABA fecha os estômatos na presença da luz à direita Essa reação reduz a perda de água durante o dia sob condições de estresse pela seca Figura 1514 Mutantes de Arabidopsis deficien tes em brassinosteroides A O mutante homozi goto bri1 com 3 semanas de idade e cultivado na presença da luz à esquerda apresenta um nanis mo severo em comparação ao mutante heterozi goto bri1 à direita que exibe morfologia do tipo selvagem B O mutante heterozigoto cpd consti tutive photomorphogenisis and dwarfism com 3 semanas de idade e cultivado na presença da luz à esquerda igualmente exibe um fenótipo anão o heterozigoto com um fenótipo do tipo selvagem está à direita C O mutante det2 adulto cultivado na presença da luz é anão em comparação com a planta do tipo selvagem D O mutante det2 à es querda cultivado no escuro apresenta hipocótilo curto e espesso além de cotilédones expandidos o tipo selvagem cultivado no escuro está à direita Cortesia de S SavaldiGoldstein Taiz15indd 420 Taiz15indd 420 27102016 152341 27102016 152341 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 421 Os brassinosteroides exercem papéis essenciais em uma ampla gama de fenômenos de desenvolvimento ve getal abrangendo divisão celular alongamento celular diferenciação celular fotomorfogênese desenvolvimento reprodutivo germinação senescência foliar e resposta a estresses Mutantes deficientes na síntese de brassinos teroides como det2 e cpd apresentam anormalidades no crescimento e no desenvolvimento incluindo nanismo Figura 1514 e dominância apical reduzida ver Capítulo 19 Mutantes deficientes de brassinosteroides em Arabi dopsis também exibem crescimento desestiolado quando cultivados no escuro ver Figura 1514D e no milho mos tram flores masculinas feminizadas As estrigolactonas reprimem a ramificação e promovem interações na rizosfera As estrigolactonas que ocorrem em cerca de 80 das es pécies vegetais constituem um grupo de lactonas terpe noides ver Figura 158H Elas foram originalmente des cobertas como estimulantes da germinação derivados do hospedeiro para plantas parasíticas de raízes como estriga Striga spp e orobanques Orobanche e Phelipanche spp Figura 1515 Elas também promovem interações simbió ticas com fungos micorrízicos arbusculares facilitando a absorção de fosfato do solo Além disso as estrigolactonas reprimem a ramificação das raízes bem como estimulam a atividade cambial e o crescimento secundário ver Capí tulo 19 Elas têm funções análogas em raízes onde redu zem a formação de raízes adventícias e de raízes laterais e promovem o crescimento de pelos Metabolismo dos fitormônios e homeostase Para serem sinais eficazes as concentrações dos hormô nios vegetais devem ser rigorosamente reguladas de uma maneira específica ao tipo de célula e específica ao tecido Em termos mais simples a concentração do hormônio em um tecido ou célula é determinada pelo equilíbrio entre a taxa de aumento em sua concentração p ex por síntese localativação ou por importação de outra parte da plan ta e a taxa de decréscimo em sua concentração p ex por inativação degradação sequestro ou efluxo Figura 1516 No entanto a regulação dos níveis hormonais é compli cada por muitos fatores Primeiro as rotas biossintéticas primárias dos hormônios podem ser aumentadas por me canismos biossintéticos secundários Segundo pode ha ver variantes estruturais múltiplas de um hormônio que modificamse amplamente em sua atividade biológica Finalmente conforme será visto mais adiante pode haver múltiplos mecanismos para remover o hormônio ativo de um sistema Nesta seção são discutidos os mecanismos de mo dulação das concentrações hormonais localmente dentro de uma célula ou de um tecido Na próxima seção será abordado o transporte hormonal entre partes diferentes de uma planta O indol3piruvato é o intermediário principal na biossíntese da auxina O AIA está relacionado estruturalmente ao aminoácido triptofano e é sintetizado primariamente em um pro cesso de duas etapas usando o indol3piruvato IPyA como intermediário Figura 1517 A segunda etapa da rota é executada pelo produto gênico YUCCA uma trip tofano aminotransferase Conforme será visto em outros capítulos os genes YUCCA desempenham muitos pa péis importantes no desenvolvimento vegetal Eles foram identificados primeiro em Arabidopsis como uma mutação dominante que provoca níveis elevados de auxina livre O nome do mutante foi derivado do fenótipo da planta adulta que exibe aumento da dominância apical inflores cência longa e folhas epinásticas estreitas reminiscentes de um indivíduo de Yucca Um fenótipo similar pode ser observado em um mutante de Arabidopsis que superex pressa o gene YUC6 Figura 1518 A B Figura 1515 Indivíduos de arroz colonizados por plantas para síticas de raiz A Estriga de flores corderosa Striga hermonthi ca parasitando um indivíduo de arroz B Plântula estiolada de S hermonthica invadindo uma raiz de arroz Fotos cedidas por Ken Shirasu Biossíntese Ativação Liberação de reservas internas Absorção Degradação Inativação conjugação Sequestro Efluxo Quantidade de hormônio ativo Figura 1516 Mecanismos reguladores homeostáticos que in fluenciam a concentração de hormônios Fatores positivos e nega tivos trabalham em conjunto para manter a homeostase hormonal Taiz15indd 421 Taiz15indd 421 27102016 152342 27102016 152342 422 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento A biossíntese do AIA está associada a tecidos que se dividem e crescem rapidamente em especial nas raízes Embora praticamente todos os tecidos vegetais pareçam capazes de produzir níveis baixos de AIA os meristemas apicais de caules folhas jovens e frutos jovens são os sítios principais de síntese da auxina Em plantas que produzem compostos defensivos de indolglicosinolato ver Capítulo 23 o AIA também pode ser sintetizado a partir do trip tofano por uma rota com indolacetonitrila como interme diário ver Apêndice 3 na internet Nos grãos do milho o AIA também parece ser sintetizado por uma rota inde pendente de triptofano A auxina é tóxica em concentrações celulares ele vadas sem controles homeostáticos o hormônio pode facilmente desenvolver níveis tóxicos O catabolismo da auxina por conjugação a hexoses e degradação oxidativa garante a remoção permanente de hormônio ativo quan do a concentração excede o nível ideal ou quando a res posta ao hormônio é completa A conjugação covalente de aminoácidos ao AIA pode também resultar em inati vação permanente Todavia a maioria dos conjugados de aminoacil serve como forma de reserva da qual o AIA pode ser rapidamente liberado por processos enzimáti cos O ácido indol3butírico AIB é um composto usado rotineiramente na horticultura para promover o enrai zamento de estacas no peroxissomo ele é rapidamente convertido em AIA por oxidação Tanto livre quanto conjugado o AIB ocorre naturalmente nas plantas e ser ve como fonte de auxina para processos específicos do desenvolvimento Em algumas espécies tem sido de monstrado também que a auxina se conjuga a peptídeos glicanos complexos unidades múltiplas de açúcares ou glicoproteínas mas ainda não se conhece o papel fisioló gico exato desses conjugados A Figura 1519 apresenta um diagrama da armazenagem reserva e dos destinos catabólicos da auxina O sequestro de auxina em compartimentos de en domembranas principalmente o RE também pare ce regular os níveis desse hormônio disponíveis para sinalização As proteínas que medeiam o movimento de AIA através da membrana do RE foram identificadas e uma grande reserva de AUXIN BINDING PROTEIN1 ABP1 um receptor de auxina extracelular discutido mais adiante neste capítulo é encontrada principal mente no lume do RE A bem documentada toxicidade da auxina aplicada exogenamente em especial em espécies de eudicotiledô neas estabelece uma base para uma família de auxinas sintéticas como o ácido 24diclorofenoxiacético 24D que há muito têm sido usadas como herbicidas As muta ções causadoras da superexpressão da auxina ver Figura 1518 tenderiam a ser letais se não houvesse o controle homeostático dos níveis desse hormônio As auxinas sin téticas são mais eficazes como herbicidas do que as auxi nas naturais porque elas são muito menos sujeitas ao con trole homeostático degradação conjugação transporte e sequestro do que as naturais As giberelinas são sintetizadas pela oxidação do diterpeno entcaureno As GAs são sintetizadas em várias partes de uma plan ta incluindo sementes em desenvolvimento sementes Figura 1517 Biossíntese da auxina a partir do triptofano Trp Na primeira etapa o Trp é conver tido em indol3piruvato IPyA pela família TAA de triptofanos aminotransferase Subsequentemente o AIA é produzido a partir de IPyA pela família YUC de flavinas monoxigenase Trp TAA N H NH2 OH O IPyA N H OH O O AIA N H O OH YUC Tipo selvagem yuc6ID Figura 1518 Mutante de Arabidopsis superexpressando o gene YUC6 O mutante de ativação yuc61D dominante à direita contém níveis elevados de AIA livre em relação ao tipo selvagem à esquer da devido à superexpressão de YUCCA6 Observe a altura maior a ramificação reduzida e a senescência retardada do mutante Corte sia do Dr Jeong lm Kim Taiz15indd 422 Taiz15indd 422 27102016 152342 27102016 152342 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 423 germinando folhas em desenvolvimento e entrenós em alongamento A rota biossintética que começa nos plas tídios leva à produção de uma molécula precursora linear cadeia reta contendo 20 átomos de carbono geranilgera nildifosfato ou GGPP que é convertido em entcaureno Esse composto é oxidado sequencialmente por enzimas associadas ao RE levando à GA12 a primeira GA formada em todas as plantas estudadas até agora Enzimas dioxi genases no citosol são capazes de oxidar GA12 em todas as outras giberelinas em rotas que podem ser interconecta das de tal maneira que formam uma complexa grade me tabólica A Figura 1520 apresenta um resumo das rotas sintéticas das GAs As rotas envolvidas na biossíntese e no catabolismo de GAs estão sob forte controle genético Até agora vá rios mecanismos têm sido descritos abrangendo inativa ção de GAs por uma família de enzimas denominadas GA 2oxidases metilação via metiltransferase e conjugação a açúcares A modulação genética dessas rotas exerce um papel importante no desenvolvimento vegetal Confor me será visto no Capítulo 19 por exemplo a expressão do gene KNOXI no meristema apical do caule que é crucial para o funcionamento correto desse tecido reduz os níveis de GA por inibição de sua biossíntese e promoção de sua inativação A biossíntese da GA também é regulada pela inibição por retroalimentação quando a GA celular exce de os níveis do limiar A aplicação de GA exógena causa regulação para baixo downregulation dos genes GA20ox e GA3ox cujos produtos catalisam as duas etapas finais na formação de GAs bioativas GA1 e GA4 As citocininas são derivadas da adenina com cadeias laterais de isopreno As citocininas são derivadas da adenina A classe mais co mum de citocininas tem cadeias laterais de isoprenoide incluindo isopenteniladenina iP dihidrozeatina DHZ e zeatina a citocinina mais abundante nas plantas supe riores As citocininas são formadas de ADPATP e dime tilalildifosfato DMAPP principalmente nos plastídios Um esquema simplificado da rota biossintética das citoci ninas é mostrado na Figura 1521 Além das bases livres que são as únicas formas ati vas as citocininas também estão presentes na planta como ribosídeos nos quais um açúcar ribose é fixado ao nitro gênio 9 do anel ribotídeos nos quais a porção de açúcar ribose contém um grupo fosfato ou glicosídeos em que uma molécula de açúcar está fixada ao nitrogênio 3 7 ou 9 do anel de purina ou ao oxigênio da zeatina ou da cadeia lateral de dihidrozeatina Além dessa inativação media da por glicosilação os níveis de citocinina ativa também são diminuídos catabolicamente mediante clivagem irre versível por citocininas oxidase Coerente com seu papel na promoção da divisão celu lar a citocinina é necessária para o funcionamento correto do meristema apical do caule e por isso é rigorosamen te regulada ver Capítulo 19 Enquanto inibe os níveis de Transferase AIB sintase GH3 uma amido Hidrolase Transferase Hidrolase IAMT1 AIA metilesterase Transferase Hidrolase AIA oxAIA oxAIA AIA IAA mioinositol Peptídeos Glicoproteínas Glucanos mioinositol A Reversível reserva B Irreversível degradação IAA Gluc Me Gluc IAA oxAIA Asp CoA AIA AIA Ala Leu Asp Glu Peroxidase sintetase 3metilenooxindol pode não ocorrer in vivo IBA AIB AIB CoA AIA Ala Gluc βoxidação CO2 Figura 1519 Conjugação e degradação de AIA O diagrama mostra diversos conjugados de AIA e as rotas metabólicas envolvi das em sua síntese e decomposição As setas simples indicam rotas irreversíveis as setas duplas indicam rotas reversíveis A Formas reversíveis reserva de auxina e conjugados de auxina B Formas irreversivelmente degradadas de auxina e conjugados de auxina A oxidação do ácido indol3butírico AIB a AIA ocorre no pero xissomo O AIA pode ser oxidado irreversivelmente a ácido oxin dol3acético oxAIA antes ou depois de ser conjugado à glicose oxAIAGlc O conjugado de AIA com Asp ou Glu também pode ser irreversivelmente degradado ao conjugado de OxAIA IAMT1 in dol3acetatoOmetiltransferase1 De Woodward e Bartel 2005 Taiz15indd 423 Taiz15indd 423 27102016 152342 27102016 152342 424 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento COOH COOH OH H3C H3C A B C D entcaureno OPP CPS KS GGPP GA53 COOH COOH OH H3C GA53 COOH O HO CO H GA4 COOH O HO CO OH GA1 COOH H CO GA9 O COOH O OH CO GA20 Retículo endoplasmático COOH COOH GA12 ESTÁGIO 1 ESTÁGIO 2 ESTÁGIO 3 MVA IPP IPP Piruvato gliceraldeído 3fosfato Plastídio Rota de não hidroxilação no 13 Rota de hidroxilação no 13 GAs bioativas KAO Citosol COOH O HO CO H HO GA34 COOH O HO CO OH HO GA8 H3C COOH CHO GA12ald H3C GA2ox GA20ox GA3ox GA13ox KO COOH COOH GA12 H3C Taiz15indd 424 Taiz15indd 424 27102016 152342 27102016 152342 Figura 1520 Os três estágios da biossíntese de GA Os destaques em amarelo indicam a parte da molécula que foi modificada na reação anterior No estágio 1 no plastídio geranilgeranilfosfato GGPP é convertido em entcaureno No estágio 2 no retículo endoplasmático o entcaureno é convertido em GA7aldeído e GA2 Por hidroxilação no carbono 13 GA7 é convertido em GA3 No estágio 3 no citosol GA2 e GA3 são convertidas em outras GAs via rotas paralelas Essa conversão prossegue com uma série de oxidações no carbono 20 círculos vermelhos resultando na perda final do carbono 20 e na formação de giberelinasc19 A 3βhidroxilação então produz GA4 e GA6 como os GAs bioativos em cada rota Depois a hidroxilação no carbono 2 converte GA4 e GA6 nas formas inativas GA34 e GA36 respectivamente Na maioria das espécies a rota de hidroxilação no 13 predomina embora em Arabidopsis e algumas outras plantas a rota principal seja a da não hidroxilação no 13 MVA ácido mevalônico IPP isopentenilfosfato CPS entcopalilidofosfato sintase KS entcaureno sintase KO entcaureno oxidase KAO ácido entcaucenóico oxidase GA200x GA 20oxidase GA3OX GA 3oxidase GA2OX GA 2oxidase GA130x GA 13oxidase 426 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento GA a expressão do gene KNOX aumenta os níveis de ci tocinina no meristema apical do caule por regulação para cima upregulation do gene biossintético da citocinina ISOPENTENIL TRANSFERASE7 IPT7 ver Figura 1521 O etileno é sintetizado da metionina via ácido 1aminociclopropano1carboxílico intermediário O etileno pode ser produzido por quase todas as partes de plantas superiores embora a taxa de produção depen da do tipo de tecido do estágio de desenvolvimento e dos aportes ambientais Por exemplo certos frutos maduros passam por uma queima respiratória em resposta ao etile no e os níveis desse hormônio aumentam nesses frutos no período do amadurecimento ver Capítulo 21 O etileno é derivado do aminoácido metionina e do intermediário Sadenosilmetionina que é gerado no ciclo de Yang Fi gura 1522 A primeira etapa envolvida na biossíntese e geralmente limitante da taxa é a conversão de Sadeno silmetionina em ácido 1aminociclopropano1carboxí lico ACC pela enzima ACCsintase A seguir o ACC é convertido em etileno pelas enzimas denominadas ACC oxidases Como o etileno é um hormônio gasoso não há evidências de seu catabolismo em plantas e ele se difunde rapidamente para fora dos tecidos vegetais quando a bios síntese é farmacologicamente interrompida O ácido abscísico é sintetizado de um carotenoide intermediário O ABA é sintetizado em quase todas as células que con têm cloroplastos ou amiloplastos e tem sido detectado em todos os órgãos e tecidos importantes O ABA é um terpenoide de 15 carbonos ou sesquiterpenoide sinteti zado em plantas por uma rota indireta via carotenoides intermediários de 40 carbonos Figura 1523 As etapas iniciais dessa rota ocorrem nos plastídios A clivagem do carotenoide pela enzima NCED 9cisepoxicarote noide dioxigenase é uma etapa altamente regulada na síntese do ABA Essa etapa é limitante da taxa e produz a molécula precursora xantoxina de 15 carbonos que subsequentemente se move para o citosol onde uma sé rie de reações oxidativas converte xantoxina em ABA A seguir uma oxidação por ABA8hidroxilases leva à CICLO DE YANG ATP Metionina Met AdoMet sintetase Sadenosilmetionina ACCsintase ACCoxidase Inibe a síntese do etileno AAO AVG Inibe a síntese do etileno Co2 Anaerobiose Temperatura 35C Promove a síntese do etileno Amadurecimento de frutos Senescência de flores AIA Lesão Dano por resfriamento Estresse pela seca Inundação Ácido 1aminociclopropano 1carboxílico ACC Etileno Promove a síntese do etileno Amadurecimento Nmalonil ACC 5metiltioadenosina PPi Pi CH3 CH2 S CH2 CH COO NH3 O O H O H CH3 CH2 S Adenina O O H O H CH3 CH2 CH2 S Adenina CH2 COO HC NH3 H2C H2C C NH3 COO H2C CH2 H2C H2C C NH2 COO CO CH2 COO MalonilCoA 12 O2 CO2 HCN H2O Figura 1522 Rota biossintética do etileno e ciclo de Yang O aminoácido me tionina é o precursor do etileno A etapa limitante da taxa na rota é a conversão de Sadenosilmetionina em ACC que é catalisado pela enzima ACCsintase A última etapa na rota a conversão de ACC em etileno requer oxigênio e é catalisada pela enzima ACCoxidase O grupo CH3S da metionina é reciclado via ciclo de Yang e assim conservado para a síntese continuada Além de ser convertido em etileno o ACC pode ser conjugado ao Nmalonil ACC AAO ácido aminooxiacético AVG aminoetoxivinilglicina De McKeon et al 1995 Taiz15indd 426 Taiz15indd 426 27102016 152342 27102016 152342 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 427 Piruvato transneoxantina PLASTÍDIO CITOPLASMA Reação induzida pelo estresse NCED 9cisepoxicarotenoide dioxigenase Gliceraldeído3P 9cisneoxantina C40 Xantoxina C15 ABAaldeído C15 Ácido abscísico C15 ABA Isopentenildifosfato IPP Zeaxantina C40 todo transviolaxantina C40 HO O HO O CHO HO O OH CHO O COOH OH OPP HO OH HO OH O O OH Figura 1523 Diagrama simplificado da rota de biossíntese do ABA via rota dos terpenoides Os estágios iniciais ocorrem nos plas tídios onde o isopentenildifosfato IPP é convertido na xantofila zeaxantina C40 Posteriormente a zeaxantina é modificada para 9cisneoxantina que é clivada pela enzima NCED 9cisepoxicaro tenoide dioxigenase para formar o inibidor C15 xantoxina Após a xantoxina é convertida em ABA no citosol Mutantes deficientes em ABA que têm sido úteis na elucidação da rota estão apresentados no Apêndice 3 na internet Taiz15indd 427 Taiz15indd 427 27102016 152343 27102016 152343 428 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento inativação do ABA O ABA também pode ser inativado por conjugação mas esse processo é reversível Ambos os tipos de inativação são fortemente regulados As concentrações de ABA podem flutuar drastica mente em tecidos específicos durante o desenvolvimen to ou em resposta a mudanças nas condições ambien tais Nas sementes em desenvolvimento por exemplo os níveis de ABA podem aumentar 100 vezes em pou cos dias chegando a quantidades micromolares e de pois decair a níveis muito baixos à medida que a ma turação prossegue ver Capítulo 21 Sob condições de estresse hídrico ie estresse por desidratação o ABA nas folhas pode aumentar 50 vezes em 4 a 8 horas ver Capítulo 24 Os brassinosteroides são derivados do esterol campesterol Os brassinosteroides são sintetizados do campesterol um esterol vegetal que é estruturalmente similar ao co lesterol Os membros da família enzimática citocromo P450monoxigenase CYP que são associados ao RE catalisam a maioria das reações na rota biossintética de brassinosteroides Figura 1524 Os níveis de brassinoste roides bioativos também são modulados por diversas rea ções de inativação ou catabólicas incluindo epimerização oxidação hidroxilação sulfonação e conjugação à glicose ou aos lipídeos No entanto até agora foram identificadas somente poucas enzimas responsáveis pelo catabolismo ou pela inativação de brassinosteroides Reação catabólica Campesterol Campestanol Rota tardia de oxidação no C6 Brassinosteroide mais ativo Brassinosteroide ativo Rota precoce de oxidação no C6 6deoxocatasterona 6deoxoteasterona 6oxocampestanol Catasterona Teasterona Castasterona Brassinolídeo 26hidroxibrassinolídeo brassinosteroide inativo HO HO H HO H O HO HO H O OH OH HO HO H O O OH OH HO HO H O O OH OH OH Figura 1524 Rotas simplificadas da biossíntese e do catabolismo dos brassinosteroides Um dos precursores da biossíntese dos brassinosteroides é o campesterol Em ramos diferentes da rota colesterol e sitosterol também podem servir como precursores As setas pretas representam a sequência de eventos biossintéticos as setas contínuas indicam reações únicas e as setas tracejadas representam reações múltiplas Conforme mostrado cas tasterona o precursor imediato do brassinolídeo pode ser sintetizada a partir de duas rotas paralelas a rota precoce e a rota tardia de oxidação no C6 mais detalhes podem ser encon trados no Apêndice 3 na internet As rotas precoce e tardia podem ser ligadas em diversos pontos criando uma rede biossintética O catabolis mo do brassinolídeo está indicado por uma seta vermelha Taiz15indd 428 Taiz15indd 428 27102016 152343 27102016 152343 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 429 Os níveis de brassinosteroides ativos também são regulados por mecanismos de retroalimentação negativa dependente de brassinosteroide em que as concentrações de hormônio acima de um certo limiar provocam um de créscimo em sua biossíntese Essa atenuação é realizada pela regulação para baixo de genes da biossíntese de bras sinosteroides e pela regulação para cima de genes envolvi dos no catabolismo de brassinosteroides Desse modo os mutantes prejudicados em sua capacidade de responder ao brassinolídeo acumulam níveis altos dos brassinosteroides ativos em comparação com as plantas do tipo selvagem As estrigolactonas são sintetizadas a partir do βcaroteno Como o ABA as estrigolactonas são de rivadas de precursores carotenoides nos plastídios em uma rota que é conser vada para a síntese da carlactona inter mediária Além desse limite plastidial a biossíntese de estrigolactonas diverge de uma maneira espécieespecífica Figura 1525 Essa divergência é atribuída à di versidade funcional de isoformas do cito cromo P450 MAX1 que atuam sobre a carlactona A rota de sinalização das estrigolac tonas será discutida no Capítulo 19 Transmissão de sinal e comunicação célula a célula A sinalização hormonal costuma envolver a transmissão do hormônio de seu sítio de síntese para seu sítio de ação Em geral os hormônios transportados aos sítios de ação em tecidos distantes de seu sítio de síntese são referidos como hormônios endócrinos enquanto aqueles que atuam em células adjacentes à fonte de síntese são referidos como hormônios parácrinos Figura 1526 Os hormônios também podem funcionar nas mesmas células em que são sintetizados sendo referidos como efetores autócrinos A maioria dos hormônios vegetais tem atividades parácri nas pois as plantas carecem dos sistemas circulatórios de Plastídio Citosol alltransβcaroteno 9cisβcaroteno O 9cisβapo10carotenol O O O Carlactona O O O O O 5desoxistrigol Citocromo P450 MAX1 Outras estrigolactonas Figura 1525 Rota biossintética de estri golactona e proteínas de sinalização Alltrans caroteno é isomerizado a 9ciscaroteno por uma caroteno isomerase Pela ação de dioxigenases de clivagem de carotenoides 9ciscaroteno é clivado na linha vermelha tracejada sendo produzida carlactona Os es tágios finais da síntese de estrigolactona e sina lização ocorrem no citosol Taiz15indd 429 Taiz15indd 429 27102016 152343 27102016 152343 430 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento movimento rápido encontrados em animais e associados com hormônios endócrinos clássicos Contudo o trans porte hormonal mais lento por longa distância via sis tema vascular é uma característica comum em plantas a despeito da ausência de glândulas secretoras de hormô nios como as dos sistemas endócrinos animais Por exemplo o transporte polar de auxina via absor ção celular altamente regulada e mecanismos de efluxo é essencial para o papel da auxina no estabelecimento e na manutenção do crescimento vegetal polar e organogêne se Os mecanismos celulares que controlam o transporte polar de auxina serão descritos no Capítulo 17 Os hormô nios lipofílicos como o ABA e as estrigolactonas podem se difundir através de membranas mas em alguns tecidos são transportados ativamente através de membranas por transportadores de cassetes de ligação ao ATP da subfa mília G ABCG ATP binding casette subfamily G Recen temente foi demonstrado o transporte polarizado de es trigolactona para fora do ápice da raiz por uma proteína ABCG As citocininas podem moverse por longas dis tâncias nas correntes transpiratórias do xilema recentemente demonstrouse que elas são transportadas de maneira ativa para o sistema vascular na raiz Auxinas e citocininas também podem se mover com fluxos de fontedreno no floema Pesqui sas recentes sugerem que os níveis de GA nos tecidos da raiz são controlados por um mecanismo de transporte ativo resultando na acumula ção desse hormônio de crescimento nas células endodér micas em expansão que controlam o alongamento da raiz Como um composto gasoso o etileno é mais solúvel em bicamadas lipídicas do que na fase aquosa e pode passar livremente pela membrana plasmática Por outro lado seu precursor ACC é hidrossolúvel e considerase que seja transportado via xilema para os tecidos da parte aérea Atualmente não se sabe se os brassinosteroides têm ati vidade endócrina ou parácrina Os brassinosteroides não parecem passar por translocação da raiz para a parte aérea e da parte aérea para a raiz visto que experimentos com ervilha e tomateiro indicam que a enxertia recíproca de cavaloenxerto do tipo selvagem para mutantes deficientes de brassinosteroides não resgata o fenótipo do último Em vez disso os componentes da rota de biossíntese e sinali zação de brassinosteroides são expressos por toda a plan ta em especial em tecidos jovens em crescimento Embora careçam de sistemas nervosos como os pre sentes nos animais as plantas empregam sinalização elé trica de longa distância para a comunicação entre partes distantes de seu corpo O tipo mais comum de sinalização elétrica em plantas é o potencial de ação a despolariza ção transitória da membrana plasmática de uma célula ge rada por canais iônicos com portões controlados por vol tagem ver Capítulo 6 Foi demonstrado na sensitiva M pudica que os potenciais de ação medeiam o fechamento dos folíolos induzido pelo contato bem como o fechamen to rápido 01 s da dioneia que ocorre quando um inseto toca nos pelos sensíveis nos lados superiores dos lobos fo liares do tipo armadilha Figura 1527A Para que a res posta seja ativada dois pelos devem ser tocados em um intervalo de 20 segundos ou um pelo deve ser tocado duas vezes em sucessão rápida Já que cada deslocamento evoca um potencial de ação Figura 1527B a folha deve ter um mecanismo de contagem dos potenciais de ação 160 140 120 100 80 60 40 20 20 B A 0 Voltagem de membrana mV 0 2 4 6 Tempo s Pelo de disparo Pontas Lobo Nervura mediana Membrana plasmática Célula Autócrina Parácrina Receptor Figura 1526 Sinalização autócrina versus parácrina Os sinais autócrinos ligamse a receptores na mesma célula em que são sin tetizados Os sinais parácrinos ao contrário ligamse a receptores em células localizadas a uma pequena distância do sítio de síntese A sinalização que envolve o transporte por distâncias maiores é de nominada sinalização endócrina Figura 1527 Sinalização elétrica na dioneia Dionaea muscipula A Ilustração de folha cap tora com pontas semelhantes a agulhas e pelos de disparo sensíveis ao contato B Potencial de ação em resposta a dois ou mais contatos com um único pelo de disparo A estimulação dos pelos de disparo por uma presa ativa canais iô nicos mecanossensíveis Isso leva à indução de potenciais de ação fazendo os lobos foliares se fecharem e secretarem enzimas digestivas B de EscalantePérez et al 2011 Taiz15indd 430 Taiz15indd 430 27102016 152343 27102016 152343 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 431 Nos últimos anos tem sido demonstrado que a sina lização elétrica facilita a comunicação rápida entre partes distantes de plantas em resposta a diversos tipos de es tresse Isso indica que a sinalização elétrica é uma carac terística fisiológica vegetal Conforme será discutido no Capítulo 23 os sinais elétricos podem ser propagados por toda a planta pelo sistema vascular em resposta ao dano causado pela mastigação de insetos No entanto diferen temente dos sistemas nervosos de animais as plantas ca recem de sinapses que transmitem sinais elétricos de um neurônio para outro via secreção de neurotransmissores O mecanismo da transmissão muito mais lenta de sinais elétricos ao longo dos sistemas vasculares das plantas ain da é pouco compreendido Rotas de sinalização hormonal Os sítios de ação de hormônios são células com recepto res específicos que podem ligar os hormônios e iniciar uma cascata de transdução de sinal As plantas empregam mui tos receptores quinases e quinases de transdução de sinal para realizar as respostas fisiológicas de célulasalvo de hormônios Nas seções seguintes serão examinados os ti pos de receptores e as rotas de transdução de sinal associa dos a cada um dos principais hormônios vegetais As rotas de transdução de sinal de etileno e de citocinina são derivadas dos sistemas reguladores bacterianos de dois componentes Em bactérias os sistemas reguladores de dois com ponentes são importantes sistemas de sinalização que medeiam uma ampla gama de respostas aos estímulos ambientais Os dois componentes desse sistema de sinali zação consistem em uma proteína sensora histidina qui nase ligada à membrana e uma proteína solúvel regula dora de resposta Figura 1528A As proteínas sensoras recebem o sinal de entrada sofrem autofosforilação sobre um resíduo de histidina e passam o sinal aos regulado res de resposta mediante transferência do grupo fosforil a um resíduo de aspartato conservado sobre o regulador de resposta A seguir os reguladores de resposta ativa A Sistema procariótico de dois componentes B Versão do sistema procariótico de dois componentes com múltiplas etapas H D Domínio de entrada Domínio transmissor Domínio de entrada Domínio transmissor Proteína sensora histidina quinase Domínio de recepção Domínio de recepção Domínio Hpt Domínio de saída Proteína reguladora de resposta Domínio de recepção Domínio de saída Resposta expressão gênica Resposta expressão gênica O grupo fosfato é transferido do domínio transmissor da proteína sensora para o domínio de recepção do regulador de resposta O fosfato é transferido para o domínio de recepção do receptor O fosfato é transferido para a proteína Hpt O fosfato é transferido para o domínio de recepção de um regulador de resposta P H H D D P P P P P Sensor híbrido de histidina quinase p ex receptores de citocinina CRE1 AHK2 e AHK3 Proteína histidina de transferência de fosfatos Hpt p ex AHP1 na rota da citocinina Reguladores de resposta fatores de transcrição ARRs do tipo B Figura 1528 Sistemas de sinalização de dois componentes de bactérias e plantas A O sistema bacteriano de dois componentes consistindo em uma proteína sensora e uma proteína reguladora de resposta é encontrado somente nos procariotos B Uma versão derivada do sistema de dois componentes com múltiplas etapas e envolvendo uma proteína intermediária de transferência de fósforo é encontrada nos procariotos e nos eucariotos A proteína receptora vegetal de dois componentes inclui um domínio receptor fusionado ao domínio transmissor Uma proteína histidina transfere fosfatos do domínio de recepção do receptor para o domínio de recepção do regulador de resposta H resíduo de histidina D resíduo de as partato Taiz15indd 431 Taiz15indd 431 27102016 152343 27102016 152343 432 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento P P P P P P H H H D D H Domínio de saída Domínio de recepção Respostas à citocinina Degradação pelo proteassomo 26S ARR do tipo B ARR do tipo A AHP AHP Fosforilação Fosforilação DNA SCFKMD mRNA Transcrição dos ARRs do tipo A D COOH PseudoHPs Domínio de recepção Domínio CHASE Retículo endoplasmático Inativada por degradação pela citocinina oxidase e por glicosilação D COOH NH3 H3N Domínio de histidina quinase Citocinina CRE1 AHK2 AHK3 Citosol Núcleo 1 O receptor de citocinina CRE1 provavelmente funciona como um dímero A citocinina ligase ao domínio CHASE que reside no lume do RE ou extracelularmente Duas outras quinases sensoras híbridas AHK2 e AHK3 também podem atuar como receptores de citocinina em Arabidopsis 2 A ligação da citocinina a esses receptores ativa sua histidina quinase O fosfato é transferido a um resíduo de aspartato D nos domínios de recepção fusionados 3 O fosfato é então transferido para uma histidina conservada presente em uma proteína AHP 4 As proteínas AHP transferem o fosfato para um resíduo de aspartato localizado dentro do domínio de recepção dos ARRs do tipo A e do tipo B 5 A fosforilação do ARR do tipo B ativa o domínio de saída para induzir a transcrição dos genes que codificam ARRs do tipo A 8 Os ARRs do tipo B são ubiquitinados por ubiquitina ligase do complexo SCFKMD e degradados pelo proteassomo 26S 10 Os diversos genes cujos níveis dos transcritos são alterados pelos ARRs do tipo B bem como seus alvos a jusante medeiam a resposta da célula à citocinina 9 Os pseudoHPs carecem do sítio His de fosforilação e regulam negativamente a rota 7 Os ARRs do tipo A fosforilados retroalimentam para regular negativamente a sinalização da citocinina tamponando assim as respostas a ela Os níveis de resposta dos ARRs do tipo A à citocinina crescem como resultado do aumento da transcrição e da estabilidade proteica ATP ADP 2 1 3 4 6 7 5 8 10 6 Os ARRs do tipo A provavelmente também sejam fosforilados pelas proteínas AHP Eles são encontrados no núcleo e no citoplasma não mostrado P 9 Figura 1529 Modelo para a rota de transdução de sinal da citocinina A citocinina ligase ao receptor CRE1 dimerizado loca lizado no retículo endoplasmático o qual inicia a cascata de fosfo rilação que leva à resposta da citocinina KMDs proteínas KISS ME DEADLY AHP proteína histidina de transferência de fosfatos em Arabidopsis ARR regulador de resposta em Arabidopsis pseudo HP inibe a sinalização da citocinina por competição com AHP15 de transferência de fosfatos Taiz15indd 432 Taiz15indd 432 27102016 152344 27102016 152344 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 433 dos por fosforilação muitos dos quais atuam como fatores de transcrição executam a resposta celular As proteínas sensoras têm dois domínios um domínio de entrada input domain que recebe o sinal ambiental e um domínio trans missor que transmite o sinal para o regulador de resposta As proteínas reguladoras de resposta também possuem dois domínios um domínio receptor que recebe o sinal do domínio transmissor da proteína sensora e um domínio de saída output domain que medeia a resposta Nas rotas de transcrição de sinal ativadas pelos hor mônios vegetais citocinina e etileno são encontradas mo dificações desse sistema bacteriano simples de dois com ponentes A sinalização da citocinina é mediada por um sistema de transmissão de fosforilação que consiste em um receptor de citocinina transmembrana uma proteína de transferência de fosfato e um regulador de resposta nuclear Figura 1528B Os receptores de citocinina de signados CRE1 AHK2 e AHK3 estão relacionados na sequência de aminoácidos às histidinas quinase em siste mas de dois componentes No entanto esses receptores de citocinina são descritos como histidinas quinase de sensor híbrido pois eles contêm domínios de entrada do sensor bacteriano e de histidinas quinase transmissor assim como o domínio receptor de uma proteína reguladora de resposta bacteriana Assumiuse originalmente que os receptores de ci tocinina estavam localizados na membrana plasmática o que é refletido no nome do domínio de ligação ao ligan te CYCLASE HISTIDINE KINASE ASSOCIATED SEN SORY EXTRACELLULAR CHASE Contudo a maioria dos receptores de citocinina de Arabidopsis e do milho na verdade reside no RE A ligação da citocinina ao domí nio CHASE de seu receptor desencadeia a autofosforilação de um resíduo de histidina no domínio transmissor se guida pela transferência do mesmo fosfato para o resíduo de aspartato no domínio receptor Figura 1529 Após o fosfato é transferido para as proteínas ARABIDOPSIS HISTIDINE PHOSPHOTRANSFER AHP As AHPs recém fosforiladas funcionam como intermediários de sinali zação que transmitem sinais de citocinina percebidos na membrana para os reguladores de resposta de localização nuclear denominados ARABIDOPSIS RESPONSE REGU LATOR ou ARR mediante transferência do grupo fosfato para um aspartato no domínio receptor do ARR ver Figu ra 1529 Essa fosforilação dos ARRs altera sua atividade que realiza a resposta celular Os reguladores de resposta ARR são codificados por famílias multigênicas Eles são colocados em duas classes básicas os genes ARR do tipo A cujos produtos são cons tituídos unicamente de um domínio de recepção e os ge nes ARR do tipo B que também incluem um domínio de saída contendo sítios de ativação da transcrição de ligação ao DNA ver Figura 1529 Os ARRs do tipo A regulam negativamente a sinalização da citocinina por interação com outras proteínas de uma maneira dependente do es tado de fosforilação do ARR do tipo A Os ARRs do tipo B são ativados por fosforilação o que os capacita a regu lar a transcrição de um conjunto de genesalvo incluindo aqueles que codificam os ARRs do tipo A que originam as mudanças celulares envolvidas na resposta à citocinina A família de proteínas Fbox denominadas proteínas KISS ME DEADLY KMD regula negativamente a resposta à citocinina mediante destinação das proteínas ARR do tipo B para degradação via complexo ubiquitina E3 ligase SCFKMD Os receptores de etileno são codificados por uma fa mília multigênica em Arabidopsis ETR1 ETR2 ERS1 ERS2 e EIN4 que também é relacionada evolutivamente a histidinas quinase bacterianas de dois componentes No entanto apenas dois dos receptores de etileno em Arabi dopsis ETR1 e ERS1 têm atividade intrínseca de histidina quinase e sua atividade não mostra desempenhar um pa pel essencial na sinalização Ao contrário da sinalização da citocinina a rota de sinalização do etileno portanto não envolve um sistema de transmissão de fosforilação Os re ceptores de etileno estão localizados na membrana do RE e interagem com duas proteínas de sinalização a jusan te CTR1 CONSTITUTIVE TRIPLE RESPONSE e EIN2 ETHYLENEINSENSITIVE2 Figura 1530 A CTR1 é uma serinatreonina quinase solúvel que está sempre as sociada fisicamente a receptores de etileno A EIN2 é uma proteína de RE com um domínio Cterminal citosólico que é um alvo para a atividade da CTR1quinase Ela é neces sária para estabilizar os fatores de transcrição da família EIN3 ETHYLENEINSENSITIVE3 que ativam a trans crição dos genes de resposta ao etileno Os receptores de etileno funcionam como reguladores negativos que reprimem ativamente a resposta ao hormô nio na ausência dele Na ausência do etileno quando os receptores são ativados os receptores de etileno ativam a CTR1quinase que então fosforila diretamente e desse modo inativa a EIN2 ver Figura 1530 Portanto a CTR1 ativa também é um regulador negativo da rota de resposta ao etileno Quando o etileno se liga ao domínio transmembra na Nterminal de seus receptores estes são inativados e a CTR1 é desligada Isso leva à desfosforilação de EIN2 por uma fosfatase ainda não identificada e à subsequen te clivagem proteolítica de seu Cterminus citosólico por uma protease não identificada A interação de CTR1 com EIN2 e proteínas similares ao etileno também regula a es tabilidade do receptor para garantir que os mecanismos de resposta possam reiniciar rapidamente O domínio C terminal de EIN2 liberado então migra para o núcleo onde ativa EIN3 de maneira direta ou indireta A família EIN3 de fatores de transcrição ativada regula a transcrição da maioria dos genes que são rapidamente induzidos pelo etileno incluindo o fator de transcrição ERF1 ETHYLENE RESPONSE FACTOR1 ver Figura 1530 A ativação de EIN3 e ERFs serve para alterar a expressão de um grande nú mero de genes para realizar as numerosas mudanças no funcionamento de células vegetais em resposta ao etileno Taiz15indd 433 Taiz15indd 433 27102016 152344 27102016 152344 434 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Os receptores do tipo quinase medeiam as rotas de sinalização de certas auxinas e de brassinosteroides A maior classe de receptores quinases vegetais consiste em RLKs Muitas RLKs localizamse na membrana plasmáti ca como proteínas transmembrana que abrigam domínios extracelulares de ligação ao ligante e domínios quinases citoplasmáticos que transmitem informação ao interior da célula via fosforilação de resíduos de serina ou treonina de proteínasalvo Foi demonstrado que algumas RLKs fosfori lam também resíduos de tirosina Os ligantes de várias RLKs têm sido identificados e incluem sinais químicos produzidos por interações bióticas e hormônios vegetais endógenos como brassinosteroides auxina e hormônios peptídicos A rota de sinalização de brassinosteroides mediada por RLKs combina estratégias de amplificação de sinal e inativação de repressor visando transduzir um sinal de hormônio brassinosteroide extracelular em uma respos ta transcricional Em suma a ligação do brassinolídeo ao receptor quinase do brassinosteroide BRASSINOSTE ROIDINSENSITIVE1 BRI1 na membrana plasmática desencadeia uma cascata de fosforilação que provoca a inativação da proteína repressora BRASSINOSTEROID INSENSITIVE2 BIN2 Isso resulta na inativação dos fa tores de transcrição BRI1EMS SUPPRESSOR1 BES1 e BRASSINAZOLERESISTANT1 BZR1 e na subsequente expressão gênica Figura 1531 O receptor BRI1 pertence à subfamília de RLKs rica em repetições de leucina LRR leucine rich repeat e con tém um domínio Nterminal extracelular que liga bras sinolídeo um domínio transmembrana único e um do mínio quinase citoplasmático com especificidade para resíduos de tirosina serina ou treonina ver Figura 1531 Após ligação ao brassinolídeo homodímeros de BRI1 são ativados e heterooligomerizam com BRI1ASSOCIATED RECEPTOR KINASE1 BAK1 de RLK ver Figura 1531 Retículo endoplasmático Núcleo Citoplasma ADP ATP P EIN2 EIN3 EIN3 ERF1 Genes de resposta ao etileno Proteassomo 26S ETR1 CTR1 ativa C2H4 ausente C2H4 presente Cu HK R C C C C N EIN2 N N N HK R ETR1 CTR1 inativa Cu HK HK R R C C N N 1 Na ausência de etileno os receptores desse hormônio como ETR1 ativam CTR1 uma serina treonina quinase 2 CTR1 fosforila o domínio Cterminal de EIN2 3 A fosforilação de EIN2 inibe a clivagem proteolítica o domínio Cterminal não migra para o núcleo 4 Os fatores de transcrição EIN3 são ubiquitinados e degradados pelo proteassomo 26S Não são ativadas respostas ao etileno Etileno 5 Na presença de etileno a sinalização de ETR1 é reprimida e CTR1 é inativa 6 O Cterminus de EIN2 não fosforilado é clivado por uma protease e se move para o núcleo 7 No núcleo o Cterminus de EIN2 inibe a ubiquitinação e a reciclagem turnover de EIN3 pelo proteassomo 26S 8 EIN3 inicia uma cascata transcricional por ativação da expressão de genes de resposta ao etileno incluindo o gene que codifica o fator de transcrição ERF1 levando às respostas ao etileno Proteassomo 26S Figura 1530 Modelo de sinalização do etileno em Arabi dopsis O etileno ligase ao receptor ETR1 que é uma proteína integral de membrana do retículo endoplasmático Múltiplas isoformas dos receptores de etileno podem estar presentes em uma célula Para facilitar a compreensão somente o ETR1 está indicado O receptor é um dímero unido por pontes dissulfeto O etileno ligase dentro do domínio transmembrana por meio de um cofator de cobre que está reunido nos receptores de etileno De Ju et al 2012 Taiz15indd 434 Taiz15indd 434 27102016 152344 27102016 152344 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 435 1433 P P P P P P P P P P P P P Citosol BIN2 P BIN2 BSU1 BES1 BZR1 P P P BES1 BZR1 BES1 BZR1 Endossomo inicial BES1 BZR1 BES1 BZR1 BES1 BZR1 Outras TFs Núcleo EboxBRRE BRRE 6 As proteínas BSK ativam a BSU1 fosfatase 7 A BSU1 ativada desfosforila a BIN2quinase 8 A BIN2 desfosforilada é degradada pelo sistema proteossômico 11 As proteínas BES1BZR1 fosforiladas têm vida curta e são degradadas no proteassomo 12 As proteínas BES1BZR1 não podem se ligar ao DNA 13 Na presença de BRs as proteínas BES1 e BZR1 desfosforiladas associamse entre si ou com outros fatores de transcrição e se ligam ao DNA Transcrição Expressão gênica DNA Repressão de genes p ex genes da biossíntese de BR 14 BES1 e BZR1 formam heterodímeros com diferentes fatores de transcrição e se ligam a sequências Fbox para ativar genes 15 BZR1 pode ligarse a uma sequência promotora diferente para reprimir genes 9 Na ausência de BRs a BIN2 fosforilada fosforila BES1BZR1 10 As proteínas BES1BZR1 fosforiladas são retidas no citoplasma ou exportadas do núcleo pelas proteínas 1433 BKI1 1433s BRI1 BRI1 BAK1 BL KD ID LRR CT BSK Parede celular Apoplasto 1 Na ausência de BRs BRI1 e BAK1 podem formar homodímeros inativos A atividade de BRI1 é inibida por sua cauda terminal carboxila e pelo inibidor da quinase BKI1 2 BKI1 é inativo BRI1 e BAK1 também passam por endocitose e reciclagem 3 A ligação de BR ao receptor induz a fosforilação de BRI1 e promove a hetero dimerização de BRI1BAK1 reunindo seus domínios citoplasmáticos para interação transfosforilação e ativação 4 Após ativação do receptor BKI1 é fosforilado e dissociase da membrana plasmática Um subconjunto de 1433s pode auxiliar sua dissociação 5 O complexo receptor ativado fosforila quinases de sinalização de BR BSKs HO HO HO HO H O O OH OH OH OH HO HO H O O OH OH HO HO H O O OH OH Figura 1531 Rota de transdução de sinal de brassi nosteroide BR O receptor BRI1 está localizado na mem brana plasmática MP A região extracelular consiste em um trecho espiralado de sequências de repetições ricas em leucina LRRs contendo um domínio insular ID que funciona como parte do sítio de ligação ao brassi nolídeo BL A porção intracelular contém um domínio quinase KD e a cauda Cterminal CT A percepção do sinal ocorre na superfície celular e resulta em mudanças na expressão gênica regulada por BR BRRE elemento de resposta ao brassinosteroide brassinosteroid response element De Jiang et al 2013 Taiz15indd 435 Taiz15indd 435 27102016 152344 27102016 152344 436 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento RLKs passam por autofosforilação e transfosforilação du rante a ativação Antes da ligação ao brassinolídeo BRI1 interage com BRI1KINASE INHIBITOR BKI1 que im pede a associação com BAK1 Após a ativação de BRI1 BKI1 é liberado da membrana plasmática BRI1 e BAK1 dimerizam e BRI1 fosforila e ativa dois receptores do tipo quinases citoplasmáticas ancorados na membrana plasmática RLCKs de receptorlike cytoplasmic kinases BRSIGNALING KINASE1 BSK1 e CONSTITUTIVE DIFFERENTIAL GROWTH1 CDG1 A seguir BSK1 e CDG1 ativadas fosforilam e ativam o BRI1 SUPPRES SOR1 BSU1 de serinatreonina fosfatase Este por sua vez inativa a proteína repressora BIN2 BIN2 é uma proteína serinatreonina quinase que na ausência de brassinolídeo e por fosforilação regu la negativamente os fatores de transcrição BES1 e BZR1 estreitamente relacionados A fosforilação de BES1BZR1 por BIN2 possui pelo menos dois papéis reguladores Pri meiro a fosforilação dos fatores de transcrição mediada por BIN2 impedeos de passar para o núcleo e causa sua retenção no citosol Segundo a fosforilação impede que BES1BZR1 se ligue aos promotoresalvo bloqueando portanto sua atividade como reguladores transcricionais Na presença de brassinolídeo a BSU1fosfatase ati vada desfosforila BIN2 e promove sua degradação pelo sistema proteassomo 26S bloqueando assim sua ativi dade ver etapas 6 e 7 na Figura 1531 BES1 e BZR1 são então desfosforilados pela PROTEIN PHOSPHATASE2A PP2A e as formas ativas de BES1 e BZR1 movemse para o núcleo onde regulam a expressão dos genes de resposta ao brassinolídeo ver Figura 1531 Além da sinalização de brassinosteroides um sistema RLK também funciona como um receptor de auxina ex tracelular que regula o caráter lobado das células epidér micas fundamentais ver Capítulo 14 nos cotilédones de Arabidopsis A ligação da auxina à AUXIN BINDING PRO TEIN1 ABP1 resulta na interação com a TRANSMEM BRANE KINASE1 TMK1 que ativa ROPquinases ROPs e proteínas RIC associadas regulam o tráfego subcelular de proteínas de membrana que incluem os transportadores de efluxo de auxina PINFORMED PIN reguladores do crescimento polar ver Capítulos 17 19 e 21 Os componentes da sinalização central do ácido abscísico incluem fosfatases e quinases Além das proteínas quinase as proteínas fosfatase en zimas que removem grupos fosfato de proteínas desem penham papéis importantes nas rotas de transdução de sinal Um exemplo bem descrito é a rota de transcrição de sinal do hormônio ABA a qual é dependente de PYR PYLRCAR Os membros da superfamília de proteínas PYRPYLRCAR do domínio START STEROIDOGENIC ACUTE REGULATORY PROTEINRELATED LIPID TRANSFER que contém uma prevista bolsa hidrofóbi ca de ligação ao ligante constituem a etapa inicial da rota central de transdução de sinal do ABA Em Arabidopsis foram identificados 14 membros dessa superfamília Sua nomenclatura reflete suas descobertas PYRABACTIN RESISTANCE1 PYR1 que mostra resistência ao com posto sintético de sulfonamida chamado pirabactina que mimetiza a ação do ABA PYR1LIKE PYL e REGULA TORY COMPONENTS OF ABA RECEPTORS RCARs A superfamília de proteínas PYRPYLRCAR é con servada nas plantas desde as eudicotiledôneas até os musgos as proteínas estão localizadas tanto no citosol quanto no núcleo Elas interagem com PP2Cfosfatases de uma maneira dependente do ABA para regular a atividade a jusante de proteínas serinastreoninas quinase da famí lia Sucrose nonFermenting Related Kinase2 SnRK2 Na ausência de ABA essas PP2Cs ligamse a Ctermini de SnRK2s e bloqueiam a atividade da SnRK2quinase removendo grupos fosfato de uma região dentro do domí nio quinase denominada alça de ativação Figura 1532A Uma vez que o mesmo domínio de PP2Cs interage com o receptor ou a quinase essas interações são mutuamente exclusivas para isoformas individuais de PP2C A ligação ao ABA muda a conformação dos receptores PYRPYL RCAR para permitir ou intensificar a interação com PP2C e assim reprimir a atividade da PP2Cfosfatase Isso libe ra de inibição as SnRK2quinases As proteínas SnRK2 então ficam livres para fosforilar muitas proteínasalvo incluindo os canais iônicos que regulam a abertura esto mática e os fatores de transcrição que ligam os elementos de resposta ao ABA aos promotores gênicos para ativar a expressão gênica responsiva ao ABA Figura 1532B Por isso a transdução de sinal do ABA é baseada na inversão do balanço entre as atividades da proteína PP2Cfosfatase e da SnRK2quinase Como tem sido descrito para os re ceptores de auxina as diferenças na expressão dos recep tores e PP2Cs e suas afinidades por ABA e mutuamente permitem respostas variadas a uma ampla gama de con centrações de ABA em tipos celulares diferentes Essas mesmas PP2Cs interagem com outras proteínas envolvidas em respostas celulares ao ABA incluindo ou tras proteínas quinase proteínas sensoras de Ca2 fatores de transcrição e canais iônicos presumivelmente regulan do sua atividade mediante desfosforilação de resíduos es pecíficos de serina ou treonina A rota de sinalização de pendente de PYRPYLRCAR exerce um papel importante no fechamento estomático em resposta ao ABA que será discutido no Capítulo 24 As rotas de sinalização dos hormônios vegetais geralmente empregam regulação negativa Fundamentalmente a maioria das rotas de transdução de sinal provoca uma resposta biológica por indução de mu danças na expressão de genesalvo selecionados A maior parte das rotas de transdução de sinal em animais induz uma resposta por meio da ativação de uma cascata de re guladores positivos Ao contrário a maioria das rotas de transdução em vegetais induz uma resposta por inativação de proteínas repressoras Por exemplo a ligação do etileno ao ETR1 resulta na dissociação do repressor CTR1 e na ativa ção do fator de transcrição EIN3 ver Figura 1530 De ma Taiz15indd 436 Taiz15indd 436 27102016 152344 27102016 152344 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 437 neira semelhante a ligação de brassinosteroides ao recep tor quinase BRI1 causa a inativação da proteína repressora BIN2 resultando na ativação dos fatores de transcrição BES1 e BZR1 ver Figura 1531 Por que as células vegetais desenvolveram rotas de sinalização com base na regulação negativa em vez da regulação positiva como ocorre em células animais A modelagem matemática das rotas de transdução de si nal que empregam reguladores negativos sugere que esses reguladores resultem na indução mais rápida de genes de resposta a jusante A velocidade de uma resposta espe cialmente a um estresse ambiental como a seca pode ser crucial à sobrevivência da planta séssil Em consequência a adoção de rotas de sinalização com regulação negativa pelas plantas na maioria dos casos provavelmente tenha conferido uma vantagem seletiva durante a evolução Nas células vegetais vários mecanismos moleculares foram descritos sobre a inativação de proteínas represso ras incluindo desfosforilação para modular a atividade repressora redestinação do repressor para outro compar timento celular e degradação da proteína repressora Con forme observado anteriormente a desfosforilação proteica é empregada pela rota do brassinosteroide para inativar a proteína repressora BIN2 ver Capítulo 1531 Vários receptores de hormônios vegetais codificam componentes da maquinaria de ubiquitinação e medeiam a sinalização via degradação de proteínas A degradação de proteínas como um mecanismo para inativar proteínas repressoras foi primeiro descrita como parte da rota de sinalização da auxina Desde então tem sido mostrado que a rota ubiquitinaproteassomo é es sencial para a maioria das rotas de sinalização de hor mônios se não todas Em suma uma pequena proteína chamada ubiquitina é primeiro ativada por uma enzima denominada enzima de ativação da ubiquitina E1 de uma maneira dependente de ATP Figura 1533A ver também Figura 218 A ubiquitina marcada é transferida para uma segunda enzima denominada enzima de conjugação da ubiquitina E2 Essa enzima então associase a um com plexo de uma família de grandes complexos de proteínas denominados complexos SPHASE KINASEASSOCIATED PROTEIN1 Skp1CullinFbox SCF que funcionam como ubiquitina E3 ligase Um termo sobrescrito é aplicado a um nome de E3 ligase p ex SCFTIR1 para indicar qual é a proteína Fbox que o complexo contém As proteínas F box geralmente recrutam proteínasalvo para o complexo SCF de modo que elas podem ser marcadas com múltiplas cópias de ubiquitina pela E3 ligase ver Figura 1533A Essa poliubiquitinação atua como um marcador que des tina a proteína para degradação pelo proteassomo 26S um grande complexo multiproteico que degrada proteínas marcadas pela ubiquitina Em plantas a família de genes Fbox tem sido expandida de modo considerável para cen tenas de genes que supostamente degradam um número similar de alvos distintos Por exemplo as proteínas KMD já descritas atuam como parte de um complexo ubiquitina E3 ligase de SCFKMD e interagem diretamente com proteí nas ARR do tipo B para regular negativamente a rota de sinalização da citocinina Várias dessas proteínas Fbox funcionam como com plexos receptores de hormônios Figura 1533B e C Em P P P P PYRPYLRCAR PYRPYLRCAR PP2C bZIP Domínio quinase A ABA ausente Receptor de ABA I II SnRK2 desfosforilada inativa B ABA presente I II SnRK2 fosforilada ativa Na ausência do ABA a proteína fosfatase PP2C mantém a proteína quinase SnRK2 desfosforilada e portanto inativada Quando o ABA está presente seu receptor impede a desfosforilação de SnRK2 pela PP2C A SnRK2 fosforilada ativa fosforila substratos a jusante induzindo assim respostas ao ABA Fatores de transcrição AREB e ABFs ABAresponsivos Outros substratos de SnRK2 bZIP Expressão gênica Outras respostas ABA PP2C Alça de ativação O Figura 1532 A sinalização do ácido abs císico ABA envolve atividades de quinases e fosfatases A Na ausência do ABA a pro teína fosfatase PP2C desfosforila e inativa a SnRK2quinase B Na presença do ABA PYRPYLRCAR proteína receptora desse ácido interage com PP2C bloqueando a ação da fosfatase e liberando SnRK2 da re gulação negativa A SnRK2 ativada fosfori la fatores de transcrição ABAresponsivos bZIP e outros substratos desconhecidos para induzir uma resposta ao ABA SnRK2 proteína quinase 2 relacionada a SNF1 PP2C proteína fosfatase 2C AREB proteína de li gação ao elemento ABAresponsivo ABF fa tor de ligação ao elemento ABAresponsivo Taiz15indd 437 Taiz15indd 437 27102016 152344 27102016 152344 438 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Núcleo B Degradação da repressora AUXAIA pelo proteassomo 26S A AUX AIA AUX AIA Repressor AUXAIA Auxina O complexo receptor da auxina SCFTIR1 de ubiquitina E3 ligase ubiquitina o repressor AUXAIA Complexo E3 ligase SCFTIR1 Degradação de AUXAIA pelo proteassomo 26S TIR1 RBX1 CUL1 ASK1 TIR1 RBX1 CUL1 ASK1 Ubiquitina Ubiquitina Poliubiquitina E1 E1 E2 Proteínaalvo E2 E3 SCF E2 E2 Proteassomo 26S Proteassomo 26S Sítio de ligação parcial da auxina Sítio de ligação parcial da auxina E1 ligase E2 Ligase ATP AMP PPi 1 A ubiquitina passa por ativação pela E1 dependente de ATP 2 A ubiquitina é transferida à E2 3 A E2 ubiquitinada forma um complexo com a E3 ligase e a proteínaalvo 4 A proteínaalvo é ubiquitinada pelo complexo E2E3 5 A proteínaalvo é degradada pelo proteassomo 26S C Formação do complexo GAGID1DELLA Ubiquitina Degradação de DELLAs dependente do proteassomo Poliubiquitina E2 Proteassomo 26S Degradação de proteínas REPRESSOR SLY1 SKP1 RBX1 DELLA TVHYNP GID1 GID1 GA GA GID1 CUL1 GA VHIID LHRII GID1 GA GID1 GA Nterminus REPRESSOR REPRESSOR REPRESSOR REPRESSOR Figura 1533 As rotas de transdução de sinal em plantas com frequência funcionam por inativação de proteínas repressoras A Diagrama esquemático da rota de degradação ubiquitinaproteas somo que ocorre no citosol e no núcleo B A ligação da auxina ao seu complexo repressor inicia a degradação da ubiquitina depen dente da proteína repressora de AUXAIA pelo proteassomo 26S O receptor de auxina é composto de duas proteínas o componente TIR1 do complexo SCF e a proteína repressora AUXAIA As partes da ubiquitina são primeiro ativadas pela E1 ligase e adicionadas às proteínasalvo pela E2 ligase TIR1 recruta proteínas AUXAIA para o complexo SCFTIR1 de uma maneira dependente de auxina Uma vez recrutadas pela auxina as proteínas AUXAIA são ubiquitinadas pela atividade da E3 ligase do complexo SCFTIR1 que marca a pro teína para destruição pelo proteassomo 26S C A ligação da gibe relina GA ao seu receptor leva à degradação da repressora DELLA pelo proteassomo 26S Parte superior No núcleo a GA ligase ao receptor GID1 e induz a mudança conformacional no domínio N terminal do receptor permitindo que ele interaja com TVHYNP e domínios DELLA da repressora DELLA Parte inferior A formação do complexo GID1repressor promove a interação entre o repressor e a ubiquitina E3 ligase do complexo SCFSLY levando à ubiquitinação e à degradação da repressora DELLA pelo proteassomo 26S Taiz15indd 438 Taiz15indd 438 27102016 152344 27102016 152344 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 439 muitas rotas de sinalização de hormônios as proteínas marcadas para degradação são repressores transcricionais Na rota de sinalização da auxina os genes da família de genes receptores da auxina TIR1AFB15 codificam componentes Fbox do complexo SCF que atua na degrada ção de repressores de AUXINAÁCIDO INDOL3ACÉTICO AUXAIA da transcrição gênica responsiva à auxina Fi gura 1534A Os genes responsivos à auxina geralmente têm sítios de ligação ao elemento de resposta à auxina AuxRE auxin responsive element localizados em suas re giões promotoras Os fatores de resposta à auxina ARFs auxin responsive factors são fatores de transcrição que se li gam a esses motivos do AuxRE para estimular ou reprimir a transcrição ver Figura 1534A Para ativar a transcrição os ARFs formam homodímeros via domínios de interação conservados e recrutam fatores de remodelação da cro matina Quando as concentrações de auxina são baixas as proteínas repressoras de AUXAIA contendo domínios de interação similares aos encontrados nos ARFs formam heterodímeros com os ARFs e assim reprimem a ativação transcricional Na presença de auxina os repressores de AUXAIA são recrutados para o complexo receptor TIR1 AFB e são marcados com ubiquitina para degradação pelo proteassomo 26S ver Figura 1533B Isso permite que os ARFs dimerizem ou mesmo oligomerizem e ativem a transcrição gênica TIR1 e AFB15 portanto funcionam como correceptores de auxina com a auxina atuando como uma cola molecular sem exigência de fosforilação do re ceptor diferente do que é constatado nos sistemas de E3 ligase análogos Entre os muitos genesalvo estão os que codificam enzimas de metabolização da auxina e represso res de AUXAIA que ao fim servem para reduzir os níveis de auxina ativa e encerrar a sinalização dependente de ARF Os hormônios vegetais jasmonato e GA também promovem a interação entre uma proteína Fbox de uma ubiquitina E3 ligase de SCF e suas proteínasalvo repres soras transcricionais Figura 1534B e C A proteína F box CORONATINEINSENSITIVE1 COI1 funciona como um receptor de jasmonato Como a auxina o jas monato conjugado ao aminoácido isoleucina promove a interação entre COI1 e repressores da expressão gênica induzida pelo jasmonato denominados proteínas JASMO NATE ZIMDOMAIN JAZ ver Figura 1534B marcando desse modo as proteínas JAZ para degradação ver Figu ra 2319 Análogas às proteínas AUXAIA as proteínas repressoras JAZ suprimem a transcrição dos genes de resposta ao jasmonato mediante ligação aos fatores de transcrição MYC de hélicealçahélice básicos bHLH basic helixloophelix A degradação das proteínas repres soras JAZ dependente de ubiquitina induzida pelo jas monato resulta na liberação e na ativação de fatores de transcrição MYC desencadeando a indução da expressão gênica responsiva ao jasmonato A sinalização da GA também envolve componentes do complexo SCF ver Figura 1534C No entanto o receptor da giberelina GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF 1 GID1 não funciona por si próprio como uma proteína Fbox Em vez disso quando o GID1 se liga à GA o receptor passa por uma mudança conformacional que promove a ligação de proteínas repressoras DELLA Isso por sua vez induz uma mudança conformacional na proteína DELLA e facilita a interação da ligação GID1DELLA ao SCFSLY1 uma ubiqui tina E3 ligase em Arabidopsis que contém a proteína Fbox SLY1 ver Figura 1533C Na prática a ligação do receptor da GA GID1 às proteínas repressoras DELLA desencadeia a ubiquitinação via proteína Fbox SLY1 e a subsequente degradação das proteínas DELLA pelo proteassomo 26S A degradação das proteínas DELLA por exemplo resulta na liberação e na ativação dos fatores de transcrição do fa tor de interação do fitocromo PIF phytochrome interaction factor tais como PIF3 e PIF4 bem como outros fatores de transcrição bHLH desencadeando assim mudanças na expressão gênica Conforme a discussão anterior indica auxina jasmo nato e GAs sinalizam por marcação direta a estabilidade de proteínas repressoras de localização nuclear e assim a indução de uma resposta transcricional Tal rota de trans dução de sinal curta fornece os meios para uma mudança muito rápida na expressão gênica nuclear Contudo não há oportunidade de amplificação do sinal no caso de uma rota de sinalização que envolve uma cascata de quinases ou mensageiros secundários Em vez disso toda respos ta transcricional resultante está diretamente relacionada à abundância da molécula sinalizadora pois isso deter minará o número de moléculas repressoras que são de gradadas Essa característica importante na organização das rotas de transdução de sinal pode ajudar a explicar por que comparativamente concentrações altas de sinais como auxina e GA são necessárias para evocar uma res posta biológica As plantas desenvolveram mecanismos para desligamento ou atenuação de respostas de sinalização Sem dúvida a capacidade de desligar uma resposta a um sinal é tão importante quanto a capacidade de iniciála As plantas concluem a sinalização por meio de vários mecanismos Conforme já discutido sinais químicos como hormô nios vegetais podem ser degradados ou inativados por oxi dação ou conjugação a açúcares ou aminoácidos Eles po dem também ser sequestrados em outros compartimentos celulares para separálos espacialmente dos receptores Os receptores e intermediários da sinalização que são ativados por fosforilação podem ser inativados por desfos forilação mediada por fosfatases Os componentes ativa dos da rota das MAPquinases por exemplo são inativa dos pelas MAPquinasesfosfatases garantindo um rígido controle celular sobre a duração e a intensidade da sinali zação mediada pelas MAPquinases ver Figura 154 De maneira similar os transportadores de íons e inativadores celulares podem rapidamente diminuir as concentrações elevadas de mensageiros secundários para desligar a am plificação do sinal ver Figura 155 Conforme foi visto a Taiz15indd 439 Taiz15indd 439 27102016 152345 27102016 152345 440 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento degradação de proteínas proporciona outro mecanismo para a célula vegetal regular a abundância de componen teschave da rota de transdução de sinal como o receptor ou um fator de transcrição A regulação por retroalimentação feedback represen ta outro mecanismochave empregado para atenuar uma resposta Por exemplo os genes AUXAIA que codificam as proteínas repressoras de auxina AUXAIA têm sítios de ligação ao elemento de resposta à auxina localizados em suas regiões promotoras Desse modo as proteínas AUX AIA podem ligarse aos promotores de seus próprios ge nes e reprimir sua própria expressão Quando a sinalização da auxina desencadeia a degradação dos repressores AUX AIA a transcrição subsequente dos genes de resposta à au xina leva à substituição das proteínas AUXAIA e portanto à atenuação ou à conclusão da resposta ver Figura 1534A A Resposta à auxina Expressão gênica Transcrição Núcleo Genes regulados pela auxina DNA Genes regulados pela auxina ARF ARF ARF AUX AIA AUX IAA AUX IAA AUX AIA A proteína repressora AUXAIA inibe o fator de transcrição ARF Auxina A proteína repressora é degradada pelo proteassomo no núcleo O repressor AUXAIA é ubiquitinado pelo receptor da auxina ativado O receptor da auxina é um complexo ubiquitina E3 ligase SCFTIR1 O fator de transcrição ARF é ativado O fator de transcrição MYC2 é ativado B Resposta ao jasmonato Expressão gênica Transcrição Núcleo DNA DNA Genes regulados pelo jasmonato Genes regulados pelo jasmonato JAZ MYC2 MYC2 A proteína repressora JAZ inibe o fator de transcrição MYC2 Jasmonato A proteína repressora é degradada pelo proteassomo no núcleo O repressor JAZ é ubiquitinado pelo receptor do jasmonato SCFCOI1 ativado JAZ JAZ SCFCOI1 SCFTIR1 Poliubiquitina Figura 1534 Vários receptores de hormônios vegetais fazem parte de complexos de ubiquitinação SCF Auxina jasmonato AJ e giberelinas GAs sinalizam promovendo a interação entre com ponentes da maquinaria de ubiquitinação SCF e proteínas represso ras que operam na rota de transdução de sinal de cada hormônio A auxina A e o AJ B promovem diretamente a interação entre os complexos SCFTIR1 e SCFCOI1 e os repressores AUXAIA e JAZ respec tivamente As características estruturais das proteínas ARF e AUX AIA que atuam na sinalização da auxina são determinadas por cris talografia de raios X e estão refletidas na figura As características estruturais da proteína repressora JAZ ainda não foram determina das C A giberelina por outro lado requer adicionalmente uma proteína receptora GID1 para formar o complexo entre SCFSLY1 e proteínas DELLA A adição de ubiquitinas múltiplas poliubiquitina marca essas proteínas repressoras para a degradação Isso desen cadeia a ativação dos fatores de transcrição ARF MYC2 e PIF34 resultando em mudanças na expressão gênica induzidas por auxina jasmonato e giberelina Taiz15indd 440 Taiz15indd 440 27102016 152345 27102016 152345 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 441 As rotas de sinalização hormonal com frequência es tão sujeitas a várias alças de regulação por retroalimen tação negativa Isso está ilustrado minuciosamente pela rota das GAs Figura 1535 A GA bioativa GA4 nesse exemplo é sintetizada por uma rota biossintética com plexa que envolve múltiplas reações catalisadas por enzi mas As duas últimas enzimas nessa rota são codificadas pelos membros das famílias dos genes GA20ox e GA3ox Conforme está mostrado na Figura 1535 na ausência da GA os reguladores transcricionais DELLA promovem a expressão dos genes codificadores das enzimas GA20ox e GA3ox que leva ao aumento da biossíntese da GA Ao mesmo tempo DELLA inibe a expressão de genes codi ficadores da enzima GA2ox do catabolismo da GA que leva ao decréscimo da degradação da GA Como resulta do desses dois efeitos da DELLA as concentrações da GA aumentam Na presença da GA as proteínas DELLA são degradadas pela rota proteassômica Como consequência a biossíntese da GA decresce e seu catabolismo é aumen tado Desse modo ela regula negativamente sua própria concentração na célula Essas alças de retroalimentação positiva e negativa ajudam a garantir que respostas e ní veis de GA apropriados sejam mantidos durante o desen volvimento da planta A saída output da resposta celular a um sinal frequentemente é específica do tecido Muitos sinais ambientais e endógenos podem desenca dear várias respostas vegetais altamente diversificadas Em geral os tipos de células ou tecidos em particular não expõem a gama completa de respostas potenciais quando expostos a um sinal mas exibem especificidade de respos ta distinta A auxina por exemplo promove a expansão celular nos tecidos aéreos em crescimento ao mesmo tem po em que inibe a expansão celular nas raízes Ela evoca a iniciação de raízes laterais em um subconjunto de cé lulas do periciclo enquanto induz os primórdios foliares no meristema apical do caule e controla a diferenciação vascular nos órgãos vegetais em desenvolvimento Como o contexto do desenvolvimento de tecidos e células pode determinar tais respostas diversas a um único sinal Con forme discutido a transdução de sinal da auxina envolve a interação auxinadependente de repressores TIR1AFB e proteínas repressoras AUXAIA Isso leva à degrada ção de AUXAIA e libera a repressão mediada por AUX AIA da atividade do fator de transcrição ARF ver Figura 1534A Todos esses componentes da sinalização são co dificados por famílias multigênicas em Arabidopsis exis tem 6 genes TIR1AFBs 29 AUXAIAs e 23 ARFs e têm padrões de expressão propriedades bioquímicas e funções biológicas diferentes A parte da planta onde esses com ponentes são expressos a intensidade de sua expressão a força de sua afinidade de ligação e os níveis de auxina celular que eles experimentam influenciam a forma da resposta final da auxina Por exemplo enquanto parece que todas TIR1AFBs podem potencialmente interagir com muitas AUXAIAs diferentes de uma maneira auxi nadependente nem todas essas proteínas são expressas em todas as células Além disso a dosagem em que a au xina promove essas interações varia de maneira significa tiva com diferentes combinações de receptorrepressor de modo que alguns complexos TIR1AFBAUXAIA se for mam em concentrações de auxina muito baixas enquanto outros requerem níveis de auxina substancialmente mais altos para interagirem de modo estável A sensibilidade e a expressão diferenciais também podem ser mecanismos para alcançar a especificidade tecidual em outras rotas de transdução de sinal do hormônio onde receptores ou ou tros componentes da sinalização são codificados por famí lias multigênicas A regulação cruzada permite a integração das rotas de transdução de sinal No interior das células vegetais as rotas de transdução de sinal nunca funcionam isoladamente mas operam como parte de uma rede complexa de interações da si nalização Essas interações são responsáveis pelo fato de REPRESSOR Após ligação ao complexo GAreceptor a repressora DELLA é ubiquitinada por SCFSLY O fator de transcrição PIF34 é ativado C Resposta à giberelina Expressão gênica Transcrição Núcleo DNA DNA Genes regulados pela giberelina Genes regulados pela giberelina PIF34 PIF34 A proteína repressora DELLA inibe o fator de transcrição PIF34 Giberelina GA A proteína repressora é degradada pelo proteassomo no núcleo SLY1 GID1 GA REPRESSOR REPRESSOR Taiz15indd 441 Taiz15indd 441 27102016 152345 27102016 152345 442 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento GID1 GA DNA Crescimento da planta GA inibe as duas últimas etapas na rota biossintética ao causar a degradação de DELLA DELLA estimula a expressão de alguns genes e reprime outros GA causa a degradação de DELLA GID1 receptor de GA GA4 GA20OX GA20OX GA12 GA9 GA4 GA3OX GA3OX GA2OX GA2OX inativa GA4 Percepção da GA Resposta à GA Biossíntese da GA DELLA inibe as respostas à GA Repressor SLY1 GID1 GA GID1 REPRESSOR GA REPRESSOR REPRESSOR REPRESSOR GID1 Figura 1535 A resposta à giberelina GA é regulada por uma série de mecanismos de retroalimentação envolvendo compo nentes da transdução de sinal e da biossíntese da GA Os genes GA20ox e GA3ox codificam as enzimas que catalisam as últimas etapas da rota biossintética da GA ao passo que GA2ox catali sa a inativação da GA bioativa GA4 GID1 codifica o receptor da GA que após a ligação ao ligante recruta proteínas repressoras DELLA ao complexo SCFSLY1 para ubiquitinação desencadeando sua degradação Na ausência de GA as proteínas DELLA regulam positivamente GID1 GA20ox e GA3ox sinais mais e regulam ne gativamente GA2ox sinal menos Inversamente a GA bioativa e o receptor GID1 intensificam a degradação da repressora DELLA sinais mais ao passo que GA2ox bloqueia a degradação da re pressora DELLA sinais menos Taiz15indd 442 Taiz15indd 442 27102016 152345 27102016 152345 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 443 que os hormônios vegetais muitas vezes exibem intera ções agonísticas aditivas ou positivas ou antagonísticas inibidoras ou negativas com outros sinais Os exemplos clássicos incluem a interação antagonística entre a GA e o ABA no controle da germinação de sementes ver Ca pítulo 18 A interação entre rotas de sinalização tem sido deno minada regulação cruzada com três categorias propostas Figura 1536 1 A regulação cruzada primária envolve rotas de sina lização distintas regulando um componente de trans dução compartilhado de uma maneira positiva ou negativa 2 A regulação cruzada secundária envolve a saída de uma rota de sinalização regulando a abundância ou a percepção de um segundo sinal 3 A regulação cruzada terciária envolve as saídas de duas rotas distintas exercendo influências mútuas Em raízes de Arabidopsis a integração de mecanis mos de crescimento e de resposta ao estresse pelo fator de transcrição ABA INSENSITIVE4 ABI4 envolve três tipos de regulação cruzada Conforme mostra a Figura 1537A a citocinina e o ABA exibem regulação cruzada primária quando induzem a transcrição do ABI4 para por sua vez regular a transcrição de diversos genes biossintéticos e de resposta ao estresse No entanto a regulação da trans crição do ABI4 por citocinina e ABA também fornece um exemplo de regulação cruzada secundária à medida que a indução da transcrição do ABI4 atua como sinalização da auxina reduzindo os fluxos de auxina para o ápice da raiz dentro de seus tecidos vasculares que iniciam a formação da raiz lateral Figura 1537B Finalmente ABI4 também funciona na regulação cruzada terciária ABA e citocini na também reduzem o alongamento da raiz lateral que é regulado positivamente pelo transporte de auxina para o ápice do caule a partir do ápice da raiz via AUX1 PIN2 e ABCB4 ABI4 regula positivamente a ASPARTYL PROTE ASE2 APA2 endossômica a qual degrada o transporta dor de auxina ABCB4 que regula os fluxos de auxina nas células epidérmicas da raiz Figura 1537C A abundância da proteína ABCB4 na membrana plasmática é rapida mente reduzida após o tratamento com ABA ou citocinina em plantas do tipo selvagem mas ela não é afetada em mutantes abi4 ou apa2 Portanto a sinalização vegetal não é baseada em uma simples sequência linear de eventos de transdução mas envolve regulação cruzada entre muitas rotas A com preensão de como tais rotas de sinalização complexas operam demandará uma nova abordagem científica Essa abordagem com frequência é referida como biologia de sistemas e emprega modelos matemáticos e computa cionais para simular essas redes biológicas não lineares e predizer melhor suas saídas Duas rotas de entrada regulam uma única proteína compartilhada ou múltiplas proteínas compartilhadas controlando uma resposta Ambas as rotas têm o mesmo efeito na resposta Duas rotas de entrada convergem para as proteínas compartilhadas mas uma das rotas inibe o efeito da outra Duas rotas de entrada regulam respostas separadas Além disso uma rota acentua os níveis de entrada ou a percepção da outra rota Como na interação positiva exceto que a rota reprime os níveis de entrada ou a percepção da outra rota A resposta de uma das rotas de sinalização promove a resposta da outra rota A resposta de uma das rotas de sinalização inibe a resposta da outra rota Sinais de entrada input Respostas Rotas de transdução de sinal Positiva Negativa Interações primárias Positiva Negativa Interações secundárias Positiva Negativa Interações terciárias Figura 1536 As rotas de transdução de sinal operam como par te de uma rede complexa de interações de sinalização Três tipos de regulação cruzada têm sido propostos primário secundário e terciário Os sinais de entrada são apresentados com a forma oval as rotas de transdução de sinal são indicadas por setas grossas e as respostas saídas da rota são mostradas como estrelas As linhas de cores verde positiva ou vermelha negativa indicam onde uma rota influencia a outra Os três tipos de regulação cruzada podem ser positivos ou negativos Taiz15indd 443 Taiz15indd 443 27102016 152345 27102016 152345 444 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento DNA Genes de resposta ao estresse p ex HKT11 Genes da biossíntese p ex DGAT1 ABI4 Gene A Regulação cruzada primária Citocinina Fator de transcrição Ácido abscísico Protease ABI4 Genes que regulam a polaridade de PIN1 Sinalização da auxina B Regulação cruzada secundária Citocinina Ácido abscísico ABI4 AB14 ABI4 APA2 APA2 ABCB4 Citocinina Ácido abscísico C Regulação cruzada terciária Figura 1537 Exemplos de regulação cruzada primária secun dária e terciária A A regulação cruzada primária ocorre quando o hormônio de desenvolvimento citocinina e o hormônio de es tresse ácido abscísico induzem o fator de transcrição ABI4 que aumenta ou diminui a expressão de genes biossintéticos e de resposta ao estresse como DGAT1 e o transportador de sódio HKT11 B A regulação cruzada secundária ocorre quando ABI4 regula a localização polar e a abundância de PIN1 o transporte de auxina em direção ao ápice da raiz e a iniciação de raízes late rais C A regulação cruzada terciária ocorre quando ABI4 induz a expressão da aspartil protease APA2 semelhante à catepsina D para induzir a degradação de ABCB4 ABCB4 contribui para o transporte de auxina em direção ao ápice do caule que regula o alongamento de raízes laterais RESUMO As respostas fisiológicas de curto e de longo prazo a sinais in ternos surgem da transformação transdução de sinais em ro tas mecanísticas A fim de ativar áreas que podem ser distantes do local inicial da sinalização intermediários de sinalização são amplificados antes da disseminação transmissão Uma vez em atividade as rotas de sinalização muitas vezes sobrepõemse em redes complexas um fenômeno denominado regulação cruzada para coordenar respostas integradas Aspectos temporais e espaciais da sinalização As plantas usam a transdução de sinal para coordenar respostas rápidas e lentas aos estímulos Figuras 151 152 Percepção e amplificação de sinais Os receptores estão presentes nas células e são conservados nos reinos de bactérias plantas animais e fungos Figura 153 A sinalização intermediária deve ser amplificada para impedir a diluição da cascata de sinalização a rota de amplificação da MAPK é conservada nos eucariotos Figura 154 Os sinais podem também ser amplificados por mensageiros se cundários como Ca2 H espécies reativas de oxigênio EROs e lipídeos modificados moléculas lipídicas de sinalização embo ra eles possam ser desafiados a distinguir seus alvos de sinaliza ção Figuras 155 156 Hormônios e desenvolvimento vegetal Os hormônios são mensageiros químicos conservados que em concentrações muito baixas podem transmitir sinais entre célu las e iniciar respostas fisiológicas Figuras 157 158 O primeiro hormônio de crescimento a ser identificado foi a auxina durante estudos da curvatura do coleóptilo devido ao fototropismo Figura 159 Os estudos sobre a doença da planta boba de arroz levaram à descoberta do grupo de hormônios do crescimento denomina dos giberelinas Figura 1510 Os experimentos com cultura de tecidos revelaram o papel das citocininas como fatores promotores da divisão celular Figura 1511 O etileno é um hormônio gasoso que promove o amadureci mento do fruto e outros processos do desenvolvimento Figura 1512 O ácido abscísico regula a maturação da semente e o fechamento estomático em resposta ao estresse hídrico Figura 1513 Os brassinosteroides são hormônios lipossolúveis que regulam muitos processos incluindo a fotomorfogênese e a germinação Figura 1514 As estrigolactonas reduzem a ramificação da parte aérea e pro movem interações na rizosfera Figura 1515 Taiz15indd 444 Taiz15indd 444 27102016 152346 27102016 152346 Capítulo 15 Sinais e Transdução de Sinal 445 Leituras sugeridas Davière JM and Achard P 2013 Gibberellin signaling in plants Development 140 11471151 Hwang I Sheen J and Müller B 2012 Cytokinin signaling networks Annu Rev Plant Biol 63 353380 Jiang J Zhang C and Wang X 2013 Ligand perception activation and early signaling of plant steroid receptor brassinosteroid insensitive 1 J Integr Plant Biol 55 1198 1211 Ju C and Chang C 2012 Advances in ethylene signalling Protein complexes at the endoplasmic reticulum membrane AoB Plants 2012 pls031 DOI 101093aobpla pls031 Santner A and Estelle M 2009 Recent advances and emerging trends in plant hormone signaling Nature Lond 459 1071 1078 SuarezRodriguez M C Petersen M and Mundy J 2010 Mitogenactivated protein kinase signaling in plants Annu Rev Plant Biol 61 621649 Xuemin W 2004 Lipid signaling Curr Opin Plant Biol 7 329 336 Metabolismo dos fitormônios e homeostase A concentração dos hormônios é rigorosamente regulada para que os sinais produzam respostas oportunas sem comprometer o mesmo sinal no futuro Figura 1516 O indol3piruvato IPyA é o intermediário primário da auxi na sua concentração também é fortemente regulada Figuras 15171519 Todas as giberelinas GAs são derivadas de GA12 que é oxidada no citosol Figura 1520 As citocininas são derivadas da adenina Os genes KNOX pro movem concentrações de citocininas no meristema apical do caule enquanto inibem os níveis de GA Figura 1521 O etileno é sintetizado da metionina e difundese rapidamente para fora das plantas como um gás não há evidência de cata bolismo do etileno Figura 1522 O ácido abscísico é sintetizado a partir de carotenoides com 40 carbonos suas concentrações podem oscilar drasticamente durante os processos do desenvolvimento Figura 1523 Os brassinosteroides originamse do campesterol que é similar estruturalmente ao colesterol Figura 1524 As estrigolactonas são sintetizadas a partir de carotenoides de maneira similar ao ácido abscísico Figura 1525 Transmissão de sinal e comunicação célula a célula Os hormônios podem sinalizar células dentro de seu sítio de síntese perto dele ou muito distante Figura 1526 As plantas podem também empregar sinalização elétrica de ação rápida e longa distância usando potenciais de ação em bora a transmissão de tais sinais seja pouco conhecida Figura 1527 Rotas de sinalização hormonal As rotas da citocinina e do etileno usam sistemas reguladores de dois componentes derivados que envolvem proteínas sen soras ligadas à membrana e proteínas solúveis reguladoras de resposta Figuras 15281530 As rotas dos brassinosteroides e de certas auxinas usam qui nases do tipo receptor RLKs transmembranas para fosforilar regiões de serina e treonina de proteínasalvo Figura 1531 As rotas do ácido abscísico usam fosfatases bem como quina ses Figura 1532 Ao contrário das rotas dos hormônios animais as rotas dos hor mônios vegetais geralmente empregam reguladores negativos inativação dos repressores permitindo a ativação mais rápida de genes de resposta a jusante Figuras 1533 1534 O desligamento das rotas de sinalização é realizado pela degra dação ou pelo sequestro de sinais químicos via mecanismos de retroalimentação Figura 1535 Embora os hormônios possam produzir uma ampla diversidade de respostas os tecidos exibem especificidade de resposta A integração das rotas de transdução de sinal é realizada por regulação cruzada Figuras 1536 1537 Taiz15indd 445 Taiz15indd 445 27102016 152346 27102016 152346 Taiz15indd 446 Taiz15indd 446 27102016 152346 27102016 152346 Esta página foi deixada em branco intencionalmente 16 A luz solar serve não só como uma fonte de energia para a fotossín tese mas também como um sinal que regula diversos processos do desenvolvimento desde a germinação da semente ao desenvolvimento do fruto e à senescência Figura 161 Ela também fornece pistas direcionais para o crescimento das plantas bem como sinais não direcionais para os seus movimentos Já foram abordados diversos mecanismos de detecção de luz em capítulos anteriores No Capítulo 9 foi visto que os cloroplastos se mo vem dentro das células do tecido paliçádico foliar para orientar sua face ou borda em direção ao sol ver Figura 912 As folhas de muitas espécies são capazes de alterar sua posição para acompanhar o movimento do sol através do céu um fenômeno conhecido como acompanhamento do sol solar tracking ver Figura 95 Como discutido no Capítulo 10 estômatos usam a luz azul como um sinal para a abertura uma resposta sensorial que permite a entrada do CO2 na folha Nos próximos capítulos serão apresentados exemplos de desenvolvi mento da planta regulado pela luz Por exemplo muitas sementes neces sitam de luz para germinar um processo chamado de fotoblastia 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 Figura 162 ver também Capítulo 18 É comum ramos de plantas colocadas junto à jane la crescerem em direção à fonte de luz Esse fenômeno chamado de fo totropismo é um exemplo de como as plantas alteram seus padrões de crescimento em resposta à direção da radiação incidente Figura 163 ver também Capítulo 18 Em algumas espécies as folhas dobram à noite nicti nastia e abrem ao amanhecer fotonastia Movimentos fotonásticos são reações das plantas em resposta à luz não direcional Como será discutido no Capítulo 20 muitas plantas florescem em épocas específicas do ano em resposta a mudanças no comprimento do dia um fenômeno chamado de fotoperiodismo Além da luz visível Figura 164 a luz solar também contém a radia ção ultravioleta UV que pode danificar membranas DNA e proteínas ver Capítulo 24 Muitas plantas podem detectar a presença da radiação UV e protegerse contra danos celulares mediante síntese de compostos fenólicos simples e flavonoides que atuam como filtros solares e removem oxidantes nocivos e radicais livres que são induzidos pelos fótons de alta energia da luz UV Sinais da Luz Solar Taiz16indd 447 Taiz16indd 447 27102016 153116 27102016 153116 448 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Todas as respostas à luz fotorrespostas mencionadas anteriormente incluindo as respostas à radiação UV envol vem receptores que detectam comprimentos de onda espe cíficos da luz e induzem alterações de desenvolvimento ou fisiológicas Como visto no Capítulo 15 transdução de sinal hormonal envolve uma cadeia de reações que começa com um receptor hormonal e termina com uma resposta fisioló gica As moléculas receptoras que as plantas utilizam para detectar luz solar são denominadas fotorreceptores Como receptores hormonais os fotorreceptores respondem a um sinal nesse caso a luz dando início a reações de sinaliza ção que geralmente envolvem um mensageiro secundário e cascatas de fosforilação ver Figura 152 Neste capítulo são discutidos os mecanismos de sina lização envolvidos no crescimento e no desenvolvimento regulados pela luz com foco principalmente nos recepto res de luz vermelha 620700 nm luz vermelhodistante 710850 nm luz azul 350500 nm e radiação UVB 290320 nm Fotorreceptores vegetais Pigmentos como clorofila e os pigmentos acessórios da fotossíntese são moléculas que absorvem a luz visível em comprimentos de onda específicos e refletem ou transmi tem os comprimentos de onda não absorvidos que são percebidos como cores Ao contrário dos pigmentos fo tossintetizantes os fotorreceptores absorvem um fóton de determinado comprimento de onda e usam a energia desse fóton como um sinal para iniciar uma fotorrespos ta Com a exceção de UVR8 discutido no final deste ca pítulo todos os fotorreceptores conhecidos consistem em uma proteína mais um grupo prostético de absorção de luz uma molécula não proteica ligada à proteína fotorrecepto ra chamado de cromóforo Como será visto mais tarde as estruturas das proteínas dos diferentes fotorreceptores va Figura 161 A luz solar exerce múltiplas influências sobre as plan tas as quais expõem suas folhas à luz solar para transformar a energia solar em energia química As plantas também usam a luz solar para uma ampla gama de sinais de desenvolvi mento que otimizam a fotossíntese e detectam mudanças sazonais Figura 162 Comparação de plântulas cultivadas na luz e plân tulas cultivadas no escuro À esquerda Plântulas de agrião cultiva das na luz À direita Plântulas de agrião cultivadas no escuro As plântulas cultivadas no escuro exibem estiolamento caracterizado por hipocótilos alongados e falta de clorofila Taiz16indd 448 Taiz16indd 448 27102016 153117 27102016 153117 Capítulo 16 Sinais da Luz Solar 449 riam Outros aspectos comuns dos fotorreceptores incluem sensibilidade à quantidade de luz número de fótons qua lidade da luz dependência do comprimento de onda e do espectro de ação associado intensidade da luz e duração da exposição à luz Em cada caso a percepção da luz por fotorreceptores específicos dá início a sinais celulares que em última instância regulam fotorrespostas específicas Entre os fotorreceptores capazes de promover foto morfogênese em plantas os mais importantes são aqueles que absorvem as luzes vermelha e azul Fitocromos são fotorreceptores que absorvem as luzes vermelha e ver melhodistante mais fortemente 600750 nm mas tam bém absorvem a luz azul 350500 nm e a radiação UVA 320400 nm Os fitocromos medeiam muitos aspectos do desenvolvimento vegetativo e reprodutivo tal como será descrito nos capítulos que se seguem Três classes princi pais de fotorreceptores medeiam os efeitos da luz UVA azul os criptocromos as fototropinas e a família ZEITLU PE ZTL do alemão câmera lenta Os criptocromos como os fitocromos desempenham um papel importante na fotomorfogênese da planta enquanto as fototropinas regulam principalmente o fototropismo os movimentos dos cloroplastos e a abertura estomática A família ZTL de fotorreceptores desempenha papéis na percepção do comprimento do dia e nos ritmos circadianos Tal como no caso da sinalização hormonal a sinalização luminosa em geral envolve interações entre múltiplos fotorreceptores e seus intermediários de sinalização Por convenção os fotorreceptores são designados em letras minúsculas p ex phy cry phot quando a holopro teína proteína mais o cromóforo é descrita e em maiús culas PHY CRY PHOT quando a apoproteína proteína menos o cromóforo é descrita Para ser coerente com as convenções da genética serão utilizadas maiúsculas em itálico PHY CRY PHOT para os genes que codificam as apoproteínas dos fotorreceptores Recentemente um sistema único de fotorreceptores foi isolado em Arabidopsis que é específico para a percep ção de radiação ultravioleta UV RESISTANCE LOCUS 8 ou UVR8 e responsável por várias respostas fotomorfogêni cas induzidas por UVB O UVR8 é discutido no final do capítulo As fotorrespostas são acionadas pela qualidade da luz ou das propriedades espectrais da energia absorvida Como no caso dos receptores hormonais ver Capítulo 15 os diferentes sistemas de fotorreceptores das plantas são capazes de interagir uns com os outros podendo ser difícil separar suas respostas específicas dentro do espectro so lar completo uma vez que muitos fotorreceptores podem estar absorvendo energia ao mesmo tempo Por exem plo o processo de desestiolamento caracterizado pela produção de clorofila em plântulas cultivadas no escuro Raios gama Ondas de rádio Ultra violeta Raios X Infravermelho Microonda Tipo de radiação Espectro visível UVA UVB 400 320 290 750 Figura 163 Fotografia em sequência temporal time lapse de um coleóptilo de milho Zea mays crescendo em direção a uma fon te unilateral de luz azul aplicada do lado direito Na primeira ima gem à esquerda o coleóptilo tem aproximadamente 3 cm de com primento As exposições consecutivas foram feitas com intervalos de 30 minutos Observe o ângulo crescente de curvatura à medida que o coleóptilo dobra Cortesia de M A Quiñones Figura 164 As plantas podem usar luz visível e radiações UVA e UVB como sinais de desenvolvimento todos os comprimentos de onda em nm Taiz16indd 449 Taiz16indd 449 27102016 153117 27102016 153117 450 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento estioladas quando expostas à luz resulta da ação con junta do fitocromo que absorve a porção vermelha e do criptocromo que absorve a porção azul da luz solar Como então podem ser distinguidas funcionalmente as respos tas intrínsecas aos fotorreceptores individuais Em muitos casos uma contribuição da fotossíntese não pode ser ex cluída uma vez que os pigmentos fotossintéticos também absorvem a luz vermelha e a luz azul Para determinar quais comprimentos de onda de luz são necessários para produzir uma resposta da planta em particular fotobiologistas pesquisadores que estudam as respostas dos organismos à luz normalmente produzem o que é conhecido como um espectro de ação Os espec tros de ação descrevem a especificidade do comprimento de onda de uma resposta biológica à luz solar Cada fo torreceptor difere em sua composição e arranjo atômicos e portanto apresenta diferentes características de absor ção Como visto no Capítulo 7 um espectro de ação da fotossíntese é um gráfico que traça a magnitude de uma resposta à luz fotossíntese como uma função do com primento de onda ver Tópico 71 na internet para uma discussão detalhada da espectroscopia e dos espectros de ação O espectro de ação da resposta pode ser comparado aos espectros de absorção dos possíveis fotorreceptores Abordagens semelhantes foram utilizadas para iden tificar os fotorreceptores envolvidos nas rotas de sinaliza ção Por exemplo a luz vermelha estimula a germinação de sementes de alface e a luz vermelhodistante a inibe Figura 165 Os espectros de ação para esses dois efeitos antagonistas da luz sobre a germinação de sementes de Escuro Vermelho Vermelho distante Vermelho Vermelho Vermelho Vermelho Vermelho Vermelho distante Vermelho distante Vermelho distante Figura 165 A germinação de sementes de alface é uma resposta fotorreversível típica controlada pelo fitocromo A luz vermelha promove a germinação das sementes po rém seu efeito é revertido pela luz vermelhodistante Sementes embe bidas umedecidas foram submeti das a tratamentos alternados de luz vermelha seguida de luz vermelho distante O efeito do tratamento de luz depende do último tratamento aplicado Pouquíssimas sementes germinaram após o último trata mento com luz vermelhodistante Arabidopsis são mostrados na Figura 166A A estimulação mostra um pico na região do vermelho 660 nm enquan to a inibição tem um pico na região do vermelhodistante 720 nm Quando os espectros de absorção de cada uma das duas formas do fitocromo Pr e Pfr são medidos se paradamente em um espectrofotômetro concebido para estudar moléculas fotorreversíveis eles correspondem estreitamente ao espectro de ação para a estimulação e a inibição da germinação de sementes respectivamente Figura 166B Conforme discutido a seguir a estreita correspondência entre os espectros de ação e absorção do fitocromo não só confirmou sua identidade como o fotor receptor envolvido na regulação da germinação de semen tes mas também demonstrou que a reversibilidade ver melhovermelhodistante de germinação das sementes é devida à fotorreversibilidade do próprio fitocromo Do mesmo modo os espectros de ação para o foto tropismo estimulado por luz azul os movimentos esto máticos e outras respostaschave de luz azul exibem um pico na região da UVA 370 nm e um pico na região do azul cerca de 410500 nm que tem uma estrutura fina característica de três dedos Figura 167A sugerindo um fotorreceptor comum 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 Figura 167B coerente com a atuação da fototropina como o fo torreceptor para essas respostas O mecanismo de ação da fototropina é discutido mais adiante neste capítulo As respostas das plantas à luz podem ser distinguidas pela quantidade de luz requerida As respostas à luz também podem ser distinguidas pela quantidade de luz necessária para induzilas A quan tidade de luz é referida como fluência definida como o número de fótons atingindo uma unidade de área de su perfície Fluência total taxa de fluência x o período de tempo duração da irradiação Observe que essa fórmula envolve dois componentes o número de fótons inciden tes em qualquer momento e a duração da exposição As Taiz16indd 450 Taiz16indd 450 27102016 153118 27102016 153118 Capítulo 16 Sinais da Luz Solar 451 unidadespadrão para fluência são micromoles de quanta fótons por metro quadrado μmol m2 Algumas respos tas são sensíveis não só à fluência total mas também à irradiância taxa de fluência da luz As unidades de irra diância são micromoles de quanta por metro quadrado por segundo μmol m2 s1 Para definições deste e de outros termos usados na medição da luz ver Capítulo 9 e Tópico 91 na internet Uma vez que respostas fotoquímicas são estimuladas apenas quando um fóton é absorvido por seu fotorrecep tor pode haver uma diferença entre a irradiação inciden te e a absorção Por exemplo na fotossíntese a eficiência quântica aparente é avaliada como a taxa de transporte de elétrons ou assimilação total de carbono em função da radiação fotossinteticamente ativa PAR photosynthetically active radiation incidente Entretanto essa medida subes tima a eficiência quântica real porque nem todos os fó tons incidentes são absorvidos Essa advertência também é importante na avaliação da doseresposta das respostas fotomorfogênicas das plantas à luz vermelha ou azul por que grande parte da luz é absorvida pela clorofila O mes mo princípio se aplica às respostas à radiação UV uma vez que a epiderme pode absorver pouco menos de 100 da radiação UV incidente Assim a quantidade de radiação 100 A 40 60 80 20 0 400 350 450 500 550 600 650 700 750 800 Comprimento de onda nm Eficiência quântica relativa Espectro de ação para a inibição da germinação de sementes Espectro de ação para a estimulação da germinação de sementes Espectro visível Estimulação Inibição B 400 380 440 480 520 560 600 640 680 720 760 1 01 0 02 03 04 05 06 07 0 2 3 4 5 6 7 8 Comprimento de onda nm Pr Pfr Fluxo de fótons μmol m2 s1 nm1 Absorção 668 730 Figura 166 O espectro de ação do funcionamento do fitocro mo igualase a seu espectro de absorção A Espectros de ação para a estimulação e a inibição fotorreversível da germinação de sementes em Arabidopsis B Os espectros de absorção de fitocro mos purificados de aveia nas formas Pr linha vermelha e Pfr linha verde sobrepõemse No topo do dossel há uma distribuição re lativamente uniforme de luz no espectro visível linha azul porém sob um dossel denso a maior parte da luz vermelha é absorvida pelos pigmentos das plantas resultando em uma transmitância de luz vermelhodistante na maior parte A linha preta mostra as propriedades espectrais da luz que é filtrada pelas folhas Assim as proporções relativas de Pr e Pfr são determinadas pelo grau de sombreamento vegetativo no dossel A de Shropshire et al 1961 B segundo Kelly e Lagarias 1985 cortesia de Patrice Dubois Taiz16indd 451 Taiz16indd 451 27102016 153118 27102016 153118 452 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento necessária para induzir uma fotorresposta pode ser mui to elevada com base na quantidade de radiação incidente necessária ou muito baixa com base na absorção real de fótons pelo fotorreceptor Fitocromos Os fitocromos foram identificados pela primeira vez em plantas superiores como os fotorreceptores responsáveis pela fotomorfogênese em resposta às luzes vermelha e vermelhodistante No entanto eles são membros de uma família de genes presentes em todas as plantas terrestres e também foram encontrados em algas estreptófitas strepto phyta cianobactérias outras bactérias fungos e diatomá ceas Por exemplo as proteínas bacterianas semelhantes ao fitocromo BphPs bacterial phytochromelike proteins regulam a biossíntese do aparelho fotossintético em Rhodopseudomonas palustris e de pigmentos em Deinococcus radiodurans e Rhodospirillum centenum O fitocromo do fun go filamentoso Aspergillus nidulans parece desempenhar um papel no desenvolvimento sexual Essas funções de fitocromos bacterianos e fúngicos são portanto conceitu almente análogas à fotomorfogênese nas plantas floríferas Visto que nem a luz vermelha nem a luz vermelho distante penetram a profundidades superiores a alguns metros na água o fitocromo poderia ser menos útil como um fotorreceptor para os organismos aquáticos No entanto estudos recentes têm mostrado que diferen tes fitocromos de algas podem perceber a luz laranja a luz verde ou até mesmo a luz azul Isso sugere que fitocromos têm o potencial de serem espectralmente afinados durante a seleção natural para absorver dife rentes comprimentos de onda O fitocromo é o fotorreceptor primário para as luzes vermelha e vermelhodistante O fitocromo é uma proteína cianoazul a meio ca minho entre verde e azul ou cianoverde com uma massa molecular de cerca de 125 quilodáltons kDa Muitas das propriedades biológicas do fitocromo fo ram estabelecidas na década de 1930 por meio de es tudos de respostas morfogênicas induzidas pela luz vermelha em especial a germinação de sementes Um avançochave na história do fitocromo foi a descoberta de que os efeitos da luz vermelha 620700 nm po deriam ser revertidos por uma irradiação subsequente com luz vermelhodistante 710850 nm Esse fenô meno foi demonstrado pela primeira vez na germina ção de sementes de alface ver Figura 165 mas também foi observado no crescimento da haste e das folhas bem como na indução floral e em outros fenômenos de desen volvimento Tabela 161 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 Posteriormente foi demonstrado que as duas formas do fitocromo poderiam ser distinguidas espectroscopicamente ver Figura 166B O fitocromo pode se interconverter entre as formas Pr e Pfr Em plântulas cultivadas no escuro ou estioladas o fito cromo está presente na forma que absorve a luz vermelha sendo referido como Pr Essa forma inativa de coloração cianoazul é convertida pela luz vermelha em uma forma que absorve luz vermelhodistante chamada de Pfr que é de cor cianoverde pálido e considerada a forma ativa do fitocromo Pfr pode voltar à forma inativa Pr no escuro mas esse processo é relativamente lento No entanto Pfr pode ser rapidamente convertido em Pr por irradiação com luz vermelhodistante Essa propriedade de conversão e reconversão denominada fotorreversibilidade também referida como fotocromismo é a característica mais mar cante do fitocromo e pode ser medida in vivo ou in vitro Curvatura por fóton relativo a 436 nm 020 0 040 060 080 100 120 140 A B 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 Comprimento de onda nm Região azul do espectro Região de UVA do espectro Domínio LOV2 da fototropina Absorção arbitrário 300 350 400 450 500 550 Comprimento de onda nm Figura 167 O espectro de ação do fototropismo iguala se ao espectro de absorção do domínio LOV de percepção de luz da fototropina A Espectro de ação para o foto tropismo estimulado pela luz azul em coleóptilos de aveia O padrão de três dedos na região dos 400 a 500 nm é característico de respostas específicas à luz azul B Espectro de absorção do domínio LOV2 da fototropina A de Thimann e Curry 1960 B de Swartz et al 2001 Taiz16indd 452 Taiz16indd 452 27102016 153118 27102016 153118 Capítulo 16 Sinais da Luz Solar 453 com resultados quase idênticos Com frequência isso é es quematizado da seguinte forma Luz vermelha Luz vermelhodistante Pr Pfr A fotorreversibilidade é portanto uma característica de finidora dos fitocromos Mesmo fitocromos de algas com picos de absorção nas regiões de laranja verde ou azul do espectro exibem fotorreversibilidade em um comprimento de onda diferente É importante observar que o pool de fitocromo nunca está totalmente convertido às formas Pfr ou Pr após irra diação com luz vermelha ou vermelhodistante porque os espectros de absorção dessas formas se sobrepõem Assim quando as moléculas do Pr são expostas à luz vermelha a maior parte delas absorve os fótons e é convertida em Pfr porém parte do Pfr produzido também absorve a luz ver melha e é convertida de volta a Pr ver Figura 166B A pro porção de fitocromo na forma Pfr após saturação com luz vermelha é de aproximadamente 88 De modo similar a pouquíssima quantidade de luz vermelhodistante absorvi da pelo Pr torna impossível a conversão completa do Pfr em Pr pela luz vermelhodistante de espectro amplo Em vez disso é atingido um equilíbrio de 98 de Pr e de 2 de Pfr Esse equilíbrio é denominado estado fotoestacionário O Pfr é a forma fisiologicamente ativa do fitocromo Como as respostas do fitocromo são induzidas pela luz vermelha elas poderiam em teoria resultar do apareci mento da forma Pfr ou do desaparecimento da forma Pr Na maioria dos casos estudados há uma relação quantita tiva entre a magnitude da resposta fisiológica e a quanti dade de Pfr gerado pela luz porém não existe essa relação entre a resposta fisiológica e a perda de Pr Evidências des se tipo levaram à conclusão de que o Pfr é a forma fisiolo gicamente ativa do fitocromo O uso de luz vermelha R e vermelhodistante FR de bandas de comprimento de onda estreitas foi o ponto cen tral para a descoberta e o isolamento definitivo do fitocromo Entretanto diferente das plantas utilizadas em experimen tos de fotobiologia em laboratório uma planta que cresce no ambiente externo nunca estará exposta à luz puramente vermelha ou vermelhodistante Na natureza as plantas estão expostas a um espectro de luz muito mais abrangente e é sob essas condições que o fitocromo necessita operar para regular as respostas de desenvolvimento a alterações no am biente de luz Com efeito como mostrado na Figura 166B o dossel em si pode ter um efeito dramático sobre a quantidade e a qualidade da luz incidente que atinge plantas individuais De particular importância é a razão RFR que é fortemente afetada pela presença de um dossel porque a clorofila ab sorve a luz vermelha mas não a vermelhodistante Assim como será discutido no Capítulo 18 as plantas que crescem debaixo de um dossel usam o fitocromo para perceber a ra zão RFR na regulação de processos tais como evitamento da sombra interações competitivas e germinação das sementes Tanto o cromóforo como a proteína do fitocromo sofrem alterações conformacionais em resposta à luz vermelha O fitocromo na forma dimérica funcionalmente ativa é uma proteína solúvel com uma massa molecular de cer ca de 250 kDa A origem evolutiva do fitocromo é muito antiga datando de épocas anteriores ao aparecimento dos eucariotos Fitocromos bacterianos são histidina quinases dependentes da luz que funcionam como proteínas sen soriais que fosforilam proteínas reguladoras de resposta correspondentes ver Capítulo 15 No entanto como dis cutido a seguir os fitocromos parecem carecer de um do mínio funcional de histidina quinase que é característico de sistemas de dois componentes bacterianos TABELA 161 Respostas fotorreversíveis típicas induzidas pelo fitocromo em várias plantas superiores e inferiores Grupo Gênero Estágio de desenvolvimento Efeito da luz vermelha Angiospermas Lactuca alface Semente Promove a germinação Avena aveia Plântula estiolada Promove o desestiolamento p ex o desenrolamento foliar Sinapis mostarda Plântula Promove a formação do primórdio foliar o desenvolvimento das folhas primárias e a produção de antocianinas Pisum ervilha Adulto Inibe o alongamento de entrenó Xanthium cardo Adulto Inibe o florescimento resposta fotoperiódica Gimnospermas Pinus pinheiro Plântula Aumenta a taxa de acumulação de clorofila Pteridófitas Onoclea samambaia Gametófito jovem Promove o crescimento Briófitas Polytrichum musgo Protonema Promove a replicação dos plastídios Clorófitas Mougeotia alga Gametófito maduro Promove a orientação dos cloroplastos em relação à luz fraca direcional Taiz16indd 453 Taiz16indd 453 27102016 153118 27102016 153118 454 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Nas plantas superiores o cromóforo do fitocromo é um tetrapirrol linear chamado fitocromobilina Figura 168 A fitocromobilina é sintetizada no interior de plas tídios e derivada do heme por uma rota que se ramifica a partir da rota de biossintética da clorofila Ela é exporta da do plastídio para o citosol onde autocataliticamente se liga à apoproteína PHY por uma ligação tioéter a um resí duo de cisteína Ligações tioéter são éteres em que o oxi gênio está substituído por um átomo de enxofre R1SR2 Existem cinco isoformas de fitocromo em angiospermas phyAE com cada uma das isoformas codificadas por um gene separado e cada uma desempenhando um papel único no desenvolvimento Em Arabidopsis todas as cinco estão presentes enquanto apenas três estão presentes no arroz e apenas duas em choupo A Figura 169A ilustra vários dos domínios estruturais no fitocromo A metade Nterminal do fitocromo contém um domínio PAS um domínio GAF com atividade bilina liase que se liga ao cromóforo e o domínio PHY que es tabiliza o fitocromo na forma Pfr Os domínios PASGAF PHY compreendem a região de ligação ao cromóforo fo tossensora do fitocromo Uma região dobradiça separa as metades Nterminal e Cterminal da molécula A jusante das regiões dobradiças existem duas re petições do domínio relacionado ao PAS PRD de PAS related domain que medeiam a dimerização do fitocromo O domínio PRD tem sido implicado em destinar a forma Pfr do phyB para o núcleo embora careça de um sinal de localização nuclear NLS nuclear localization signal ca nônico A região Cterminal dos fitocromos contém um domínio relacionado com a histidina quinase HKRD histidine kinaserelated domain No entanto como obser vado anteriormente os fitocromos de plantas superiores ao contrário dos fitocromos bacterianos não possuem um domínio histidina quinase funcional Uma comparação das estruturas do domínio do fito cromo das plantas com os fitocromos procarióticos Cph1 fitocromo de cianobactéria 1 cyanobacterial phytochrome 1 e BphPs proteínas bacterianas semelhantes ao fitocro mo realça várias diferenças entre fitocromos de plantas e procarióticos incluindo a ausência dos dois domínios PRDs e a presença do domínio HKRD no lugar de um do mínio funcional de histidina quinase de procariotos ver Figura 1610A Embora todos os fitocromos contenham cromóforos tetrapirrol a fitocromobilina difere dos cro móforos procarióticos nos grupos químicos ligados aos anéis tetrapirrol ver Ensaio 161 na internet A exposição da forma Pr do fitocromo à luz verme lha provoca alterações estruturais em escala atômica no cromóforo fitocromobilina o cromóforo Pr sofre uma iso merização cistrans entre os carbonos 15 e 16 e rotação da ligação simples C14C15 ver Figura 168 A mudança no cromóforo leva ao rearranjo de elementos cruciais da es trutura secundária na proteína A estrutura cristalina da metade Nterminal de de tecção de luz do phyB de Arabidopsis é mostrada na Figura 169B Dois elementos estruturais que parecem ser impor tantes para a fotoconversão de Pr em Pfr são a região do grampo β e a espinha helicoidal Com base em estudos com o fitocromo bacteriano de Deinococcus radiodurans e o fitocromo de Arabidopsis um modelo de alternância toggle model foi proposto para a interconversão do fito cromo como ilustrado na Figura 169C De acordo com o modelo a estrutura da região do grampo β do Pr é alterada para uma α hélice durante a conversão do Pr em Pfr que inicia outras alterações conformacionais na proteína No entanto por causa das diferenças significativas entre os cromóforos e as estruturas do domínio de fitocromos bac terianos e de plantas são necessários mais estudos para confirmar o modelo de alternância O Pfr está particionado entre o citosol e o núcleo No citosol as holoproteínas do fitocromo dimerizam no estado inativo Pr Figura 1610 A conversão de Pr em Pfr por luz vermelha está associada a uma alteração con formacional no dímero que ainda está por ser resolvida Tanto phyA quanto phyB movimentamse do citosol para o núcleo de uma forma dependente da luz Figura 1611 mas o fazem por diferentes mecanismos Nem o phyA nem o phyB contêm um NLS canônico O domínio PRD Pro His Ser Cys His Leu Gln Pro His Ser Cys His Leu Gln Polipeptídeo COOH NH NH HN H N HN COOH B A C D O O R18 H H H S 259 H3C H3C Isômero cis Cromóforo fitocromobilina Pr 660 nm COOH NH NH HN COOH O O R18 H H H S 259 H3C H3C Isômero trans Pfr 730 nm Vermelho Vermelhodistante C14 C15 C14 C15 Figura 168 Estrutura das formas Pr e Pfr do cromóforo fitocro mobilina 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 vermelho distante Cortesia de Clark Lagarias Taiz16indd 454 Taiz16indd 454 27102016 153118 27102016 153118 Capítulo 16 Sinais da Luz Solar 455 do phyB pode potencialmente servir como um NLS mas parece mascarado sob a forma Pr A conversão de Pr em Pfr pela luz vermelha pode expor o NLS funcional do PRD do phyB facilitando a importação do phyB para o núcleo Por outro lado o PRD do phyA não pode funcionar como um NLS sendo portanto dependente de outras proteínas tais como FARRED ELONGATED HYPOCOTYL1 FHY1 e seu homólogo tipo FHY1 FHL de FHYlike para trans portálo para dentro do núcleo ver Figura 1610 Uma vez no núcleo os fitocromos interagem com os reguladores transcricionais para mediar as mudanças na transcrição gênica Portanto uma função importante do fitocromo é servir como um interruptor ativado pela luz para realizar alterações globais na transcrição gênica En S Vermelho Vermelhodistante PφB PCB BV Y Y H Y Y PAS S N Porção Nterminal Porção Cterminal C C A C GAF PHY PRD PRD HKRD Fitocromo das plantas PAS N GAF PHY HK Cph1 de cianobactérias C PAS S N GAF PHY HK BphP de bactérias R R O O H W GGW GG S R F R D D Y Y P P S F β1 FXE FXE Fitocromo Fitocromo β2 R R β3 β3 Domínio de GAF Pr Pfr B NT Espinha helicoidal PAS GAF PHY PφB PφB Nó de lasso Grampo Figura 169 Domínios do fitocromo e suas funções A Repre sentação esquemática de um fitocromo de planta PHY procarió tico Cph1 fitocromo de cianobactéria 1 e BphP proteína bacteria na semelhante ao fitocromo O cromóforo é ligado a resíduos de cisteína nas proteínas por uma ligação tioéter S Observe que o resíduo de cisteína que forma a ligação se situa no domínio de GAF em fitocromos canônicos como PHY e Cph1 enquanto está loca lizado no prolongamento Nterminal em fitocromos bacterianos tipo BphP NT extensão Nterminal HK domínio de histidina qui nase HKRD domínio relacionado à histidina quinase B Diagrama da fita do Nterminal metade de detecção da luz da forma Pr do dímero PhyB de Arabidopsis Os três domínios são coloridos como segue PAS azul GAF verde PHY laranja O cromóforo fitocro mobilina PB é indicado em azulclaro C Modelo de alternância para a mudança conformacional induzida pela luz de Pr para Pfr A rotação induzida pela luz vermelha do anel D do cromóforo faz o grampo β se tornar helicoidal e exercer uma tensão na espinha he licoidal β2 no grampo β muda de conformação a uma αhélice de pois da rotação O cromóforo é vermelho as tirosinas Y nos he xágonos e histidina H próximas do cromóforo giram em direções opostas a partir do anel D durante a mudança conformacional As letras na parte C referemse aos aminoácidos Por exemplo FXE significa fenilalaninaqualquer resíduoglutamato B e C de Burgie et al 2014 Taiz16indd 455 Taiz16indd 455 27102016 153118 27102016 153118 456 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento 1 O cromóforo PφB ligase ao domínio GAF em um resíduo de cisteína conserva do para produzir a holoproteína 2 Após a ativação pela luz vermelha o anel D do PφB gira causando uma mudança conforma cional na holoproteí na e expondo a sequência de localização nuclear NLS dentro dos PRDs do phyB A proteína FHY fornece o NLS para o phyA Heme Biliverdina Fitocromobilina PφB HOOC COOH FHY1 somente phyA Vermelho Vermelho distante Pr Pfr Plastídio Núcleo 3 A maior parte do pool de fitocromo é movida para o núcleo onde regula a expressão gênica 4 Um pequeno pool de fitocromo permanece no citosol onde medeia respostas rápidas DNA Expressão gênica Fotomorfogênese O fluxo de íons altera o potencial de membrana Citosol Região de articulação PφB PφB PφB PAS GAF PHY PAS GAF PHY PRD PRD HKRD PRD PRD HKRD HOOC COOH NH2 NH2 NH2 PAS GAF PHY PRD PRD PRD PRD HKRD HKRD NH2 PφB PAS GAF PHY PφB Figura 1610 Após a síntese da fitocromobilina no plastídio e a montagem com a apoproteína 1 o fitocromo é ativado pela luz vermelha 2 e migra para o núcleo 3 para modular a expressão gênica Um pequeno pool de fitocromo permanece no citosol onde pode regular alterações bioquímicas rápidas 4 En quanto o phyB tem seu próprio sinal de localização nuclear o phyA necessita da proteína FHY1 para entrar no núcleo Vários domínios conservados dentro do fitocromo são apresentados PAS GAF contém o domínio bilina liase PHY PRD domínio relacionado ao PAS e HKRD domínio relacionado à histidina quinase PB fitocromobilina De Montgomery e Lagarias 2002 A phyAGFP B phyBGFP Figura 1611 Localização nuclear das proteí nas de fusão phyGFP em células epidérmicas de hipocótilos de Arabidopsis Células de plantas transgênicas de Arabidopsis expressando phyA GFP A ou phyBGFP B foram colocadas à luz vermelhodistante contínua A ou luz branca B e observadas sob um microscópio de fluorescência Somente os núcleos são visíveis demonstrando que os tratamentos de luz induzem a acumulação nuclear das proteínas de fusão phyGFP No escu ro o phy está ausente do núcleo Esses resultados indicam um papel para a partição nuclearcito plasmática no controle da sinalização pelo fitocro mo Os menores pontos verdes brilhantes dentro do núcleo em B são chamados de speckles pon tinhos O número e o tamanho desses speckles têm sido correlacionados com a responsividade à luz De Yamaguchi et al 1999 cortesia de A Nagatani Taiz16indd 456 Taiz16indd 456 27102016 153118 27102016 153118 Capítulo 16 Sinais da Luz Solar 457 tretanto como discutido a seguir várias respostas do fito cromo como a inibição do alongamento do caule ocorrem extremamente rápido dentro de minutos ou mesmo se gundos após a exposição à radiação vermelha ou verme lhodistante Desse modo os fitocromos também podem ter papéis importantes no citosol regulando potenciais de membrana e fluxo de íons em resposta às luzes vermelha e vermelhodistante ver Figura 1610 Respostas do fitocromo A diversidade de respostas diferentes induzidas pelo fito cromo em plantas intactas é extensa em termos de tipos de respostas ver Tabela 161 e de quantidade de luz ne cessária para induzilas Um panorama dessa diversidade mostrará quanto diversamente os efeitos de um único fo toevento a absorção da luz pelo Pr são manifestados na planta Para facilitar a discussão as respostas induzidas pelo fitocromo podem ser agrupadas em dois tipos Eventos bioquímicos rápidos Mudanças morfológicas mais lentas incluindo movi mentos e crescimento Algumas das reações bioquímicas iniciais afetam respos tas tardias de desenvolvimento A natureza desses eventos bioquímicos iniciais que compreendem rotas de transdu ção de sinal será tratada em detalhe mais adiante neste capítulo Aqui são focalizados os efeitos do fitocromo so bre as respostas da planta como um todo Conforme será visto essas respostas podem ser classificadas em vários tipos dependendo da quantidade e da duração da luz exi gida e de seus espectros de ação As respostas do fitocromo variam em período de atraso lag time e tempo de escape Respostas morfológicas à fotoativação do fitocromo com frequência são observadas visualmente após um período de atraso lag time o tempo entre a estimulação e a observação da resposta Esse tempo pode ser muito breve apenas alguns minutos ou durar várias semanas Essas diferenças no tem po de resposta resultam de múltiplas rotas de transdução de sinal que operam a jusante downstream da sinalização do fitocromo bem como de interações com outros mecanismos de desenvolvimento As respostas mais rápidas em geral são os movimentos reversíveis das organelas ver Tópico 161 na internet ou as alterações reversíveis de volume nas células expansão ou encolhimento mas mesmo algumas respos tas de crescimento são extraordinariamente rápidas Por exemplo a inibição da taxa de alongamento do caule pela luz vermelha no quenopódiobranco Chenopodium album e Arabidopsis é observada dentro de minutos após o aumento da proporção de Pfr para Pr no caule Entretanto períodos de atraso de várias semanas para a indução do florescimento são observados em Arabidopsis e outras espécies A diversidade nas respostas do fitocromo também pode ser vista no fenômeno chamado de escape da fotor reversibilidade Os eventos induzidos pela luz vermelha são reversíveis pela luz vermelhodistante apenas por um período limitado após o qual se diz que a resposta es capou do controle da reversão pela luz Esse fenômeno de escape pode ser explicado por um modelo com base na suposição de que respostas morfológicas controladas pelo fitocromo resultam de uma sequência de múltiplas etapas de reações bioquímicas nas células atingidas Os estágios iniciais nessa sequência podem ser completamente reversí veis pela remoção do Pfr mas em algum local na sequên cia é atingido um ponto em que não há retorno point of no return além do qual as reações prosseguem irreversivel mente em direção à resposta Por isso o tempo de escape representa a quantidade de tempo existente antes que a sequência total de reações se torne irreversível essencial mente o tempo que leva para o Pfr completar sua ação pri mária O tempo de escape para diferentes respostas varia extraordinariamente de menos de 1 minuto até horas As respostas do fitocromo são classificadas em três categorias principais com base na quantidade de luz requerida Como mostra a Figura 1612 as respostas do fitocromo caem em três categorias principais com base na quan tidade de luz que elas exigem respostas à fluência muito baixa VLFRs very low fluence responses respostas à bai xa fluência LFRs lowfluence responses e respostas à alta irradiância HIRs highirradiance responses VLFRs e LFRs possuem uma faixa característica de fluências de luz dentro da qual a magnitude da resposta é proporcional à fluência HIRs por outro lado são proporcionais à irradiância 8 6 4 2 0 2 4 6 8 10 Log fluência μmol m2 Resposta relativa VLFR reciprocidade se aplica não reversível por FR LFR reciprocidade se aplica reversível por FR HIR Dependente da taxa de fluência longa irradiação é requerida e não fotorreversível reciprocidade não se aplica I1 I2 I3 Figura 1612 Três tipos de respostas do fitocromo com base em sua sensibilidade à fluência As magnitudes relativas das respostas representativas estão plotadas no gráfico em relação às fluências crescentes de luz vermelha Curtos pulsos de luz ativam as respostas à fluência muito baixa VLFRs e respostas à baixa fluência LFRs Visto que as respostas à alta irradiância HIRs são proporcionais à irradiância bem como à fluência os efeitos de três irradiâncias diferentes fornecidas continuamente são ilustrados I1 I2 I3 De Briggs et al 1984 Taiz16indd 457 Taiz16indd 457 27102016 153119 27102016 153119 458 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento RESPOSTAS À FLUÊNCIA MUITO BAIXA VLFRs Algu mas respostas do fitocromo podem ser iniciadas por fluên cias baixas de até 00001 μmol m2 alguns segundos sob o brilho das estrelas ou um décimo da quantidade de luz emitida por um vagalume em um único flash e tornamse saturadas ie atingem um máximo por volta de 005 μmol m2 Por exemplo as sementes de Arabidopsis podem ser in duzidas a germinar com luz vermelha na faixa de 0001 a 01 μmol m2 Em plântulas de aveia cultivadas no escuro a luz vermelha pode estimular o crescimento do coleóptilo e inibir o crescimento do mesocótilo o eixo alongado entre o coleóptilo e a raiz sob fluências baixas semelhantes As implicações ecológicas da VLFR na germinação de semen tes são discutidas no Ensaio 161 na internet As VLFRs não são fotorreversíveis A pouquíssima quantidade de luz necessária para induzir as VLFRs con verte menos de 002 do fitocromo total em Pfr Como a luz vermelhodistante que normalmente inverteria um efeito de luz vermelha converte apenas 98 do Pfr em Pr como discutido anteriormente cerca de 2 do fitocromo permanecem como Pfr significativamente mais do que o 002 necessário para induzir as VLFRs Em outras pala vras a luz vermelhodistante não pode reduzir a concen tração de Pfr abaixo de 002 de modo que ela é incapaz de inibir as VLFRs Embora as VLFRs não sejam fotorre versíveis os espectros de ação para VLFRs p ex a ger minação de sementes são semelhantes aos das LFRs dis cutidos a seguir que apoiam a visão de que o fitocromo é o fotorreceptor envolvido em VLFRs Essa hipótese foi confirmada usando mutantes com deficiência de fitocro mo conforme descrito posteriormente neste capítulo RESPOSTAS À BAIXA FLUÊNCIA LFRs Outro conjunto de respostas do fitocromo não pode ser iniciado antes de a fluência atingir 10 μmol m2 e é saturado por volta de 1000 μmol m2 Estas respostas de baixa fluência LFRs incluem processos como a promoção da germinação de sementes de alface a inibição do alongamento do hipocótilo e a regula ção dos movimentos foliares ver Tabela 161 Como visto na Figura 166 o espectro de ação da LFR para a germinação das sementes de Arabidopsis inclui um pico principal para a estimulação na região do vermelho 660 nm e um pico maior de inibição na região do vermelhodistante 720 nm Tanto as VLFRs quanto as LFRs podem ser induzidas por breves pulsos de luz uma vez que a quantidade total de energia luminosa atinja o total de fluência requerido pela resposta O total de fluência é uma função de dois fatores a taxa de fluência μmol m2 s1 e o tempo de ir radiação Assim um breve pulso de luz vermelha induzirá uma resposta desde que a luz seja intensa o suficiente por outro lado uma luz muito fraca irá funcionar se o tempo de irradiação for suficientemente longo Essa relação re cíproca entre a taxa de fluência e o tempo de irradiação é conhecida como lei da reciprocidade Tanto as VLFRs quanto as LFRs obedecem a essa lei isto é a magnitude da resposta p ex o percentual de germinação ou o grau de inibição do alongamento do hipocótilo depende do pro duto da taxa de fluência e do tempo de irradiação No entanto a reciprocidade é válida apenas quando a absorção de fótons pelo fotorreceptor estudado é a etapa li mitante da velocidade na resposta a ser estudada A recipro cidade é confundida quando qualquer etapa entre a ativação do fotorreceptor e a resposta medida p ex o alongamento do hipocótilo tornase limitante Assim o conceito de reci procidade é difícil de demonstrar para muitas respostas RESPOSTAS À ALTA IRRADIÂNCIA HIRs O tercei ro tipo de resposta do fitocromo é denominado respostas à alta irradiância HIRs várias delas listadas na Tabela 162 As HIRs requerem uma exposição prolongada ou contínua à luz de irradiância relativamente alta A respos ta é proporcional à irradiância até que a resposta sature e a luz adicional não tenha mais efeito ver Tópico 162 na internet A razão pela qual essas respostas são chamadas de respostas à alta irradiância em vez de respostas à alta fluência é que elas são proporcionais à taxa de fluência o número de fótons atingindo o tecido vegetal por segun do em vez de serem proporcionais à fluência o número total de fótons que atinge a planta em um dado período de iluminação As HIRs saturam em fluências muito mais altas do que as LFRs pelo menos cem vezes maior Visto que nem a exposição contínua à luz fraca nem a exposição transiente à luz brilhante podem induzir as HIRs essas respostas não obedecem à lei da reciprocidade Muitas das LFRs listadas na Tabela 161 em particular as envolvidas no desestiolamento também se qualificam como HIRs Por exemplo em baixa fluência o espectro de ação para a produção de antocianina em plântulas de mostardabranca Sinapis alba é indicativo de fitocromo e apresenta um único pico na região vermelha do espectro O efeito é reversível com a luz vermelhodistante uma propriedade fotoquímica única dos fitocromos e a res posta obedece à lei da reciprocidade Todavia se as plân tulas cultivadas no escuro são expostas à luz de alta irra diância por várias horas o espectro de ação agora incluirá picos nas regiões do vermelhodistante e do azul o efeito deixa de ser fotorreversível e a resposta tornase propor cional à irradiância Assim o mesmo efeito pode ser tan to uma LFR quanto uma HIR dependendo da história de TABELA 162 Algumas das respostas fotomorfogênicas das plantas induzidas pela alta irradiância Síntese de flavonoides incluindo as antocianinas em várias plântulas de dicotiledôneas e em segmentos de casca de maçã Inibição do alongamento do hipocótilo em plântulas de mostarda alface e petúnia Indução do florescimento no meimendronegro Hyoscyamus Abertura do gancho plumular na alface Crescimento dos cotilédones na mostarda Produção de etileno no sorgo Taiz16indd 458 Taiz16indd 458 27102016 153120 27102016 153120 Capítulo 16 Sinais da Luz Solar 459 exposição de uma plântula à luz Como será discutido a seguir diferentes moléculas de fitocromo são responsáveis por esses vários tipos de resposta O fitocromo A medeia respostas à luz vermelhodistante contínua Como observado anteriormente Arabidopsis contém cin co genes que codificam fitocromos PHYA a PHYE Qua tro dos cinco fitocromos phyB a phyE parecem em sua maioria estáveis à luz na planta e funcionam principal mente na regulação das LFRs e no evitamento de sombra envolvendo mudanças na razão RFR Por outro lado o phyA é rapidamente degradado como Pfr e controla as res postas das plantas a VLFRs e as HIRs vermelhodistante Estudos recentes sugerem que o phyB também é degrada do no núcleo junto com seus alvos PIF durante a sinaliza ção Assim a reciclagem turnover do Pfr parece ser uma propriedade conservada dos fitocromos das plantas Nos estudos iniciais de Arabidopsis mutações em phyB foram identificadas em mutantes com alongamento do hipocótilo alterado sob luz branca contínua coletiva mente denominados mutantes hy A luz branca contínua é detectada pelos fitocromos estáveis à luz phyB a phyE Uma vez que as HIRs vermelhodistante exigem fitocro mo lábil à luz suspeitouse que o phyA deve ser o fotor receptor envolvido na percepção da luz vermelhodistante contínua Triagens de mutantes que não respondem à luz vermelhodistante contínua e em vez disso tornamse al tos e esguios levaram à identificação de mutantes phyA bem como mutantes adicionais deficientes na formação do cromóforo indicando que o phyA medeia a resposta à luz vermelhodistante contínua Mutantes sem phyA também não conseguiram germi nar em resposta a pulsos de luz com duração de milissegun dos mas mostraram uma resposta normal à luz vermelha na faixa de baixa fluência Esse resultado demonstra que o phyA também funciona como o fotorreceptor primário para essa VLFR Quando cultivados sob luz vermelha de alta fluência 100 μmol m2 s1 os mutantes duplos phyAphyB são mais alongados ainda do que os mutantes simples phyB Também foi demonstrado que o phyA atua no controle do fotoperíodo para o florescimento em Arabidopsis e arroz O fitocromo B medeia as respostas às luzes vermelha ou branca contínua A caracterização do mutante hy3 revelou um papel impor tante para o phyB no desestiolamento uma vez que plân tulas mutantes cultivadas em luz branca contínua apre sentavam hipocótilos longos O mutante phyB é deficiente em clorofila e em alguns mRNAs que codificam proteínas do cloroplasto e tem pouca capacidade de responder aos hormônios vegetais Além de regular as HIRs mediadas pelas luzes branca e vermelha o phyB parece também regular LFRs como a germinação fotorreversível de sementes o fenômeno que le vou originalmente à descoberta do fitocromo As sementes do tipo selvagem de Arabidopsis requerem luz para germina ção e a resposta revela reversibilidade vermelhovermelho distante na faixa de baixa fluência ver Figura 166A Mu tantes que não possuem o phyA respondem normalmente à luz vermelha enquanto mutantes deficientes em phyB não são capazes de responder à luz vermelha de baixa fluência Essa evidência experimental sugere fortemente que o phyB medeia a germinação fotorreversível de sementes O phyB tem também um papel importante na regu lação das respostas das plantas a tratamentos de sombra Plantas deficientes em phyB com frequência se parecem com plantas do tipo selvagem que cresceram sob dossel denso Na verdade a mediação das respostas à sombra ve getativa como a floração acelerada e o aumento do alon gamento pode ser um dos papéis ecológicos mais impor tantes do fitocromo ver Capítulo 18 Os papéis dos fitocromos C D e E estão emergindo Embora phyA e phyB sejam as formas predominantes do fitocromo em Arabidopsis phyC phyD e phyE têm papéis específicos na regulação das respostas às luzes vermelha e vermelhodistante A criação dos mutantes duplos e triplos tornou possível avaliar o papel relativo de cada fitocromo em uma dada resposta Os phyD e phyE são estruturalmente si milares ao phyB mas não são redundantes funcionalmente As respostas mediadas por phyD e phyE incluem o alonga mento dos pecíolos e dos entrenós e o controle do período de florescimento ver Capítulo 20 A caracterização de mutan tes phyC em Arabidopsis sugere uma interrelação complexa entre as rotas de resposta de phyC phyA e phyB Essa espe cialização na função dos genes do fitocromo provavelmente é importante na sintonia fina das respostas do fitocromo às alterações diárias e sazonais nos regimes de luz Rotas de sinalização do fitocromo Todas as mudanças nas plantas reguladas por fitocromos iniciam com a absorção da luz pelo fotorreceptor Após a absorção da luz as propriedades moleculares do fitocromo são alteradas afetando a interação da proteína do fitocromo com outros componentes celulares o que em última aná lise provoca as mudanças no crescimento no desenvolvi mento ou na posição de um órgão ver Tabelas 161 e 162 Técnicas moleculares e bioquímicas estão ajudando a desvendar as etapas iniciais na ação do fitocromo e nas ro tas de transdução de sinais que levam a respostas fisioló gicas ou de desenvolvimento Tais respostas enquadram se em duas categorias gerais Fluxo de íons que causa respostas de turgor relativa mente rápidas Expressão gênica alterada que tipicamente resulta em respostas mais lentas e de longo prazo Nesta seção são examinados os efeitos do fitocromo tanto na permeabilidade de membrana quanto na expressão gêni Taiz16indd 459 Taiz16indd 459 27102016 153120 27102016 153120 460 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento ca bem como a possível cadeia de eventos constituintes das rotas de transdução de sinais que produzem esses efeitos O fitocromo regula os potenciais de membrana e os fluxos de íons O fitocromo pode alterar rapidamente as propriedades das membranas segundos após um pulso de luz Essa modu lação rápida foi medida em células individuais e tem sido inferida a partir dos efeitos das luzes vermelha e verme lhodistante sobre o potencial da superfície de raízes e co leóptilos de aveia em que o atraso entre a produção de Pfr e a instalação de hiperpolarização mensurável mudança no potencial de membrana ocorre em segundos As alte rações no potencial elétrico de células envolvem mudanças no fluxo de íons através da membrana plasmática e suge rem que algumas das respostas citosólicas do fitocromo têm início na membrana plasmática ou próximo a ela ver Tópico 163 na internet Um enigma que perdura é como a alga verde filamen tosa Mougeotia usa a luz vermelha para estimular o mo vimento rápido dos cloroplastos ver Tópico 161 na in ternet Em muitas espécies inclusive em Arabidopsis os movimentos dos cloroplastos são mediados pela luz azul mediante a ação das proteínas fotorreceptoras fototropi nas Em Mougeotia os fotorreceptores que regulam os mo vimentos dos cloroplastos consistem em uma fusão entre o fitocromo e uma fototropina conhecida como neocromo e mostram a típica ligação bilina bem como a reversibilidade vermelhovermelhodistante Assim a Mougeotia parece ter desenvolvido a capacidade para explorar a luz verme lha como um sinal para induzir a resposta movimento dos cloroplastos que em geral é mediada pela luz azul O fitocromo regula a expressão gênica Como sugere o termo fotomorfogênese o desenvolvimento das plantas é profundamente influenciado pela luz Caules alongados cotilédones dobrados e a ausência de clorofila ca racterizam o desenvolvimento de plântulas estioladas culti vadas no escuro A inversão completa desses sintomas pela luz envolve grandes alterações de longo prazo no metabolis mo que só podem ser provocadas por mudanças na expres são gênica Os promotores vegetais regulados pela luz são semelhantes aos de outros genes eucarióticos uma coleção de elementos modulares o número a posição as sequências de flanqueamento e as atividades de ligação que podem le var a uma grande gama de padrões de transcrição Não exis te uma única sequência de DNA ou proteína de ligação que seja comum a todos os genes regulados pelo fitocromo Em princípio pode parecer paradoxal que os genes re gulados pela luz tenham essa gama de elementos regula dores os quais em qualquer combinação podem conferir a expressão regulada pela luz Entretanto esse arranjo de sequências leva em conta a regulação diferencial de mui tos genes específica à luz e ao tecido pela ação de fotorre ceptores múltiplos A estimulação e a repressão da transcrição pela luz podem ser muito rápidas com períodos de atraso tão cur tos quanto 5 minutos Utilizando análise de microarranjos de DNA podem ser monitorados os padrões globais de expressão gênica em resposta a mudanças na iluminação Para uma discussão sobre os métodos de análise transcri cional ver Tópico 24 na internet Esses estudos indicam que a importação pelo núcleo desencadeia uma cascata transcricional envolvendo milhares de genes que estão envolvidos no desenvolvimento fotomorfogênico Pela monitoração desses perfis de expressão gênica ao longo do tempo após a mudança das plantas do escuro para a luz foram identificados os alvos tanto precoces como tardios da ação dos genes PHY A importação nuclear de phyA e phyB é altamente correlacionada com a qualidade da luz que estimula suas atividades Assim a importação nuclear do phyA é ativada tanto pela luz vermelha ou vermelhodistante quanto pela luz de amplo espectro de baixa fluência enquanto a im portação do phyB é induzida pela exposição à luz verme lha e é reversível pela luz vermelhodistante A importa ção nuclear das proteínas do fitocromo representa um dos principais pontos de controle na sinalização do fitocromo Alguns desses produtos gênicos precoces rapidamen te regulados para cima upregulated após uma mudança do escuro para a luz são fatores de transcrição que ativam a expressão de outros genes Os genes que codificam essas proteínas rapidamente reguladas para cima são chamados genes de resposta primária A expressão dos genes de resposta primária depende de rotas de transdução de sinal discutidas a seguir e é independente da síntese proteica Por outro lado a expressão dos genes tardios ou genes de resposta secundária requer a síntese de novas proteínas Os fatores de interação do fitocromo PIFs atuam cedo na sinalização Fatores de interação do fitocromo PIFs phytochrome in teracting factors são uma família de proteínas que atuam principalmente como reguladores negativos de respostas fotomorfogênicas Um mutante quádruplo que perturba as funções de vários membros da família PIF exibe desenvol vimento fotomorfogênico constitutivo quando as plantas são cultivadas no escuro Os PIFs regulam vários aspec tos da fotomorfogênese mediada pelo fitocromo incluin do a germinação das sementes a biossíntese de clorofila o evitamento de sombra e o alongamento do hipocótilo Os PIFs promovem o desenvolvimento estiolado no escuro escotomorfogênese principalmente por servirem como ativadores da transcrição de genes induzidos pelo escuro Figura 1613A e também pela repressão de alguns genes induzidos pela luz Figura 1613B Em ambos os casos a formação do Pfr induzida pela luz vermelha dá início à de gradação de proteínas PIF pela fosforilação seguida pela degradação via complexo do proteossomo ver Capítulos 2 e 15 A rápida degradação dos PIFs pode proporcionar um mecanismo de modulação das respostas à luz que é rigida mente acoplado às atividades das proteínas phy Os PIFs que interagem com phyA ou phyB definem pontos de ramificação nas redes de sinalização phy en Taiz16indd 460 Taiz16indd 460 27102016 153120 27102016 153120 Capítulo 16 Sinais da Luz Solar 461 quanto as proteínas que interagem com phyA e phyB prova velmente representam pontos de convergência Um desses fatores mais extensivamente caracterizados é o PIF3 um fa tor de transcrição hélicealçahélice básico bHLH de basic helixloophelix que interage com phyA e phyB O PIF3 e vá rios PIFs relacionados ou proteínas do tipo PIF PILs PIF like proteins são particularmente notáveis pois ao menos cinco membros dessa família de genes interagem seletiva mente com fitocromos em sua conformação ativa Pfr O fato de essas proteínas estarem localizadas no núcleo e poderem se ligar ao DNA sugere uma associação íntima entre o fito cromo e a transcrição gênica A sinalização pelo fitocromo envolve a fosforilação e a desfosforilação de proteínas Um grupo de proteínas dos substratos da quinase do fi tocromo PKS phytochrome kinase substrate associadas à membrana parece modificar a atividade do fitocromo via fosforilação seja diretamente ou por interações com ou tras quinases PKS1 interage com phyA e phyB tanto na forma ativa Pfr como na forma inativa Pr Análises mo leculares e genéticas sugerem que essas proteínas atuam seletivamente promovendo a VLFR mediada por phyA Também foi mostrado que várias fosfatases interagem com phy e regulam seu estado de fosforilação A fotomorfogênese induzida pelo fitocromo envolve degradação de proteínas Como discutido no Capítulo 15 a maioria das rotas de transdução de sinal das plantas envolve a inativação a de gradação ou a remoção de proteínas repressoras A rota de sinalização do fitocromo é coerente com esse princípio geral Por exemplo phyA é rapidamente degradado após sua ati vação pela luz Assim a degradação de proteínas além da fosforilação está emergindo como um mecanismo ubíquo que regula muitos processos celulares incluindo a sinaliza ção luminosa e hormonal os ritmos circadianos e a época de florescimento para exemplos ver Capítulos 15 e 20 Triagens genéticas realizadas de forma independente por vários grupos identificaram mutantes que apresenta ram fenótipos de plantas cultivadas na luz quando cultiva dos no escuro Os genes identificados nessas triagens foram chamados de CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENESIS1 COP1 DEETIOLATED DET e FUSCA FUS para a cor vermelhoescuro das antocianinas que se acumulam em plântulas cultivadas na luz Muitos desses genes são alé licos ou codificam proteínas que fazem parte dos mesmos complexos sendo coletivamente conhecidas como COP DETFUS Esses genes codificam proteínas do complexo COP1SUPRESSOR DE PHYA COP1SPA do complexo COP9 sinalossomo CSN e outros complexos que estão en volvidos na ubiquitinação e na degradação proteossômica de proteínas que promovem a fotomorfogênese COP1 outro regulador negativo da fotomorfogênese é um componente do complexo ubiquitinaligase E3 que tem como alvo de degradação proteínas promotoras da fotomor fogênese como phyA phyB e vários fatores de transcrição COP1 encontrase no núcleo no escuro e no citoplasma na luz O movimento do COP1 para dentro do núcleo no escuro exige o complexo COP9 sinalossomo CSN embora ainda não esteja claro como o CSN direciona o COP1 para o núcleo Figura 1614 No núcleo o COP1 interage diretamente com o SPA1 que promove a destruição do PHYA O complexo COP1SPA1E3 ligase também é responsável pela ubiquiti nação e pela degradação proteossômica de proteínas de pro moção da fotomorfogênese como o fator de transcrição HY5 do bZIP ver Figura 1614 Como resultado a escotomorfo gênese tornase a rotapadrão de desenvolvimento Na presença da luz a atividade do COP1 é reprimida embora o mecanismo completo responsável pela inativa A PIFs como ativadores transcricionais constitutivos no escuro PIFs GPBEbox Gene induzido pelo PIF DNA Escuro Noite Pr Sombra PIFs GPBEbox Gene induzido pelo PIF DNA Pfr Luz B PIFs como repressores transcricionais constitutivos no escuro PIFs GPBEbox Gene reprimido pelo PIF DNA Escuro Noite Pr Sombra PIFs GPBEbox Gene reprimido pelo PIF DNA Pfr Luz Figura 1613 Fatores de interação do fitocromo PIFs atuam como reguladores negativos da fotomorfogênese A Em sua maioria os PIFs são ativadores constituti vos de genes expressos no escuro ou em resposta à sombra Na luz o Pfr promo ve a degradação dos PIFs bloqueando a transcrição de genes da escotomorfogê nese B Durante o desestiolamento os PIFs também podem atuar como repres sores constitutivos de alguns genes indu zidos pela luz O Pfr provoca a reciclagem desses PIFs permitindo a expressão de genes da fotomorfogênese De Leivar e Monte 2014 Taiz16indd 461 Taiz16indd 461 27102016 153120 27102016 153120 462 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento ção do COP1 na luz seja desconhecido A exportação de pendente da luz do COP1 para o citoplasma é um proces so lento exige um tempo longo de exposição à luz mais de 24 h e provavelmente é um mecanismo para suprimir a ativação do COP1 sob condições estendidas de luz Juntos a repressão da atividade do COP1 e a exportação para o citoplasma permitem que fatores de transcrição se liguem a elementos promotores em genes que medeiam o desen volvimento fotomorfogênico Como será discutido no Capítulo 20 o COP1 também é responsável pela degradação dos reguladores de floresci mento CONSTANS CO e GIGANTEA GI Respostas à luz azul e fotorreceptores As respostas à luz azul já foram descritas em plantas su periores algas pteridófitas fungos e procariontes Além do fototropismo essas respostas abrangem a captação de ânions em algas a inibição do alongamento do hipocótilo caule em plântulas a estimulação da síntese de clorofilas e carotenoides a ativação da expressão gênica e o aumen to da respiração Entre os organismos unicelulares móveis como certas algas e bactérias a luz azul medeia a fototaxia o movimento de organismos unicelulares em direção à luz ou para longe dela A luz azul também estimula o processo de infecção em bactérias como o patógeno animal Brucella abortus Algumas respostas à luz azul foram introduzidas em relação à fotossíntese nos Capítulos 9 e 10 incluindo os movimentos dos cloroplastos o acompanhamento do sol e a abertura estomática No Capítulo 18 várias respostas chave à luz azul fotoblastia fototropismo e fotomorfo gênese são discutidas no contexto da germinação de se mentes e do estabelecimento de plântulas Três classes distintas de fotorreceptores medeiam os efeitos da luz UVAazul 320500 nm os criptocromos as fototropinas e a família das proteínas ZEITLUPE ZTL Os criptocromos cry como os fitocromos desempenham um importante papel regulador na fotomorfogênese ve getal As fototropinas phots por outro lado estão en volvidas no direcionamento do movimento de órgãos de cloroplastos e nuclear no acompanhamento do sol e na abertura estomática sendo todos processos dependentes da luz que otimizam a eficiência fotossintética das plan tas Tem sido demonstrado que a família ZTL participa no controle do relógio circadiano e do florescimento As respostas à luz azul possuem cinética e períodos de atraso lag times característicos A inibição do alongamento do caule e a estimulação da abertura estomática pela luz azul ilustram duas importan tes propriedades temporais das respostas à luz azul SPA1 1 No escuro a COP1 uma ubiquitina ligase E3 e a SPA1 adicionam marcadores de ubiquitina a um subgrupo de proteínas nucleares 2 As proteínas ubiquitinadas são marcadas para degradação pelo proteassomo 26S 3 Na luz a COP1 é lentamente exportada para o citosol mas antes de deixar o núcleo ela adiciona marcadores de ubiquitina ao phyA SPA1 COP1 COP1 CSN COP1 COP1 Proteassomo 26S phyA HFR1 HY5 LAF1 HFR1 HY5 LAF1 Marcadores de ubiquitina Ubiquitina Promotor Núcleo Citosol Tampa 4 A ausência da COP1 no núcleo permite a acumulação de ativadores transcricionais necessários para o desenvolvimento fotomorfogênico Expressão gênica Transcrição DNA phyA 1 3 2 4 Figura 1614 As proteínas COP regulam a regeneração de pro teínas necessárias para o desenvolvimento fotomorfogênico Duran te a noite a COP1 entra no núcleo com o auxílio do complexo COP9 sinalossomo CSN COP1 forma um complexo com SPA1 e o com plexo COP1SPA1 adiciona uma ubiquitina a um subgrupo de ativa dores transcricionais que promovem a fotomorfogênese Os fatores de transcrição são então degradados pelo complexo proteassomo Durante o dia a COP1 sai do núcleo permitindo a acumulação dos ativadores transcricionais Taiz16indd 462 Taiz16indd 462 27102016 153120 27102016 153120 Capítulo 16 Sinais da Luz Solar 463 1 Um período de atraso significativo que separa o sinal de luz e a taxa máxima de resposta 2 Persistência da resposta após o sinal de luz ter sido desligado As respostas à luz azul podem ser relativamente rápidas em comparação com a maioria das mudanças fotomor fogênicas No entanto em comparação com as respostas fotossintéticas típicas que são completamente ativadas quase instantaneamente após um sinal de luz ligada e que cessam logo que a luz se apaga as respostas à luz azul exibem um período de atraso de duração variável e pros seguem em taxa máxima durante vários minutos após a aplicação de um pulso de luz Por exemplo a luz azul induz uma redução na taxa de crescimento e uma despolarização transitória da mem brana em plântulas de pepino estioladas apenas após um período de atraso de cerca de 25 segundos Figura 1615 A persistência de respostas à luz azul na ausência de luz azul tem sido estudada usando pulsos de luz azul Por exemplo a ativação induzida pela luz azul da HATPase nas célulasguarda decai após um pulso de luz azul mas apenas depois de decorridos vários minutos ver Figuras 106 e 107 Essa persistência da resposta à luz azul após o pulso pode ser explicada por um ciclo fotoquímico no qual a forma fisiologicamente ativa do fotorreceptor a qual foi convertida da forma inativa pela luz azul revertese len tamente para a forma inativa após essa luz ser desligada Como será discutido em seguida no caso de fototropinas esse ciclo parece envolver quatro processos principais a desfosforilação do receptor por uma fosfatase proteica a quebra da ligação covalente carbonoenxofre a dissocia ção do receptor de suas moléculasalvo e a reversão no escuro de alterações conformacionais induzidas pela luz A velocidade de decaimento da resposta a um pulso de luz azul assim depende do curso de tempo da reversão da forma ativa do fotorreceptor de volta para a forma inativa Criptocromos Criptocromos são fotorreceptores de luz azul que medeiam várias respostas a esse tipo de luz incluindo a supressão do alongamento do hipocótilo a promoção da expansão de cotilédones a despolarização de membrana a inibição do alongamento do pecíolo a produção de antocianinas e o ajuste do relógio circadiano O CRYPTOCHROME1 CRY1 foi originalmente identificado em Arabidopsis usando triagens genéticas para mutantes cujos hipocótilos eram alongados quando cultivados em luz branca porque lhes faltava a inibição estimulada pela luz do alongamento do hipocótilo descrito anteriormente Outras análises mos traram que o fenótipo longo do hipocótilo de um dos mu tantes hy4 era específico para a inibição pela luz azul do alongamento do hipocótilo Isto é o alongamento do hipo cótilo ainda era inibido pela luz vermelha no mutante hy4 Como será discutido mais adiante neste capítulo em longo prazo os criptocromos são responsáveis pela inibição do alongamento do hipocótilo induzida pela luz enquanto as fototropinas medeiam a resposta inibidora rápida O gene HY4 codifica uma proteína de 75 kDa com homologia de sequência significativa com a fotoliase mi crobiana uma enzima ativada por luz azul que repara os dímeros de pirimidina no DNA causados por exposição à radiação ultravioleta Tendo em conta essa semelhança de sequência a proteína HY4 mais tarde denominada cry1 foi proposta como um fotorreceptor de luz azul que me deia o alongamento do caule Os criptocromos no entanto não mostram qualquer atividade fotoliase As proteínas do criptocromo foram mais tarde descobertas em muitos orga nismos incluindo cianobactérias pteridófitas algas mos casdafruta camundongos e seres humanos Arabidopsis contém três genes criptocromos CRY1 CRY2 e CRY3 O cromóforo FAD ativado do criptocromo causa uma mudança conformacional na proteína A estrutura do domínio de criptocromos de Arabidopsis é mostrada na Figura 1616A Semelhante a uma importan te classe de fotoliases os criptocromos ligam um flavina adenina dinucleotídeo FAD e a pterina 510metiltetra hidrofolato MTHF como cromóforos Figura 1616B e Decréscimo na taxa de crescimento Despolarização transitória da membrana 160 Diferença de potencial de membrana mV Taxa de crescimento mm h1 140 120 100 80 60 10 15 20 25 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 Luz azul ligada Tempo min A B Figura 1615 A Alterações induzidas pela luz azul na taxa de alongamento de plântulas estioladas de pepino B Despolarização transitória induzida pela luz azul na membrana das células do hipo cótilo De Spalding e Cosgrove 1989 Taiz16indd 463 Taiz16indd 463 27102016 153120 27102016 153120 464 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento C Pterinas são derivados de pteridina que absorvem luz com frequência encontrados em células pigmentadas de insetos peixes e aves Nas fotoliases a luz azul é absorvi da pela pterina e a energia de excitação é então transfe rida para o FAD Um mecanismo semelhante pode operar no criptocromo mas ainda falta evidência definitiva No entanto é evidente que o FAD é o principal cromóforo que regula a atividade do criptocromo A absorção de luz azul altera o estado redox do cro móforo FAD ligado e é esse evento primário que desenca deia a ativação dos fotorreceptores Figura 1616D Assim como ocorre em fitocromos e fototropinas esse meca nismo de ativação envolve mudanças conformacionais de proteína No caso dos criptocromos acreditase que a absorção de luz pela região Nterminal fotoliase altere a conformação de uma extensão Cterminal que é necessá ria para a sinalização Essa extensão Cterminal está au sente em enzimas fotoliases mas é claramente essencial para a sinalização pelos criptocromos Podese portanto ver o criptocromo vegetal 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 Cterminus o qual por sua vez inicia a sinalização por ligação a proteínas parcei ras específicas Como nos fitocromos a dimerização dos criptocromos mediada pelo domínio semelhante à foto liase pode ser importante para sua sinalização N O O N N Glun H N H2N A C D FAD inativo FADH ativo FADH inativo Azul Escuro Escuro Verde Escuro 510metiltetrahidrofolato MTHF pterina O O N R N NH N O O N R N H NH N O O N R N H NH N Photly Arabidopsis thaliana Criptocromo 1 Arabidopsis thaliana Criptocromo 3 MTHFFAD CCT Photly MTHFFAD 200 aa B MTHF FAD N H HN NH2 N N N O O N H H CH2 CH2 CH3 CH3 CHOH3 N N N O Flavina adenina dinucleotídeo FAD P O O O P O O O O O O Figura 1616 Domínio do criptocromo e estrutura do cromóforo A O alinhamento dos dois criptocromos de Arabidopsis mostrando o domínio tipo fotoliase Photly o domínio de ligação ao FAD e a região Cterminal do criptocromo CCT B O criptocromo é um dímero mas o monômero é mostrado neste diagrama de fita O cofator de captura de luz 510metiltetrahidrofolato MTHF e o cofator catalítico flavina adenina dinucleotídeo FAD estão ligados não covalentemente à pro teína tal como indicado C Estruturas de FAD e MTHF D Fotociclo FAD do criptocromo B de Huang et al 2006 Taiz16indd 464 Taiz16indd 464 27102016 153120 27102016 153120 Capítulo 16 Sinais da Luz Solar 465 cry1 e cry2 têm efeitos diferentes sobre o desenvolvimento A superexpressão da apoproteína CRY1 em indivíduos transgênicos de tabaco ou Arabidopsis resulta em uma ini bição mais forte do alongamento do hipocótilo estimulada pela luz azul bem como um aumento na produção de an tocianinas Figura 1617 Um segundo criptocromo deno minado cry2 foi subsequentemente isolado de Arabidopsis Tanto cry1 quanto cry2 parecem ser onipresentes em todo o reino vegetal Uma diferença importante entre eles é que a proteína cry2 é preferencialmente degradada sob luz azul enquanto cry1 é muito mais estável As plantas transgênicas que superexpressam o gene CRY2 mostram apenas um au mento pequeno da inibição do alongamento do hipocótilo encontrado no tipo selvagem indicando que diferentemente de cry1 cry2 não tem um papel importante na inibição do alongamento do caule No entanto as plantas transgênicas que superexpressam o CRY2 mostram um grande aumento na expansão do cotilédone estimulada por luz azul Além disso cry1 e em menor grau cry2 está envolvido na re gulação do relógio circadiano em Arabidopsis enquanto cry2 desempenha um papel importante na indução do floresci mento ver Capítulo 20 Os homólogos dos criptocromos também têm sido verificados atuando na regulação do reló gio circadiano em moscas ratos e seres humanos Também é interessante notar que em Arabidopsis foi demonstrado que os pools nucleares e citoplasmáticos de cry1 têm funções biológicas distintas Contrariamente às expectativas moléculas de cry1 nucleares em vez de ci toplasmáticos foram identificadas mediando alterações mediadas pela luz azul na despolarização da membrana Essa resposta que transcorre em vários segundos é uma das mais rápidas respostas à luz azul mediadas pelo cry1 O mecanismo envolvido nessa ativação dos canais aniôni cos dependente da luz azul ainda não é conhecido Enquanto cry1 e cry2 em geral são encontrados no núcleo cry3 está localizado nos cloroplastos e nas mito côndrias A função de cry3 ainda não é conhecida embora tenha sido demonstrado que possua atividade de fotoliase específica para lesões em DNA de cadeia simples Além disso o mecanismo de sinalização do cry3 é obviamente diferente do mecanismo de cry1 e cry2 uma vez que não tem uma extensão Cterminal de destaque Criptocromos nucleares inibem a degradação de proteínas induzida pelo COP1 Tanto cry1 como cry2 estão presentes no núcleo e no cito plasma e não há evidências de que o criptocromo se mova para o núcleo em resposta à luz A Figura 1618 mostra que no escuro o COP1 junto com SPA1 e outros fatores atua para degradar fatores de transcrição como HY5 que indu zem a expressão de genes requeridos para a fotomorfogêne se ver também Figura 1614 Após a ativação pela luz azul cry1 forma no núcleo um complexo com SPA1 e COP1 que o impede de atuar impedindo desse modo a degradação de HY5 e outros fatores de transcrição que promovem a foto morfogênese Como no caso da sinalização pelo fitocromo o aumento dos níveis de HY5 e outros fatores de transcrição promovem o desenvolvimento fotomorfogênico É o Cterminus do criptocromo que se liga a SPA1 e impede ação do SPA1COP1 Plantas de Arabidopsis que su perexpressam apenas a região Cterminal do criptocromo CCT mostram fenótipos semelhantes aos mutantes cop que se assemelham a plântulas cultivadas na luz quando cultivados no escuro O modelo mostrado na Figura 1618 pode explicar o fenótipo das plantas que superexpressam a CCT Sem o domínio fotossensor Nterminal a CCT pode adotar uma conformação ativa que sequestra a atividade de COP1 e SPA1 mesmo na ausência da luz promovendo desse modo um aumento dos níveis de proteína HY5 e a transcrição de genes fotomorfogênicos chave A fosforilação do criptocromo induzida pela luz azul também parece ser importante na modulação de sua ativi dade e no caso de cry2 na promoção de sua degradação As proteínas quinases envolvidas não são completamente compreendidas mas a fosforilação pode ser importante na manutenção do Cterminus do cry1 em uma conformação ativa ver Figura 1618 O criptocromo também pode se ligar diretamente aos reguladores de transcrição Além de controlar os níveis de fatores de transcrição o criptocromo também pode se ligar diretamente e regular a atividade de proteínas específicas de ligação ao DNA No caso do florescimento o cry2 tem mostrado se ligar diretamente a fatores de transcrição bHLH como Cry interatuante bHLH1 CIB1 O CIB1 regula a iniciação floral por ligação ao promotor do FLOWERING LOCUS T FT O FT é o regulador de transcrição celular que migra das folhas para o meristema apical e ativa a transcrição de genes de identidade do meristema floral ver Capítulo 20 06 08 Acumulação de antocianina mudança na absorbância 04 02 00 00 CRY1 WT cry1 Comprimento do hipocótilo cm 10 05 CRY1 WT cry1 A B Figura 1617 A luz azul estimula a acumulação de antocianina A e a inibição do alongamento do caule B em plântulas transgê nicas e mutantes de Arabidopsis 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 esti mulação da biossíntese de antocianina e na inibição do alongamen to do caule De Ahmad et al 1998 Taiz16indd 465 Taiz16indd 465 27102016 153120 27102016 153120 466 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento As plantas com superexpressão do CIB1 florescem mais cedo do que as plantas de tipo selvagem A ação conjunta do criptocromo do fitocromo e das fototropinas A ação conjunta entre o criptocromo e o fitocromo foi suspei tada por muito tempo pois se sabia que vários processos de desenvolvimento tais como fotomorfogênese e florescimen to estavam sob controle do fitocromo porém mutações no CRY2 gene levavam a alterações nessas respostas Sabese hoje que existe uma ação conjunta entre vários dos fotorre ceptores das plantas Muitos dos processos de desenvolvi mento afetados por essa ação conjunta podem ser agrupados em três categorias gerais alongamento do caule ou do hi pocótilo florescimento e regulação dos ritmos circadianos O alongamento do caule é inibido por fotorreceptores vermelho e azul Como observado anteriormente os caules de plântulas cul tivadas no escuro alongamse muito rapidamente e a inibi ção do alongamento do caule pela luz é uma resposta foto morfogênicachave da plântula que emerge da superfície do solo ver Capítulo 18 Embora o fitocromo esteja envolvido nessa resposta o espectro de ação para a redução da taxa de alongamento mostra também uma forte atividade na região azul o que não pode ser explicado pelas propriedades de absorção do fitocromo Na verdade a região azul de 400 a 500 nm do espectro de ação para inibição do alongamento do caule se parece muito com aquela do fototropismo É possível separar experimentalmente uma redução nas taxas de alongamento mediada pelo fitocromo da re dução mediada por uma resposta à luz azul específica Se plântulas de alface forem irradiadas com baixa fluência de luz azul sob uma forte luz amarela de fundo a taxa de alongamento de seu hipocótilo será reduzida em mais de 50 A luz amarela de fundo estabelece uma razão PrPfr bem definida A adição de luz azul em taxas de fluência baixas não altera significativamente essa razão eliminan do um efeito do fitocromo na redução da taxa de alonga mento observada após a adição da luz azul Esses resul tados indicam que a taxa de alongamento do hipocótilo é controlada por uma resposta específica à luz azul que independe da resposta mediada pelo fitocromo É possível também distinguir uma resposta específica do hipocótilo mediada pela luz azul daquela mediada pelo fitocromo em função de seus tempos de ação contrastantes Enquanto as alterações mediadas pelo fitocromo nas taxas de alongamento podem ser detectadas dentro de cerca de 10 a 90 minutos dependendo da espécie as respostas à luz azul mostram períodos de atraso inferiores a 1 minuto Análises de alta resolução das mudanças na taxa de crescimento que medeiam a inibição do alongamento do hipocótilo pela luz azul forneceram informações valiosas sobre as interações entre fototropinas cry1 cry2 e phyA Depois de um atraso de 30 segundos plântulas do tipo selvagem de Arabidopsis tratadas com luz azul apresentam uma diminuição rápida na taxa de alongamento durante os primeiros 30 minutos e depois crescem lentamente durante vários dias Outra resposta rápida estimulada pela luz azul é a despolarização da membrana das células do hipocótilo que precede a inibição da taxa de crescimento ver Figura 1615B Essa despolarização da membrana é causada pela ativação de canais aniônicos ver Capítulo 6 o que facilita o efluxo de ânions como cloreto por exemplo A aplicação de um bloqueador de canal iônico NPPB 5nitro24 fenilbutilaminobenzoato impede a despolarização da membrana dependente da luz azul e reduz o efeito inibi dor dessa luz no alongamento do hipocótilo A análise da mesma resposta em mutantes phot1 cry1 cry2 e phyA mostrou que a supressão do alongamento do caule pela luz azul durante o desestiolamento de plântulas SPA1 COP1 SPA1 COP1 CCT cry1 inativo CCT cry1 ativo Degradação do proteassomo 26S Transcrição fotomorfogênese HY5 HY5 Transcrição fotomorfogênese Mutante superexpressando CCT escuro ou luz HY5 Núcleo Citosol Azul P CCT P SPA1 COP1 1 3 2 Figura 1618 Modelo de interações do cry1 com COP1SPA1 na regulação da fo tomorfogênese 1 No escuro COP1SPA1 atua para degradar os fatores de transcrição tais como HY5 que é necessário para a fo tomorfogênese 2 Na luz o cry1 é ativado diretamente pela luz azul e indiretamente por fosforilação induzida pela luz azul O cry1 ativado forma um complexo com COP1 e SPA1 pelo domínio Cterminal impedindo os de degradar proteínasalvo como a HY5 3 Na ausência do fotossensor Nterminus como no mutante de truncagem diagrama do na parte inferior a CCT pode adotar uma conformação ativa que sequestra o COP1 SPA1 na ausência da luz promovendo desse modo um aumento dos níveis da proteína HY5 e da transcrição de genes morfogêni cos chave Taiz16indd 466 Taiz16indd 466 27102016 153121 27102016 153121 Capítulo 16 Sinais da Luz Solar 467 é iniciada por phot1 com cry1 e em uma extensão limitada cry2 modulando a resposta após 30 minutos Figura 1619 O crescimento lento dos caules em plântulas tratadas com luz azul é principalmente um resultado da ação persisten te de cry1 razão pela qual os mutantes cry1 de Arabidopsis apresentam um hipocótilo longo em comparação ao hipo cótilo curto do tipo selvagem O phyA parece ter um pa pel ao menos nos estágios iniciais do crescimento regulado pela luz azul porque a inibição do crescimento não progri de normalmente em mutantes phyA O fitocromo interage com o criptocromo para regular o florescimento Em Arabidopsis a luz azul ou vermelhodistante contínua promove o florescimento e a luz vermelha o inibe A luz vermelhodistante atua por meio do phyA e o efeito anta gônico da luz vermelha dáse pela ação do phyB Poderia ser esperado que o mutante cry2 tivesse o florescimento atrasado pois a luz azul promove o florescimento Entre tanto os mutantes cry2 florescem ao mesmo tempo que o tipo selvagem mantido sob luz azul contínua ou sob luz vermelha contínua Um atraso só é observado se tanto a luz azul quanto a luz vermelha são aplicadas em conjunto Portanto o cry2 provavelmente promove o florescimento na luz azul pela repressão do funcionamento do phyB O cry2 aparentemente inibe o funcionamento do phyB pela supressão da atividade de EARLY FLOWERING 3 ELF3 que interage com o fitocromo o que indica que essas vias de sinalização convergem O relógio circadiano é regulado por múltiplos aspectos da luz Como visto anteriormente neste capítulo certo número de processos de plantas mostra oscilações de atividade que correspondem aproximadamente a um ciclo de 24 horas ou circadiano Esse ritmo endógeno usa um oscilador que deve ser sincronizado entrained para os ciclos diários de claroescuro do ambiente externo Em experimentos deli neados para caracterizar a função de fotorreceptores nesse processo os mutantes deficientes em fitocromo foram cru zados com linhas que transportam o gene repórter da lu ciferase que é regulado pelo relógio circadiano O ritmo do oscilador foi retardado ie o comprimento do período au mentou quando mutantes phyA foram cultivados sob luz vermelha de fraca intensidade mas não sob luz vermelha de alta irradiância No entanto mutantes phyB mostraram defeitos de sincronismo somente sob luz vermelha de alta irradiância Os criptocromos cry1 e cry2 foram necessários para a sincronização do relógio circadiano mediado pela luz azul Esses estudos indicaram que fitocromos e crip tocromos sincronizam o relógio circadiano em Arabidop sis Essa entrada de luz parece ser modulada pelos genes ELF3 e TIME FOR COFFEE TIC As mutações no ELF3 cessam as oscilações do relógio ao entardecer enquanto as mutações no TIC param o relógio ao amanhecer O duplo mutante elf3tic é completamente arrítmico sugerindo que TIC e ELF interagem com diferentes componentes do reló gio em diferentes fases no ritmo Fototropinas As primeiras tentativas de identificar fotorreceptores mutantes para luz azul em Arabidopsis com respostas fo totrópicas defeituosas foram posteriormente estendidas por Winslow Briggs e colaboradores e resultaram no iso lamento de vários mutantes de hipocótilo não fototrópico nph nonphototropic hypocotyl que mostraram respostas fototrópicas defeituosas em luz azul de intensidade baixa A clonagem subsequente do locus NPH1 resultou na iden tificação do fotorreceptor para fototropismo A proteína codificada foi denominada fototropina por seu papel na mediação de respostas fototrópicas mas esses receptores também controlam várias respostas à luz azul que funcio nam coletivamente para otimizar a eficiência fotossintéti ca e promover o crescimento das plantas em especial em condições de baixa luminosidade As angiospermas contêm dois genes de fototropina PHOT1 e PHOT2 O phot1 é o receptor fototrópico primá rio em Arabidopsis e medeia o fototropismo em resposta a taxas de fluência baixas e altas de luz azul O phot2 medeia o fototropismo em resposta a intensidades altas de luz So breposições semelhantes nas funções dos fotorreceptores phot1 e phot2 são observadas para outras respostas à luz azul em Arabidopsis incluindo movimentos dos cloroplas tos abertura estomática movimentos foliares e expansão foliar Junto com o fototropismo esses processos integram 1 0 2 3 4 5 02 04 06 08 10 Tempo h phot1 cry1cry2phyA via canais aniônicos Taxa de crescimento relativo Luz azul ligada Figura 1619 Processo de transdução sensorial da inibição do alongamento do caule estimulada pela luz azul em Arabidopsis As taxas de alongamento no escuro 025 mm h1 foram normalizadas para 1 Após 30 segundos do início da irradiação com luz azul as taxas de crescimento foram reduzidas aproximandose de zero em 30 minutos continuando a crescer de forma muito lenta por vários dias Se a luz azul fosse aplicada a um mutante phot1 a taxa de crescimento no escuro permaneceria inalterada pelos primeiros 30 minutos indicando que a inibição do alongamento nos primeiros 30 minutos está sob controle da fototropina Experimentos simila res com mutantes cry1 cry2 e phyA indicaram que os respectivos produtos gênicos controlam as taxas de alongamento em estágios tardios De Parks et al 2001 Taiz16indd 467 Taiz16indd 467 27102016 153121 27102016 153121 468 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento a captura eficiente de luz e a captação de CO2 para a fo tossíntese Como consequência o crescimento de mutantes deficientes de fototropina está severamente comprometido em particular sob intensidades fracas de luz A luz azul induz mudanças nos máximos de absorção do FMN associadas a mudanças de conformação Em comparação com os criptocromos que estão pre dominantemente localizados no núcleo os receptores fototropina estão associados à membrana plasmática onde funcionam como serinatreonina quinases ati vadas por luz A Figura 1620A ilustra a estrutura do domínio da fototropina 1 de Arabidopsis junto com três fotorreceptores de luz azul relacionados encontrados em plantas ou algas neocromo ZEITLUPE e aureocro mo A fototropina contém dois domínios fotossensíveis LUZOXIGÊNIOVOLTAGEM LOV LIGHTOXYGEN VOLTAGE LOV1 e LOV2 cada um ligando um cro móforo mononucleotídeo de flavina FMN flavin mo nonucleotide Estudos espectroscópicos mostraram que no escuro uma molécula de FMN está ligada não co valentemente a cada domínio LOV Após a iluminação com luz azul a molécula de FMN tornase covalente mente ligada a um resíduo de cisteína na molécula de fototropina formando um adutor covalente de cisteína flavina Figura 1620B Como discutido a seguir essa reação induz uma importante mudança conformacional da proteína que pode ser revertida por um tratamen to de escuro A estrutura tridimensional do domínio LOV LOV SerThrK LOV bZ LOV PAS GAF PHY LOV SerThrK LOV F Kelch O O SH Cys LOV447 N R N NH N O O SH Cys LOV660 N R N NH N O O S Cys LOV390 N R N H NH N Luz azul Reversão no escuro B A Arabidopsis thaliana fototropina 1 Adiantum capillusveneris neocromo 1 Arabidopsis thaliana ZEITLUPE Vaucheria frigida aureocromo 1 200 aa C Luz azul Escuro Luz Figura 1620 Composição do domínio da fototropina fotociclo e estrutura do domínio LOV A Composições do domí nio da fototropina e dos fotorreceptores relacionados ao domínio LOV B Fotociclo FMN da fototropina No escuro o máximo de absorção do cromóforo FMN é apro ximadamente 450 nm A luz azul induz a formação de uma ligação covalente entre o FMN e um resíduo de cisteína deslocan do o máximo de absorção para 390 nm por meio de uma forma intermediária do LOV660 A reação é reversível no escuro C Estrutura cristalina do domínio LOV2 de aveia phot1 no escuro a fototropina in tacta ainda não foi cristalizada A proteína está em amarelo e o cofator FMN está em azul A Jαhélice está do lado esquerdo do núcleo LOV2 Os dois diagramas abaixo mostram apenas a flavina e a formação do adutor de cisteína após a irradiação com luz azul De Christie 2007 Taiz16indd 468 Taiz16indd 468 27102016 153121 27102016 153121 Capítulo 16 Sinais da Luz Solar 469 LOV2 se assemelha a uma mão molecular fechada que prende o FMN firmemente por interações não covalentes dentro de seu núcleo Figura 1620C A mesma figura mostra também a formação da li gação covalente entre o cofator flavina e um resí duo de cisteína em resposta à luz azul O domínio LOV2 é principalmente responsável pela ativação da quinase em resposta à luz azul Como demonstrado em experimentos de mutagê nese o domínio LOV2 em particular é essencial para a ativação da quinase induzida por luz azul e a autofosforilação do fotorreceptor fototropina A mutação da cisteína conservada no domínio LOV1 do phot1 não afeta a capacidade da resposta foto trópica Figura 1621A e B enquanto a mutação equivalente em LOV2 suprime a resposta Figura 1621C Esses e outros estudos demonstraram a importância do LOV2 no controle da função da fototropina Isso é devido em parte à posição do LOV2 dentro da molécula de fototropina onde é acoplado a uma região da proteína conhecida como Jαhélice que é importante para a propagação das alterações induzidas pela luz dentro do LOV2 para o domínio de quinase A função do LOV1 ainda não é totalmente compreendida mas acreditase que o domínio desempenhe um papel na dimeri zação do receptor A luz azul induz uma mudança conformacional que liberta o domínio de quinase da fototropina e leva à autofosforilação Embora uma estrutura tridimensional de toda a molé cula de fototropina ainda esteja faltando muitos estu dos genéticos bioquímicos e biofísicos têm proporcio nado uma boa compreensão de como o interruptor de luz de fototropina funciona Tal como acontece com o criptocromo e o fitocromo a região Nterminal fotos sensora das fototropinas controla a atividade da meta de Cterminal da proteína que contém um domínio de serinatreonina quinase ver Figura 1621A No escuro a região Nterminal incluindo os domínios LOV en jaula e inibe a atividade do domínio de quinase Figura 1622 A absorção de fótons azuis pelos domínios LOV resulta em alterações fotoquímicas primárias que le vam à liberação do domínio de quinase e a sua ativação pelo desdobramento da Jαhélice A ativação do domí nio de quinase Cterminal em seguida leva à autofos forilação do receptor em múltiplos resíduos de serina A autofosforilação do domínio de quinase é necessária para todas as respostas mediadas pela fototropina em Arabidopsis Uma fosfatase proteica tipo 2A medeia a desfosforilação e a inativação da fototropina no escuro ver Figura 1622 O fototropismo requer alterações na mobilização das auxinas A ativação das fototropina quinases desencadeia eventos de transdução de sinal que estabelecem uma diversidade de respostas diferentes Uma dessas respostas é o fototro pismo que ocorre tanto em plantas maduras quanto em plântulas Como mencionado no Capítulo 15 observações desse fenômeno por Charles e Francis Darwin iniciaram uma série de experimentos que culminaram na descober ta do hormônio auxina As interações das fototropinas e das auxinas no controle do fototropismo estão descritas no Capítulo 18 no estabelecimento de plântulas As fototropinas regulam os movimentos dos cloroplastos via montagem de filamentos de actina F As folhas podem alterar a distribuição intracelular de seus cloroplastos em resposta às mudanças nas condições de luz Como discutido no Capítulo 9 essa característica é adaptativa pois a redistribuição dos cloroplastos nas célu las modula a absorção de luz e impede o dano por excesso de luz ver Figura 912 Sob iluminação fraca os cloroplas tos reúnemse perto das paredes superiores e inferiores LOV1 A LOV2 Jαhélice Domínio de quinase LOV1X B LOV2 LOV1 C LOV2X FMN FMN Figura 1621 O fototropismo em plântulas de Arabidopsis pode ser usado como o bioensaio para a atividade da fototropina A Tipo selva gem com os domínios LOV2 e LOV1 B Mutação da cisteína no domínio LOV1 do phot1 não afeta a capacidade de resposta fototrópica as plân tulas curvamse em direção à luz azul C A mutação equivalente no domínio LOV2 suprime a resposta demonstrando que apenas o domínio LOV2 é necessário para o fototropismo Cortesia de John Christie Taiz16indd 469 Taiz16indd 469 27102016 153121 27102016 153121 470 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento das células do parênquima paliçádico das folhas acu mulação maximizando assim a absorção de luz Figura 1623 Sob iluminação forte os cloroplastos movemse para as paredes laterais que são paralelas à luz inciden te evitamento minimizando assim a absorção de luz e evitando o fotodano No escuro os cloroplastos movemse para a parte inferior da célula embora a função fisiológica dessa posição não seja clara O espectro de ação para a resposta de redistribuição mostra a estrutura fina de três dedos característica típica de respostas específicas à luz azul ver Figura 167 Mutantes phot1 de Arabidopsis têm uma resposta nor mal de evitamento e uma resposta pobre de acumulação Os mutantes phot2 ao contrário não possuem a resposta de evitamento mas retêm uma resposta bastante normal de acumulação As células do mutante duplo phot1phot2 não apresentam as respostas de evitamento e de acumu lação Esses resultados indicam que o phot2 desempenha um papelchave na resposta de evitação e que ambos phot1 e phot2 contribuem para a resposta de acumulação Estudos têm demonstrado que os mutantes phot2 na ver dade não sobrevivem no campo em condições de pleno sol devido a danos fotooxidativos O isolamento de mutantes de Arabidopsis deficien tes na resposta de evitamento dos cloroplastos levou à identificação de uma nova proteína de ligação actina F CHLOROPLAST UNUSUAL POSITIONING1 CHUP1 coerente com trabalhos anteriores que mostram que os movimentos de cloroplastos ocorrem por meio de mudan ças no citoesqueleto CHUP1 localizase no envoltório do cloroplasto e atua no posicionamento e no movimento do dele Um modelo de movimento dos cloroplastos em Ara bidopsis é mostrado na Figura 1624 Ambos phot1 e phot2 medeiam a resposta de acumulação e estão localizados na membrana plasmática O phot2 que medeia a resposta de evitamento também está localizado no envoltório do cloroplasto Na presença de luz solar total CHUP1 que parece ancorar na membrana plasmática por meio de inte rações entre proteínas ligase ao envoltório do cloroplasto Essa proteína recruta actina G e proteínas de polimeriza ção de actina para estender um filamento de actina F exis tente ver Figura 125 A CHUP1 e o cloroplasto são então empurrados pela actina G inserida gerando a força motriz para o movimento dos cloroplastos Domínio de quinase Substrato Respostas da fototropina LOV1 LOV2 FMN FMN PP2A Jαhélice P P P P P P P P P Domínio de quinase LOV1 LOV2 FMN Luz azul Autofosforilação Desfosforilação Escuro FMN Jαhélice Luz baixa Vacúolo A Resposta de acumulação Luz alta B Resposta de evitamento Escuro C Posição de escuro Figura 1622 Modelo para autofosforilação da fototropina in duzida pela luz azul A fototropina tem dois domínios LOV amarelo e um domínio de quinase vermelho separados por uma região αhélice Jα Na ausência de luz a região Nterminal incluindo os domínios LOV enjaula e reprime a atividade do domínio de qui nase 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 Embora não mostrado no diagrama a Jαhélice perde completamente sua estrutura helicoidal A fotoexci tação dos domínios LOV resulta na ativação do domínio de quinase Cterminal que leva à autofosforilação do receptor em múltiplos re síduos de serina A autofosforilação dentro do domínio de quinase é essencial para iniciar todas as respostas mediadas pela fototropina em Arabidopsis A desfosforilação resultando na inativação ocorre no escuro De Inoue et al 2010 Figura 1623 Diagrama esquemático de padrões de distribuição dos cloroplastos em células do parênquima paliçádico de Arabidop sis em resposta a diferentes intensidades de luz A Em condições de pouca luz os cloroplastos otimizam a absorção de luz acumu landose nos lados superior e inferior de células do parênquima pa liçádico B Em condições de luz alta os cloroplastos evitam a luz solar migrando para as paredes laterais de células do parênquima paliçádico C Os cloroplastos movemse para a parte inferior da célula no escuro De Wada 2013 Taiz16indd 470 Taiz16indd 470 27102016 153121 27102016 153121 Capítulo 16 Sinais da Luz Solar 471 A abertura estomática é regulada pela luz azul que ativa a HATPase da membrana plasmática A fotofisiologia estomática e a transdução sensorial em re lação à água e à fotossíntese foram discutidas nos Capítu los 4 e 9 sendo discutidas novamente no Capítulo 18 Ao contrário de todas as outras respostas à luz azul a abertu ra estomática é estimulada pela luz azul e inibida pela luz verde Com base em estudos com mutantes duplos phot1 phot2 o fotorreceptor primário de luz azul para a abertura dos estômatos foi definitivamente identificado como a fo totropina A identidade do fotorreceptor de luz verde das célulasguarda ainda não está resolvida O criptocromo em geral é considerado o candidato mais provável mas há evidências que implicam também o carotenoide zeaxanti na ver Capítulo 10 Um grande número de pesquisas tem sido feito so bre o mecanismo de abertura estomática induzida pela luz azul Como consequência a abertura estomática mediada pela fototropina é sem dúvida a rota de sinalização mais bem compreendida de todas as respostas da fototropina Várias etapaschave no processo de transdução sensorial da abertura estomática estimulada pela fototropina foram identificadas Em particular a HATPase de bombea mento de prótons das célulasguarda desempenha um pa pel central na regulação dos movimentos estomáticos Fi gura 1625 ver também Figuras 106 e 107 A HATPase ativada transporta H através da membrana e aumenta o potencial elétrico negativo no interior impulsionando a absorção do K através dos canais retificadores de entra da de K controlados por voltagem A acumulação de K facilita o influxo de água para as célulasguarda levando a um aumento na pressão de turgor e abertura estomática O Cterminus da HATPase tem um domínio autoini bidor que regula a atividade da enzima Se esse domínio for removido experimentalmente por uma protease a H ATPase tornase irreversivelmente ativada Acreditase que o domínio autoinibidor do Cterminus reduza a ativi dade da enzima mediante bloqueio de seu sítio catalítico Por outro lado a toxina fúngica fusicoccina parece ativar a enzima pelo deslocamento do domínio autoinibidor para longe do sítio catalítico Sob irradiação com luz azul a HATPase mostra um Km mais baixo para ATP e uma Vmáx mais alta indican do que a luz azul ativa a HATPase A ativação da en zima envolve a fosforilação de resíduos de serina e treo nina do domínio Cterminal da HATPase Inibidores de quinases proteicas que podem bloquear a fosforilação da HATPase evitam o bombeamento de prótons estimu lado pela luz azul e a abertura estomática Assim como com a fusicoccina a fosforilação do domínio Cterminal também parece deslocar o domínio autoinibidor do Cter minus do sítio catalítico da enzima Foi encontrada uma proteína reguladora chamada de proteína 1433 que se liga ao Cterminus fosforilado da HATPase das célulasguarda mas não àquele não fosfo rilado ver Figura 1625 As proteínas 1433 são proteínas reguladoras onipresentes em organismos eucarióticos Nas plantas elas regulam a transcrição ligandose a ati vadores no núcleo e regulam enzimas metabólicas como a nitrato redutase Somente uma de quatro isoformas da 14 33 encontrada nas célulasguarda ligase à HATPase Envoltório interno Envoltório externo Cloroplasto Membrana plasmática Profilina Direção de movimento dos cloroplastos Profilinaactina phot1 CHUP1 Extremidade Extremidade phot2 Actina G phot2 Actina F Figura 1624 Modelo para o movimento dos cloroplastos media do pela fototropina em Arabidopsis thaliana Ambos phot1 e phot2 medeiam a resposta de acumulação e estão localizados na membrana plasmática O phot2 também está localizado no envoltório do cloro plasto e provavelmente medeia a resposta de evitamento O CHUP1 ligase ao envoltório do cloroplasto por seu Nterminus e pode tam bém ser fixado à membrana plasmática Ele inicia a polimerização da actina estendendo um filamento existente de actina F Como resul tado o filamento de actina alongase e o CHUP1 e o cloroplasto são empurrados para a frente Os filamentos de actina são despolimeri zados em suas extremidades A seta verde mostra a direção do movimento do cloroplasto Ver Capítulo 1 De Wada 2013 Taiz16indd 471 Taiz16indd 471 27102016 153122 27102016 153122 472 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento de modo que a ligação parece ser específica A mesma iso forma da 1433 ligase à HATPase das célulasguarda em resposta tanto à fusicoccina como a tratamentos de luz azul A proteína 1433 dissociase da HATPase após a desfosforilação do domínio Cterminal Os principais eventos da transdução de sinal da abertura estomática mediada pela fototropina foram identificados As fototropinas não fosforilam a HATPase diretamen te A quinase envolvida na fosforilação da HATPase ainda não foi identificada No entanto eventos precoces de transdução de sinal após a excitação da fototropina na membrana plasmática de célulasguarda foram identifica dos e estão ilustrados na Figura 1626 A proteína quinase associada à membrana específica da célulaguarda cha mada BLUE LIGHT SIGNALING1 BLUS1 é fosforilada por phot1 e phot2 de maneira redundante Mutantes de Arabidopsis deficientes em BLUS1 não apresentam aber tura estomática induzida pela luz azul mas não são pre judicados em outras respostas da fototropina incluindo o fototropismo e a realocação dos cloroplastos Esse evento de fosforilação é essencial para iniciar os eventos de trans dução iniciais que por fim conduzem à fosforilação e à ativação da HATPase Os sinais de BLUS1 convergem na PROTEÍNA FOSFA TASE1 PP1 PROTEIN PHOSPHATASE1 um interme diário de sinalização que conduz à ativação da HATPase A PP1 é uma fosfatase proteica de serinatreonina com posta por uma subunidade catalítica PP1c e uma su bunidade reguladora PRSL1 PP1 PROTEÍNA 1 REGU LADORA TIPO SUBUNIDADE 2 PP1 REGULATORY SUBUNIT2LIKE PROTEIN1 que modula a atividade ATP Citoplasma Proteína 1433 Cterminus Membrana plasmática Exterior da célula Ativa Inativa H H H H H P Pi ADP HATPase Proteína serina treonina quinase ATP ADP Figura 1625 O papel da ATPase bombeadora de prótons na regulação do movimento estomático A luz azul ativa a HATPase A ativação da enzima envolve a fosforilação de resíduos de seri na e treonina de seu domínio Cterminal Uma proteína regulado ra chamada proteína 1433 ligase ao Cterminus fosforilado da HATPase da célulaguarda mas não ao Cterminus não fosfori lado O bombeamento de prótons para fora das células requer a entrada de K para o equilíbrio de cargas 1 2 3 4 5 6 7 PK H H2O H2O H K Canal K in Hiperpolarização K P P P 1433 Luz azul phot BLUS1 PP1c PRSL1 Canal aniônico tipo S ClNO3 ABA Abertura estomática Ácido fosfatídico HATPase 1 Fototropinas absorvem luz azul e autofosforilam 2 Fototropinas ativadas fosforilam o BLUS1 3 A sinalização pelo BLUS1 regula a subunidade PRSL1 do PP1c uma proteína fosfatase 4 A PP1c regula a atividade de uma proteína quinase PK desconhecida 5 A proteína quinase desconhecida promove a ligação de uma proteína 1433 à HATPase da membrana plasmática estabilizando a bomba de prótons no estado ativo 6 A hiperpolarização de membrana aciona a captura de K 7 O decréscimo resultante no potencial hídrico induz a captura de água e a abertura estomática Célulaguarda Figura 1626 Transdução de sinal pela fototropina levando à abertura estomática O ABA antagoniza a fototropina por ácido fosfatídico que interage com PP1c na rota da fototropina Cortesia de KenIchiro Shimazaki Taiz16indd 472 Taiz16indd 472 27102016 153122 27102016 153122 Capítulo 16 Sinais da Luz Solar 473 catalítica a localização subcelular e a especificidade do substrato A PP1c regula positivamente a abertura esto mática por meio de sinalização de luz azul entre as fo totropinas e a HATPase da membrana plasmática nas célulasguarda Como será discutido em detalhes no Capítulo 23 em relação ao estresse hídrico o ácido abscísico ABA pro voca o fechamento dos estômatos na luz O ABA induz a produção de ácido fosfatídico uma molécula de sinaliza ção lipídica ver Capítulo 15 Como mostrado na Figura 1626 o ácido fosfatídico bloqueia a atividade da PP1 um dos passos na rota da fototropina O ABA também ativa os canais de ânions do tipo S ver Capítulo 6 que são inibi dos pela luz azul Respostas à radiação ultravioleta Além de seus efeitos citotóxicos a radiação UVB pode desencadear uma ampla gama de respostas fotomor fogênicas algumas das quais estão listadas na Tabela 163 O fotorreceptor responsável pelas respostas de desenvolvimento induzidas por UVB UVR8 é uma proteína em βhélice com sete lâminas que forma ho modímeros funcionalmente inativos na ausência de ra diação UVB Figura 1627 Ao contrário do fitocromo do criptocromo e da fototropina o UVR8 carece de um cromóforo prostético As duas subunidades idênticas do UVR8 estão ligadas no dímero por uma rede de pontes salinas formadas entre os resíduos de triptofano que servem como os sensores primários de UVB e resíduos de arginina próximos Ao absorverem fótons de UVB os resíduos de tripto fano sofrem alterações estruturais que quebram as pontes salinas o que leva à dissociação dos dois monômeros fun cionalmente ativos Os monômeros em seguida intera gem com os complexos COP1SPA para ativar a expressão gênica como ilustrado na Figura 1628 Assim embora atue como regulador negativo que tem como alvo os fato res de transcrição para a degradação durante as respostas do fitocromo e do criptocromo ver Figuras 1614 e 1616 o COP1SPA funciona como um regulador positivo durante a sinalização de UVB interagindo com a região Ctermi nal do UVR8 no núcleo O complexo UVR8COP1SPA em seguida ativa a transcrição do importante fator de transcrição HY5 que controla a expressão de muitos dos genes induzidos pela UVB A Estrutura em βhélice com sete lâminas do monômero UVR8 B Estrutura do dímero UVR8 mostrando os resíduos na superfície de interação do dímero Figura 1627 Estrutura do UVR8 e dimerização A Uma vista terminal mostrando as sete lâminas da βhélice B Uma vista lateral do dímero UVR8 mostrando os resíduos de aminoácidos na superfície de interação De Jenkins 2014 TABELA 163 Respostas fotomorfogênicas à UVB Regulação gênica Tolerância à UVB Biossíntese de flavonoides Supressão do crescimento do hipocótilo Expansão de folhascélulas epidérmicas Endorreduplicação em células epidérmicas Densidade estomática Sincronização do relógio circadiano Aumento da eficiência fotossintética Fonte Jenkins 2014 Taiz16indd 473 Taiz16indd 473 27102016 153122 27102016 153122 474 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento C C C C RUP COP1 SPA1 COP1 SPA1 COP1 SPA1 COP1 SPA1 RUP RUP RUP RUP 1 O UVR8 dimérico absorve UVB e forma monômeros 2 O complexo COP1SPA1234 ligase ao Cterminus do UVR8 monomérico 3 A ligação ao COP1SPA1 altera a conformação do UVR8 ativando o complexo 4 O complexo ativo regula a transcrição de genes envolvidos na resposta à UVB 5 Genes que codificam proteínas RUP são induzidos 6 As proteínas RUP facilitam a dimerização dos monômeros UVR8 inativandoos 7 O dímero regenerado está pronto para fotorrecepção UVR8 UVR8 UVB Ativação Expressão gênica Respostas à UVB Figura 1628 A rota de sinalização do UVR8 envolve o COP1 e o SPA1 RESUMO Fotorreceptores incluindo fitocromos criptocromos e fototropi nas ajudam as plantas a regular os processos de desenvolvimento durante suas vidas sensibilizandoas à luz incidente Eles também iniciam processos de proteção em resposta à radiação nociva Fotorreceptores vegetais A luz solar regula os processos de desenvolvimento ao longo da vida da planta e fornece pistas direcionais e não direcionais para crescimento e movimento Ela também contém radiação UV que pode prejudicar tecidos vegetais Figuras 161164 Os fitocromos que absorvem as luzes vermelha e vermelho distante e as fototropinas e os criptocromos que absorvem a luz azul e a UVA são fotorreceptores sensíveis à quantidade à qualidade e à duração da luz Os espectros de ação e os espectros de absorção ajudam os pesquisadores a determinar quais comprimentos de onda da luz induzem fotorrespostas específicas Figuras 165167 A fluência de luz e a irradiância também determinam se uma fotorresposta vai ocorrer Fitocromos O fitocromo em geral é sensível às luzes vermelha e vermelho distante e exibe a capacidade de se interconverter entre as formas Pr e Pfr A forma fisiologicamente ativa do fitocromo é Pfr A luz vermelha desencadeia mudanças conformacionais tanto no cromóforo do fitocromo como na proteína Figuras 168 1610 Taiz16indd 474 Taiz16indd 474 27102016 153122 27102016 153122 Capítulo 16 Sinais da Luz Solar 475 O movimento do Pfr do citosol para o núcleo permite a transcri ção regulada pelo fitocromo no núcleo Figura 1611 Respostas do fitocromo As fotorrespostas exibem vários períodos de atraso lag times entre a exposição à luz e a resposta subsequente e períodos de escape escape times em que a resposta só é reversível por determinado tempo As respostas iniciadas pelo fitocromo enquadramse em uma de três categorias principais respostas à fluência muito baixa VLFRs respostas à baixa fluência LFRs ou respostas à alta irradiância HIRs Figura 1612 O fitocromo A medeia as respostas à luz vermelhodistante contínua O fitocromo B medeia as respostas à luz vermelha ou branca contínua Rotas de sinalização do fitocromo Os fitocromos podem mudar rapidamente potenciais de mem brana e fluxos de íons O fitocromo regula a expressão gênica por uma vasta gama de elementos modulares O fitocromo em si pode ser fosforilado e desfosforilado A fotomorfogênese induzida pelo fitocromo envolve a degrada ção de proteínas Figura 1613 Respostas à luz azul e fotorreceptores Em comparação com as respostas às luzes vermelha e verme lhodistante as respostas à luz azul geralmente apresentam períodos de atraso mais longos e mais persistência após o desa parecimento do sinal de luz Figuras 1614 1615 Criptocromos A ativação do cromóforo flavina adenina dinucleotídeo FAD provoca uma mudança conformacional no criptocromo permi tindo que ele se ligue a outros parceiros proteicos Homólogos do criptocromo 1 2 e 3 têm diferentes efeitos no desenvolvimento e estão localizados diferentemente dos fito cromos Figura 1616 Considerando que o fitocromo promove a degradação de pro teínas via COP1 os criptocromos nucleares inibem a degrada ção de proteínas induzida pelo COP1 levando à fotomorfogê nese comparar Figuras 1613 e 1617 A ação conjunta do criptocromo do fitocromo e das fototropinas Tanto o fitocromo como o criptocromo inibem o alongamento do caule Figura 1618 O fitocromo interage com o criptocromo para regular o flores cimento e ambos os tipos de fotorreceptores são necessários para manter os ciclos circadianos Fototropinas Da mesma maneira que os criptocromos as fototropinas me deiam as respostas à luz azul as fototropinas 1 e 2 são sensíveis a intensidades de luz azul diferentes e sobrepostas As fototropinas estão localizadas na membrana plasmática e cada uma tem dois cromóforos mononucleotídeo de flavina FMN que podem induzir mudanças conformacionais Figuras 1619 1620 Quando as fototropinas são ativadas por luz azul seu domínio de quinase é libertado uncaged causando autofosforilação Figura 1621 As fototropinas medeiam a acumulação de cloroplastos e as respostas de evitamento à luz fraca e forte via montagem de filamentos de actina F Figuras 1622 1623 A luz azul detectada pelas fototropinas provoca a ativação das HATPases da membrana plasmática e por fim regula a aber tura estomática No entanto a quinase que ativa as HATPases ainda não foi identificada Figuras 1624 1625 Respostas à radiação ultravioleta O fotorreceptor envolvido nas respostas à radiação UVB é o UVR8 Ao contrário de outros fitocromos criptocromos e fototropinas o UVR8 carece de um cromóforo prostético O UVR8 interage com o complexo de COP1SPA para ativar a transcrição de genes induzidos pela UVB Taiz16indd 475 Taiz16indd 475 27102016 153122 27102016 153122 476 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento MATERIAL DA INTERNET Tópico 161 Mougeotia um cloroplasto diferente Experi mentos com irradiação por microfeixes foram utilizados para localizar o fitocromo nessa alga verde filamentosa Tópico 162 O fitocromo e as respostas à irradiância alta Experimentos com dois comprimentos de onda ajudaram a demonstrar o papel do fitocromo em HIRs Tópico 163 na internet Efeitos do fitocromo sobre fluxos iônicos O fitocromo regula os fluxos iônicos através das mem branas mediante alteração da atividade dos canais iônicos e da bomba de prótons da membrana plasmática Ensaio 161 Acordado por um flash de luz solar Quando colocadas em um ambiente de solo apropriado as sementes adquirem uma extraordinária sensibilidade à luz de forma que a germinação pode ser estimulada por uma exposição à luz solar inferior a 1 segundo durante os processos de cultivo do solo Leituras sugeridas Burgie E S Bussell A N Walker J M Dubiel K and Vierstra R D 2014 Crystal structure of the photosensing module from a redfarred lightabsorbing plant phytochrome Proc Natl Acad Sci USA 111 1017910184 Christie J M and Murphy A S 2013 Shoot phototropism in higher plants New light through old concepts Am J Bot 100 3546 Christie J M Kaiserli E and Sullivan S 2011 Light sensing at the plasma membrane In Plant Cell Monographs Vol 19 The Plant Plasma Membrane A S Murphy W Peer and B Schulz eds SpringerVerlag Berlin Heidelberg pp 423 443 Inoue SI Takemiya A and Shimazaki KI 2010 Phototropin signaling and stomatal opening as a model case Curr Opin Plant Biol 13 587593 Leivar P and Monte E 2014 PIFs Systems integrators in plant development Plant Cell 26 5678 Liscum E Askinosie S K Leuchtman D L Morrow J Willenburg K T and Coats D R 2014 Phototropism Growing towards an understanding of plant movement Plant Cell 26 3855 Rizzini L Favory JJ Cloix C Faggionato D OHara A Kaiserli E Baumeister R Schäfer E Nagy F Jenkins G I et al 2011 Perception of UVB by the Arabidopsis UVR8 protein Science 332 103106 Rockwell R C Duanmu D Martin S S Bachy C Price D C Bhattachary D Worden A Z and Lagariasa J K 2014 Eukaryotic algal phytochromes span the visible spectrum Proc Natl Acad Sci USA 111 38713876 Swartz T E Corchnoy S B Christie J M Lewis J W Szundi I Briggs W R and Bogomolni R A 2001 The photocycle of a flavinbinding domain of the blue light photoreceptor phototropin J Biol Chem 276 3649336500 Takala H Bjorling A Berntsson O Lehtivuori1 H Niebling S Hoernke M Kosheleva I Henning R Menzel A Janne A et al 2014 Signal amplification and transduction in phytochrome photosensors Nature 509 245249 Takemiya A Sugiyama N Fujimoto H Tsutsumi T Yamauchi S Hiyama A Tadao Y Christie J M and Shimazaki KI 2013 Phosphorylation of BLUS1 kinase by phototropins is a primary step in stomatal opening Nat Commun 4 2094 DOI 101038ncomms3094 Takemiya A Yamauchi S Yano T Ariyoshi C and Shimazaki KI 2013 Identification of a regulatory subunit of protein phosphatase 1 which mediates blue light signaling for stomatal opening Plant Cell Physiol 54 2435 Wada M 2013 Chloroplast movement Plant Sci 210 177182 Taiz16indd 476 Taiz16indd 476 27102016 153122 27102016 153122 17 A s plantas mostram um intrigante contraste no desenvolvimento em relação aos animais não somente com respeito às suas diver sas formas mas também em como essas formas surgem Uma sequoia por exemplo pode crescer por milhares de anos antes de alcançar um tamanho suficientemente grande para um automóvel passar através de seu tronco Por outro lado um indivíduo de Arabidopsis pode completar seu ciclo de vida em pouco mais de um mês dificilmente produzindo mais do que um punhado de folhas Figura 171 Mesmo sendo diferentes as duas espécies utilizam mecanismos de crescimento comuns a todas as plantas multicelulares nas quais a forma é elaborada gradualmente por meio de processos adaptativos de crescimento pósembrionário Animais em comparação em geral têm um padrão de desenvolvimento mais previsível no qual o plano básico cor poral é amplamente determinado durante a embriogênese Essas diferenças entre plantas e animais podem ser compreendidas par cialmente em termos de estratégias de sobrevivência contrastantes Sendo fotossintéticas as plantas dependem de padrões de crescimento flexíveis que permitem a elas se adaptar a locais fixos onde as condições podem ser infe riores ao ideal especialmente em relação à luz solar e variar com o tempo Os animais sendo heterotróficos em vez disso desenvolveram mecanismos para a mobilidade Neste capítulo são consideradas as características essen ciais do desenvolvimento vegetal e a natureza dos mecanismos que dirigem esses padrões flexíveis do crescimento vegetal Ao querer compreender o desenvolvimento vegetal os biólogos são confrontados com duas questões gerais A primeira é o desafio de formular descrições claras e relevantes das mudanças que ocorrem ao longo do tem po À medida que um organismo cresce há aumentos correspondentes em sua complexidade e sendo assim como essa complexidade pode ser descri ta de maneira mais simples Em que extensão o crescimento está associado à divisão celular à expansão celular e a processos específicos de diferenciação Como os fatores ambientais influenciam os processos de crescimento Com uma descrição detalhada do crescimento no local os biólogos po dem começar a tratar um segundo conjunto de questões que se relacionam à natureza dos mecanismos subjacentes como os padrões característicos de crescimento podem ser explicados por processos determinados genetica mente Como esses programas intrínsecos de desenvolvimento estão liga dos a influências externas como níveis de nutrientes aportes de energia e estresses Embriogênese Taiz17indd 477 Taiz17indd 477 27102016 154043 27102016 154043 478 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento A B Que tipos de mecanismos fazem a mediação deste acopla mento Que componentes físicos estão envolvidos como eles são organizados aos níveis celulares e teciduais e como seus comportamentos dinâmicos são regulados no tempo e no espaço Para tratar dessas questões este capítulo começa com um breve panorama dos aspectos essenciais da or ganização e do ciclo de vida das plantas e como eles se relacionam aos processos básicos de crescimento Como pano de fundo para essa discussão várias abordagens que podem ser utilizadas para fornecer uma descrição detalhada e quantitativa do crescimento e do desen volvimento são revisadas no Apêndice 2 na internet Construindo esse fundamento é considerado então de que modo abordagens fisiológicas moleculares e gené ticas podem proporcionar ideias valiosas sobre a regula ção desses processos Visão geral do crescimento e do desenvolvimento vegetal Um aspecto essencial de quase todas as plantas terrestres é seu estilo de vida sedentário Devido à sua capacidade de realizar fotossíntese plantas posicionadas de maneira favo rável podem obter rapidamente a energia e os nutrientes de que necessitam para crescer e sobreviver Desobrigadas da necessidade de se mover as plantas nunca desenvolveram o tipo de complexidade anatômica que permite a mobilidade nos animais Em vez disso constatase nelas uma anatomia relativamente rígida adaptada à captura de energia lumi nosa e de nutrientes Como consequência as células vege tais diferentemente das células animais estão firmemente aderidas às suas vizinhas em uma matriz relativamente inflexível e muitas vezes lenhosa Essa anatomia rígida im põe limites ao modo de crescimento da planta As células são adicionadas progressivamente ao corpo pela ativida de de tecidos localizados denominados meristemas Em comparação muitos aspectos do desenvolvimento animal incluindo a formação de camadas de tecido primário são caracterizados pela migração de células para novos locais Enquanto o hábito sedentário das plantas permite uma organização relativamente simples essa falta de mobilida de coloca desafios significativos Por serem incapazes de se deslocar para hábitats ideais as plantas precisam em vez disso adaptarse a seus ambientes locais Essa adap tação pode ocorrer em um nível fisiológico bem como ser alcançada mediante padrões flexíveis de desenvolvimento que caracterizam o crescimento vegetativo Um elemento chave desse crescimento adaptativo é a presença de teci dos meristemáticos os quais contêm um estoque de células cujo destino permanece indeterminado Por meio da pro liferação e da diferenciação reguladas dessas células as plantas são capazes de produzir uma diversidade de for mas complexas adaptadas ao ambiente local Figura 171 Dois exemplos contrastantes de forma vegetal ori ginada de processos de crescimento indeterminado A A árvore candelabro Chandelier Tree famosa Sequoia sempervirens que se adaptou a muitos desafios durante sua existência aproximada de 2400 anos B A forma compacta e o ciclo de vida rápido da espé cie muito menor Arabidopsis thaliana tem feito dela um modelo útil para a compreensão dos mecanismos que orientam o crescimento e o desenvolvimento vegetal Taiz17indd 478 Taiz17indd 478 27102016 154043 27102016 154043 Capítulo 17 Embriogênese 479 O desenvolvimento esporofítico pode ser dividido em três estágios principais O desenvolvimento do esporófito das espermatófitas pode ser dividido em três estágios principais Figura 172 em briogênese desenvolvimento vegetativo e desenvolvimen to reprodutivo EMBRIOGÊNESE O termo embriogênese descreve o pro cesso pelo qual uma única célula é transformada em uma entidade multicelular com uma organização característi ca mas normalmente rudimentar Na maioria das esper matófitas a embriogênese ocorre dentro do rudimento seminal óvulo uma estrutura especializada formada no interior dos carpelos da flor A sequência global do de senvolvimento embrionário é altamente previsível talvez refletindo a necessidade de o embrião ser efetivamente acondicionado dentro dos tegumentos maternalmente derivados que formam a semente Com essa consistência a embriogênese fornece alguns dos exemplos mais evi dentes dos processos básicos de padronização em plantas Entre esses processos estão aqueles responsáveis pelo estabelecimento da polaridade desse modo proporcionan do a estrutura na qual as células se diferenciam de acordo com suas posições no embrião Dentro dessa estrutura grupos de células tornamse funcionalmente especializa dos para formar tecidos epidérmicos corticais e vasculares Certos grupos de células conhecidos como meristemas apicais são estabelecidos nas extremidades em crescimen to do caule e da raiz e possibilitam a elaboração de tecidos e órgãos adicionais durante o crescimento vegetativo sub sequente Ao final da embriogênese ocorrem numerosas mudanças fisiológicas que tornam o embrião apto a resistir a longos períodos de dormência e condições ambientais adversas ver Tópico 171 na internet DESENVOLVIMENTO VEGETATIVO Com a germina ção o embrião quebra seu estado de dormência e pela mobilização das reservas armazenadas começa um pe ríodo de crescimento vegetativo Dependendo da espécie a germinação ocorre em resposta a uma combinação de fatores que pode incluir o tempo a umidade e a duração de frio calor e luz ver Tópico 171 na internet e Capítulo 18 Recorrendo inicialmente às reservas armazenadas em seus cotilédones p ex feijão ou no endosperma p ex gramíneas a plântula constrói sua forma rudimentar mediante a atividade dos meristemas apicais da raiz e do caule Por meio da fotomorfogênese ver Capítulo 16 e do posterior desenvolvimento da parte aérea a plântula tornase fotossinteticamente capacitada possibilitando assim o crescimento vegetativo subsequente Embrião maduro plântula Meristema apical do caule Meristema apical da raiz Planta adulta não reprodutiva Planta adulta reprodutiva Flor 5 mm Embriogênese Capítulo 17 Desenvolvimento vegetativo Capítulos 18 19 Fecundação Capítulo 21 Desenvolvimento reprodutivo Capítulo 20 20 μm 250 mm 3 mm Pétala Sépala Estame Carpelo Zigoto Figura 172 Principais fases do desenvolvimento do esporófito Durante a embriogênese o zigoto unicelular elabora uma organiza ção rudimentar mas polar que exibe grupos de células indetermi nadas contidas nos meristemas apicais do caule e da raiz Durante o desenvolvimento vegetativo padrões de crescimento indetermina do que refletem aportes inputs de programas intrínsecos e de fa tores ambientais produzem uma arquitetura variável de caule e raiz Durante o desenvolvimento reprodutivo os meristemas apicais do caule MACs vegetativos são reprogramados para produzir uma série característica de órgãos florais incluindo carpelos e estames em que a geração gametofítica se inicia Taiz17indd 479 Taiz17indd 479 27102016 154044 27102016 154044 480 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Diferentemente do crescimento dos animais o cres cimento vegetativo costuma ser indeterminado não pre determinado mas sujeito à variação sem um ponto final definido Esse crescimento indeterminado é caracterizado por programas reiterados de desenvolvimento de órgãos laterais que permitem à planta elaborar uma arquitetura mais adequada ao ambiente local DESENVOLVIMENTO REPRODUTIVO Após um pe ríodo de crescimento vegetativo as plantas respondem a uma combinação de estímulos internos e externos in cluindo tamanho temperatura e fotoperíodo para expe rimentar a transição para o desenvolvimento reprodutivo Em plantas floríferas essa transição envolve a formação de meristemas florais especializados que originam as flo res Os processos pelos quais os meristemas florais são especificados e depois se desenvolvem produzindo uma sequência estereotipada de formação de órgãos têm pro porcionado alguns dos exemplos mais bem estudados de desenvolvimento vegetal os quais são descritos em deta lhe no Capítulo 20 Nas seções seguintes serão examinados vários exem plos fundamentais de desenvolvimento vegetal e será estudado como os métodos moleculares e genéticos têm contribuído para a nossa compreensão de como são alcan çadas diferenças regionais no crescimento Embriogênese as origens da polaridade Nas espermatófitas a embriogênese transforma um zigo to unicelular em um indivíduo consideravelmente mais complexo contido em uma semente madura Desse modo a embriogênese fornece muitos exemplos de processos de desenvolvimento pelos quais a arquitetura básica da planta é estabelecida abrangendo a elaboração de formas morfogênese a formação associada de estruturas fun cionalmente organizadas organogênese e a diferencia ção de células para produzir tecidos anatômica e funcio nalmente distintos histogênese Os meristemas apicais presentes nas extremidades dos eixos de caules e raízes constituem uma característica essencial dessa arquitetura básica ver Figura 172 e são fundamentais para susten tar os padrões indeterminados de crescimento vegetativo Por fim o desenvolvimento do embrião retrata mudanças complexas na fisiologia que lhe permitem suportar prolon gados períodos de inatividade dormência e reconhecer e interpretar estímulos do ambiente que sinalizam à planta para a retomada do crescimento germinação Nas seções seguintes a partir de várias perspectivas será visto como se origina a complexidade do embrião Inicialmente será feita uma descrição detalhada da em briogênese de Arabidopsis destacando similaridades e diferenças com a embriogênese em outras plantas supe riores A seguir será estudada a natureza dos sinais que guiam os complexos padrões de crescimento e diferencia ção no embrião com várias linhas de evidência realçando a importância dos sinais dependentes da posição Por fim serão explorados exemplos que ilustram como abordagens moleculares e genéticas proporcionam a compreensão dos mecanismos que traduzem esses sinais em padrões orga nizados de crescimento A embriogênese difere entre eudicotiledôneas e monocotiledôneas mas também tem processos fundamentais comuns As comparações anatômicas destacam diferenças nos pa drões de embriogênese observadas entre grupos distintos de espermatófitas como aquelas entre monocotiledôneas e dicotiledôneas A Arabidopsis uma eudicotiledônea e o arroz uma monocotiledônea fornecem dois exemplos de embriogênese que diferem em detalhes mas que compar tilham certas características básicas comuns em relação ao estabelecimento dos principais eixos de crescimento Aqui será descrita a embriogênese de Arabidopsis em detalhes Um relato do padrão um pouco distinto da embriogênese em monocotiledôneas exemplificado pelo arroz é forneci do no Tópico 172 na internet EMBRIOGÊNESE DE ARABIDOPSIS Em virtude do ta manho relativamente pequeno do embrião de Arabidopsis os padrões de divisão celular pelos quais ele se desenvolve são relativamente simples e facilmente seguidos Cinco es tágios cada qual vinculado à forma do embrião são am plamente reconhecidos 1 Estágio zigótico O primeiro estágio do ciclo de vida diploide começa com a fusão da oosfera e do gameta masculino para formar um zigoto unicelular O cres cimento polarizado dessa célula seguido por uma divisão transversal assimétrica dá origem a uma pequena célula apical e a uma célula basal alongada Figura 173A 2 Estágio globular A célula apical passa por uma série de divisões Figura 173BD gerando um embrião globular esférico de oito células octante que exibe simetria radial ver Figura 173C Divisões celulares adicionais aumentam o número de células no embrião globular ver Figura 173D e criam a camada externa a protoderme que mais tarde se tornará a epiderme 3 Estágio de coração Divisão celular concentrada em duas regiões ocorre em ambos os lados do futuro meristema apical do caule para formar os dois coti lédones dando ao embrião simetria bilateral Figura 173E e F 4 Estágio de torpedo Os processos de alongamento e diferenciação celular ocorrem ao longo do eixo em brionário Distinções visíveis entre os tecidos adaxiais e abaxiais dos cotilédones tornamse aparentes Figu ra 173G 5 Estágio maduro Ao final da embriogênese o embrião e a semente perdem água e tornamse metabolicamen te inativos à medida que entram em dormência discu tido no Capítulo 18 Compostos de reserva acumulam se nas células no estágio maduro Figura 173H Taiz17indd 480 Taiz17indd 480 27102016 154044 27102016 154044 Capítulo 17 Embriogênese 481 Uma comparação da embriogênese em Arabidopsis uma eudicotiledônea com a de arroz uma monocotiledô nea assim como em muitas outras plantas ilustra as dife renças no tamanho na forma no número de células e nos padrões de divisão do embrião Apesar dessas diferenças emergem muitas características em comum que podem ser generalizadas para todas as espermatófitas Talvez a mais fundamental dessas características relacionese à po laridade Iniciando com um zigoto unicelular os embriões tornamse progressivamente mais polarizados pelo seu desenvolvimento ao longo de dois eixos um eixo apical basal que vai da extremidade do caule até a extremidade da raiz e um eixo radial perpendicular ao eixo apicalba sal o qual se estende do centro da planta para o exterior Figura 174 Nas seções seguintes será considerado como esses eixos são estabelecidos e discutido como processos mole culares específicos orientam seu desenvolvimento Gran de parte da discussão enfocará Arabidopsis que não é so mente um poderoso modelo para estudos moleculares e genéticos mas também exibe divisões celulares simples e altamente estereotipadas durante os estágios iniciais de seu desenvolvimento embrionário Pela observação das alterações nesse padrão simples podese reconhecer mais facilmente tanto os fatores fisiológicos como os ge néticos que influenciam o desenvolvimento do embrião Uma representação gráfica das primeiras divisões celula res em Arabidopsis fornecida na Figura 175 oferece uma orientação adequada para a discussão a seguir Para uma discussão do estabelecimento da polaridade em um zigoto de alga ver Tópico 173 na internet A B C D 25 μm 25 μm 25 μm 25 μm Protoderme Célula basal Célula apical E F G H 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm Ápice do caule Cotilédone Ápice da raiz Cotilédone Figura 173 Os estágios da embriogênese de Arabidopsis são caracterizados por padrões exatos de divisões celulares A Embrião unicelular após a primeira divisão do zigoto que forma as células apical e basal B Embrião bicelular C Embrião de oito células D Meio do estágio globular que desenvolveu uma protoderme dis tinta camada superficial E Início do estágio de coração F Está gio de coração tardio G Estágio de torpedo H Embrião maduro De West e Harada 1993 fotografias de K Matsudaira Yee cortesia de John Harada American Society of Plant Biologists reimpressa com permissão Eixo apicalbasal Eixo radial Parte aérea Raiz Figura 174 Em corte longitudinal à esquerda o eixo apical basal estendese entre as extremidades da raiz e do caule embrio nários Em corte transversal à direita o eixo radial estendese do centro à superfície através dos tecidos vasculares fundamentais e epidérmicos Taiz17indd 481 Taiz17indd 481 27102016 154044 27102016 154044 482 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento A polaridade apicalbasal é estabelecida na embriogênese A polaridade é uma característica típica das espermatófi tas em que os tecidos e os órgãos estão dispostos em uma ordem estereotipada ao longo de um eixo que se estende do meristema apical do caule ao meristema apical da raiz Uma manifestação precoce desse eixo apicalbasal é vis ta no próprio zigoto o qual se alonga cerca de três vezes mais e se torna polarizado em relação a sua composição intracelular A extremidade apical do zigoto é densamente citoplasmática em oposição à extremidade basal que con tém um grande vacúolo central Essas diferenças na den sidade citoplasmática são estabelecidas quando o zigoto se divide assimetricamente dando origem a uma pequena célula apical densamente citoplasmática e a uma célula basal vacuolada maior ver Figuras 173A e 175 As duas células produzidas pela divisão do zigoto também são distinguidas também pelo destino de seu desenvolvimento subsequente Aproximadamente todo o embrião e por fim a planta madura é derivado da célula apical menor que primeiro sofre duas divisões longitudi nais depois um conjunto de divisões transversais pro duzindo novas paredes celulares em ângulos retos com o eixo apicalbasal para gerar o embrião globular de oito células octante ver Figuras 173C e 175 A célula basal tem um potencial de desenvolvimento mais limitado Uma série de divisões transversais produz o suspensor filamentoso o qual conecta o embrião ao sis tema vascular da plantamãe Apenas o produto superior da divisão conhecido como hipófise é incorporado ao embrião maduro Por meio de divisões celulares poste riores a hipófise contribui para partes essenciais do me ristema apical da raiz incluindo a columela e os tecidos associados à coifa da raiz e o centro quiescente ver Figura 175 que será discutido mais adiante no capítulo Desconsiderando a posição nas células que constituem o embrião globular octante há pouco para distinguir a aparência das fileiras de células superiores e inferiores To das as oito células a seguir dividemse periclinalmente as novas paredes celulares formamse paralelamente à super fície do tecido Figura 176 para formar uma nova camada de células chamada de protoderme que por fim forma a epiderme À medida que o embrião aumenta em volume as células da protoderme dividemse anticlinalmente as novas paredes celulares formamse perpendicularmente à superfície do tecido para aumentar a área desse tecido de uma camada celular de espessura No início do estágio glo bular grandes diferenças entre os destinos das séries supe riores e inferiores de células começam a emergir A região apical derivada do quarteto de células apicais origina os cotilédones e o meristema apical do caule Meristema apical do caule Cotilédones Hipocótilo Raiz primária Centro quiescente e coifa Estágio globular inicial 8 células 16 células 1 célula Zigoto Saco embrionário Antípodas Célulafilha apical Célula lenticular Núcleos polares Oosfera Sinérgides Estágio globular tardio Estágio de transição Região embrionária apical Célula filha basal Vacúolo Região embrionária central Hipófise Suspensor Estágio de coração tardio Plântula Figura 175 Padrão de formação durante a embriogênese de Arabidopsis Uma série de estágios sucessivos é mostrada para ilus trar como células específicas no embrião jovem contribuem para a formação de atributos específicos anatomicamente definidos da plântula Os grupos de células clonais células que podem ser ras treadas até sua origem a partir de uma progenitora comum são in dicados por cores distintas Seguindo a divisão assimétrica do zigo to a célulafilha apical menor dividese e forma um embrião de oito células consistindo em duas fileiras de quatro células cada uma A fileira superior origina o meristema apical do caule e a maior parte dos primórdios cotiledonares A fileira inferior produz o hipocótilo e parte dos cotilédones a raiz embrionária e as células superiores do meristema apical da raiz A célulafilha basal produz uma série única de células que constitui o suspensor A célula superior do suspensor tornase a hipófise azul que é parte do embrião A hipófise divide se para formar o centro quiescente e as célulastronco iniciais que constituem a coifa De Laux et al 2004 Taiz17indd 482 Taiz17indd 482 27102016 154044 27102016 154044 Capítulo 17 Embriogênese 483 A região mediana derivada do quarteto de células ba sais origina o hipocótilo caule embrionário a raiz e as regiões apicais do meristema da raiz A hipófise derivada da célula superior do suspensor origina o restante do meristema da raiz Mecanismos dependentes da posição guiam a embriogênese Os padrões reproduzíveis de divisão celular durante a em briogênese inicial em Arabidopsis podem sugerir que uma sequência fixa de divisão celular é essencial a essa fase de desenvolvimento Essa consistência seria esperada se os destinos de células individuais dentro do embrião se tornassem fixados ou determinados inicialmente uma vez estabelecidos seus destinos essas células seriam encarre gadas de programas fixos de desenvolvimento Assim um mecanismo dependente da linhagem pode ser ligado à mon tagem de uma estrutura a partir de um conjuntopadrão de partes de acordo com instruções autocontidas Embora muitos exemplos de mecanismos dependen tes da linhagem tenham sido documentados no desenvol vimento animal esse tipo de modelo por si próprio não explica facilmente várias características gerais da embrio gênese vegetal Primeiro esses mecanismos dependentes da linhagem são difíceis de conciliar com o padrão mais variável de divisão celular em geral observado durante a embriogênese em muitas outras plantas incluindo o arroz e mesmo espécies estreitamente aparentadas com Arabidopsis Segundo mesmo para Arabidopsis alguma variação limitada no comportamento da divisão celular durante a embriogênese normal pode ser vista median te acompanhamento dos destinos de células individuais com técnicas sensíveis ao mapeamento do destino Figu ra 177 Por fim podemse considerar os exemplos ex Eixo apicalbasal Divisão periclinal Divisão anticlinal Eixo radial Dentro Fora DNA Transpóson Promotor constitutivo Gene GUS inativo Gene GUS ativo DNA Estágio inicial do embrião Gene GUS inativo devido à presença do transpóson Infrequente ativação aleatória do gene GUS devido à excisão do transpóson 0 3 Plântula Transcrição tradução AB C D E F Setores derivados de células individuais do estágio inicial do embrião Plântulas diferentes de Arabidopsis Localização da expressão de GUS Figura 176 Divisão celular periclinal e anticlinal As divisões pe riclinais produzem novas paredes celulares paralelas à superfície do tecido e assim contribuem para o estabelecimento de uma nova camada As divisões anticlinais produzem novas paredes celulares perpendiculares à superfície do tecido e assim aumentam o núme ro de células dentro de uma camada Figura 177 Os destinos de células embrionárias específicas não são rigidamente determinados Esta análise rastreia os destinos de células individuais presentes em embriões jovens O diagrama superior mostra um gene artificial que expressaria constitutivamente um repórter GUS mas é bloqueado pela presença de um transpóson A excisão aleatória do transpóson ativa a expressão do gene GUS em uma célula individual proporcionando um marcador herdável para aquela célula e suas des cendentes Os embriões nos quais esses eventos de excisão ocorrem dão origem a plântulas com setores expressando GUS No diagrama inferior as plântulas de um desses experimentos são classificadas em categorias indicadas por AF de acordo com as posições e as extensões de seus setores expressando GUS Esses setores cada qual proveniente de uma célula individual no embrião jovem são mostrados alinhados com um diagrama de uma plântula à esquerda Embora setores dentro de cer tas categorias como E e F sejam similares e provavelmente derivados de células em posição similar no embrião há variação em seus termi nais Por exemplo as extremidades superiores dos setores na categoria E coincidem em parte com as extre midades inferiores de alguns setores na categoria D Variabilidade similar pode ser vista em pontos terminais de outras classes de setores Essa variabilidade é incoerente com um mecanismo dependente estritamen te da linhagem para a determinação do destino celular mas é mais facil mente explicada por mecanismos que respondem à retroalimentação a partir de sinais dependentes da posição De Scheres et al 1994 Taiz17indd 483 Taiz17indd 483 27102016 154044 27102016 154044 484 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento tremos fornecidos por certos mutantes de Arabidopsis que têm padrões de divisão celular nitidamente diferentes mas ainda retêm a capacidade de formar as características embrionárias básicas Figura 178 Dessa perspectiva parece que o padrão relativamente previsível de divisão celular visto em Arabidopsis pode simplesmente refletir o pequeno tamanho de seu embrião que estabelece limites físicos sobre a polaridade e as posições prováveis das di visões celulares iniciais Portanto a embriogênese parece envolver uma variedade de mecanismos incluindo aque les que não se baseiam somente em uma sequência fixa de divisões celulares Processos de sinalização intercelular desempenham papéischave no direcionamento do desenvolvimento dependente da posição Dado que a morfogênese do embrião pode acomodar pa drões variáveis de divisão celular os processos de desen volvimento que dependem dos mecanismos dependentes da posição que determinam o destino da célula parecem desempenhar papéis significativos Tais mecanismos ope rariam pela modulação do comportamento das células de uma maneira que reflete sua posição no embrião em desen volvimento em vez de sua linhagem Esse tipo de mecanis mo explicaria como formas equivalentes podem surgir me diante padrões diferentes de divisão celular De tal processo de determinação dependente da posição se poderia esperar que apresentasse três tipos gerais de elementos funcionais 1 Deve haver sinais que signifiquem posições singula res dentro da estrutura em desenvolvimento 2 Células individuais devem possuir os meios de estimar sua localização em relação às indicações da posição 3 As células devem ter a capacidade de responder de um modo apropriado às indicações da posição Essas exigências básicas focalizam a atenção sobre o con texto celular no qual os processos de sinalização operam Como a propagação dos sinais através do espaço e do tem po é afetada pela constituição física da célula e sua relação com o tecido circundante As características físicas como membranas e paredes celulares representam meramente obstáculos à comunicação intercelular ou são parte inte grante dos mecanismos que possibilitam às saídas de si nalização ser reguladas em resposta a entradas adicionais Nas seções seguintes serão considerados vários exemplos que ilustram como processos de sinalização geneticamente definidos contribuem para o desenvolvimento embrionário O desenvolvimento embrionário apresenta comunicação regulada entre células Talvez de uma maneira análoga a indivíduos dentro de um grupo social células individuais dentro de um embrião Arabidopsis do tipo selvagem A B D E C F Mutante homozigoto fass 50 μm 60 μm Figura 178 Divisões celulares adicionais não impedem o estabelecimento dos elemen tos do padrão radial básico Indivíduos de Ara bidopsis com mutações no gene FASS alter nativamente TON2 são incapazes de formar uma faixa de microtúbulos da préprófase em células de qualquer estágio de divisão Plantas carregando essa mutação são altamente irre gulares em suas divisões celulares e seus pla nos de expansão e como consequência são severamente deformadas Entretanto elas continuam a produzir tecidos reconhecíveis e órgãos em suas posições corretas Embora os órgãos e os tecidos produzidos por essas plantas mutantes sejam altamente anormais um padrão de tecidos radialmente orientados ainda é evidente Parte superior Arabidopsis tipo selvagem A embrião no estágio globu lar inicial B plântula vista de cima C corte transversal de uma raiz Parte inferior Está gios comparáveis de Arabidopsis homozigoto para a mutação fass D embriogênese inicial E plântula mutante vista de cima F corte transversal de uma raiz mutante mostrando a orientação aleatória das células mas com uma ordem aproximada à do tipo selvagem uma camada epidérmica externa envolve um córtex multicelular que por sua vez circunda o cilindro vascular De Traas et al 1995 Taiz17indd 484 Taiz17indd 484 27102016 154045 27102016 154045 Capítulo 17 Embriogênese 485 em desenvolvimento exibem uma gama de recursos que podem servir para possibilitar limitar e transformar a in formação durante a comunicação Um aspecto notável de embriões em estágio inicial é o efeito relativamente pe queno que as paredes celulares têm sobre o movimento intercelular de certas classes de grandes moléculas Estu dos em plantas intactas mostram que grandes moléculas de proteína marcadas com corantes artificiais e fluores centes podem se mover de célula para célula ao longo do embrião Figura 179 provavelmente via pontes citoplas máticas proporcionadas pelos plasmodesmos À medida que o desenvolvimento progride o movimento dessas moléculas tornase mais restringido pelo tamanho e limi tado espacialmente sugerindo que o fluxo de informação regulado pelos plasmodesmos se torna mais importante para os estágios tardios de desenvolvimento talvez para possibilitar padrões regionalizados de histogênese Para doxalmente durante esses mesmos estágios precoces de desenvolvimento o movimento de certas classes de mo léculas relativamente pequenas incluindo o hormônio ve getal auxina de largo espectro parece mais restrito Como será visto esse movimento intercelular regulado de molé culas desempenha um papel essencial em uma diversida de de processos de desenvolvimento incluindo o estabele cimento da arquitetura axial do embrião A análise de mutantes identifica genes para os processos de sinalização que são essenciais para a organização do embrião Vários tipos de mutantes têm sido analisados para obter ideias sobre os processos que auxiliam a estabelecer a po laridade básica do embrião Muitos desses processos afe tam proteínas que provavelmente contribuem para alguns aspectos da transdução de sinal Para isolar mutações que afetam especificamente processos de padronização em brionária em vez de algumas atividades metabólicas es senciais porém mais gerais foram realizadas triagens para mutantes de plântulas defeituosas Os mutantes obtidos fo Proteínarepórter GFP pequena Proteínarepórter GFP intermediária Proteínarepórter GFP grande mRNA GUS ERGFP 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm A B C D E F G H I J K L M N O P Q R c c h r r hh c c c c r Estágio de semitorpedo Estágio de coração tardio Início do estágio de coração Figura 179 O potencial de movimento intercelular de proteínas muda durante o desenvolvimento As figuras mostram a distribuição de proteínasrepórter GFP pequenas B H N intermediárias C I O e grandes D J P em embriões de idades diferentes estágios de coração inicial AF de coração tardio GL e de semitorpedo MR Todos os constructos constructs são transcritos a partir de um pro motor STM que produz transcritos em regiões relativamente peque nas dos embriões como mostrado pela hibridização in situ A G M ou por fusão a GUS E K Q não difusíveis ou a repórteres ERGFP F L R As proteínas pequenas parecem moverse rapidamente em todos os estágios da embriogênese B H e N porém a mobilidade de proteínas maiores é menor e tornase mais restrita em embriões mais velhos C e D I e J O e P As setas indicam o núcleo em células do suspensor C e a expressão ectópica do promotor STM em hipo cótilos L e PR As pontas de setas indicam a raiz Abreviações c cotilédones h hipocótilo r raiz De Kim et al 2005 Taiz17indd 485 Taiz17indd 485 27102016 154045 27102016 154045 486 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento ram capazes de se desenvolver em sementes madu ras sugerindo um metabolismo relativamente intac to mas exibindo uma organização anormal quando germinados e examinados quando plântulas Entre esses mutantes estavam aqueles em que a morfolo gia apicalbasal normal foi desfeita de modo que ou o meristema apical do caule ou o meristema apical da raiz ou ambos foram perdidos A natureza dos defeitos vistos nesses mutantes sugere que os genes correspondentes são necessários para o estabeleci mento do padrão apicalbasal normal Figura 1710 A clonagem de vários desses genes por técnicas baseadas em mapeamento ver Tópico 22 na inter net tem oferecido algumas ideias sobre suas fun ções moleculares que são resumidas a seguir Como um lembrete os biólogos de desenvolvimento de nominam os genes identificados em varreduras de mutantes com nomes engenhosos sugeridos pelos fenótipos morfológicos observados Por exemplo o mutante werewolf wer foi assim nomeado devido ao conjunto de células epidérmicas desordenadas e de pelos da raiz observado no mutante GURKE GK denominado pela forma seme lhante ao pepino do mutante na qual os cotilédones e o meristema apical do caule são reduzidos ou per didos codifica uma acetilCoAcarboxilase Uma vez que a acetilCoAcarboxilase é necessária para a sín tese correta de ácidos graxos de cadeia muito longa VLCFAs de verylongchain fatty acids e esfingolipí deos essas moléculas ou seus derivativos parecem ser cruciais para a padronização correta da porção apical do embrião FACKEL FK foi originalmente interpretado como ne cessário para a formação do hipocótilo Os mutantes exibem defeitos na formação de padrões complexos que abrangem cotilédones malformados hipocótilo e raiz pequenos e com frequência múltiplos meristemas de caule e raiz FK codifica uma C14 esterol redutase N de T Palavra inglesa para lobisomem N de T Palavra alemã para pepino sugerindo que esteróis são cruciais para o padrão de formação durante a embriogênese GNOM GN codifica um fator de troca do nucleotídeo guanina GEF de guanine exchange factor que possibi lita o transporte direcional de auxina pelo estabeleci mento de uma distribuição polar de carregadores de efluxo de auxina PIN MONOPTEROS MP necessário para a formação nor mal de elementos basais tal como a raiz e o hipocótilo codifica um fator de transcrição de resposta à auxina ARF de auxin response transcription factor Essa pequena coleção de mutantes realça a significân cia potencial de processos específicos de sinalização para a embriogênese Embora não seja bem compreendido como as mutações para GK e FK levam a defeitos de padrões de características embrionárias as atividades bioquímicas previstas das proteínas codificadas por ambos os genes são coerentes com a ruptura de algumas formas de sinalização mediada por lipídeos De modo semelhante GN e MP po Figura 1710 Os genes essenciais para a embriogênese de Arabidopsis foram identificados a partir de seus fenótipos mutantes O desenvolvimento de plântulas mutantes é com parado aqui com o do tipo selvagem no mesmo estágio de desenvolvimento A O gene GNOM ajuda a estabelecer a polaridade apicalbasal Uma planta homozigota para a mu tação gnom é mostrada à direita B O gene MONOPTEROS é necessário para a padronização basal e a formação da raiz primária Uma planta homozigota para a mutação monop teros à direita possui um hipocótilo um meristema apical do caule normal e cotilédones mas não tem raiz primária C Esquema de quatro tipos de mutantes com deleção Em cada par a região destacada da planta do tipo selvagem à es querda está ausente na mutante à direita A de Mayer et al 1993 B de Berleth e Jürgens 1993 C de Mayer et al 1991 A Tipo selvagem vs mutante gnom C Diagrama esquemático dos tipos de mutantes Tipo selvagem Mutante Tipo selvagem Mutante B Tipo selvagem vs mutante monopteros Os genes GNOM controlam a polaridade apicalbasal Os genes MONOPTEROS controlam a formação da raiz primária Apical gurke Central fackel Basal monopteros Terminal gnom Taiz17indd 486 Taiz17indd 486 27102016 154045 27102016 154045 Capítulo 17 Embriogênese 487 dem ser ligados a processos de sinalização ambos os quais característicos da auxina Devido à riqueza do conjunto de informações sobre as respostas dependentes de auxina serão considerados a seguir a importância do transporte polarizado de auxina e os papéis específicos de GN e MP em mais detalhe incluindo como eles contribuem para o estabelecimento dependente de auxina de um eixo apical basal do embrião em desenvolvimento A auxina funciona como sinal químico móvel durante a embriogênese Como visto em alguns aspectos do desenvolvimento ani mal substâncias designadas morfógenos desempenham papéischave no fornecimento de sinais de posição Por meio de combinações de síntese transporte e reciclagem turnover moléculas morfogênicas atingem uma distribui ção gradual dentro dos tecidos que por sua vez provoca uma gama de respostas dependentes da concentração Os níveis variados e a mobilidade de certos hormônios vegetais e a gama de respostas fisiológicas que eles provocam suge rem o potencial dessas moléculas para atuar como morfó genos Embora tenha sido mostrado que a auxina as cito cininas e o ácido abscísico ABA movemse nas correntes transpiratórias no xilema e de fontedreno no floema ver Capítulo 11 a auxina é o único hormônio vegetal trans portado de forma polar de célula para célula em um modo dependente de energia A auxina ácido indol3acético ou AIA e seus análogos sintéticos são conhecidos como mor fógenos à medida que podem ser usados para induzir a for mação de embriões de células somáticas e podem induzir respostas dependentes da concentração específicas em teci dosalvo Essas respostas correlacionamse com gradientes discretos que ocorrem durante o desenvolvimento embrio nário esses gradientes são criados por uma combinação de síntese localizada de auxina e processos intercelulares coletivamente descritos como transporte polar de auxina A polaridade da planta é mantida por correntes polares de auxina O transporte polar de auxina é encontrado em quase to das as plantas incluindo briófitas e pteridófitas Estudos iniciais desse fenômeno focaram no movimento de auxina em tecidos apicais e epidérmicos durante respostas fototró picas de plântulas ver Capítulo 18 O transporte polar de auxina à longa distância através do parênquima vascular desde sítios de síntese em tecidos apicais e folhas jovens até a ponta da raiz mostrou regular o alongamento do caule a dominância apical e a ramificação lateral ver Capítulo 19 Fluxos de auxina redirecionados no ápice da raiz para a epiderme da raiz mostraram ser necessários para as res postas gravitrópicas desse órgão ver Capítulo 18 O transporte polar de auxina foi verificado por ensaios com traçadores radiativos de auxina e análises de espectro metria de massa do conteúdo de auxina em tecidos discre tos Mais recentemente o uso de repórteres para auxina para registrar as concentrações relativas de auxina em células individuais e tecidos tornouse o meio preferido de visua lização dos níveis desse hormônio em plantas intactas Os repórteres usados com mais frequência têm como base DR5 um promotor artificial responsivo à auxina que é fusionado a um gene repórter cuja atividade é facilmente visualizada Fusões de DR5 à glucuronidase GUS que produz uma cor azul quando incubada com substratos cromogênicos tais como pnitrofenilDglucuronídeo e a proteína verde fluorescente GFP de green fluorescent protein ou proteínas fluorescentes similares são largamente utilizadas p ex ver Figura 130 Entretanto repórteres com base em DR5 requerem a transcrição gênica para funcionar o que atrasa a resposta à auxina Um repórter mais dinâmico DIIVenus tem como base uma fusão de uma variante da proteína amarela fluorescente a uma porção da proteína correcep tora de auxina AUXAIA que é rapidamente degradada na presença de auxina ver Capítulo 15 DIIVenus degradase desaparece rapidamente quando auxina está presente Por convenção o transporte de auxina dos ápices do caule e da raiz para a zona de transição raizcaule é re ferido como um fluxo basípeto enquanto o fluxo de auxi na para baixo na raiz é referido como transporte acrópeto Como essa terminologia pode ser confusa uma termino logia mais nova designa o termo transporte em direção à raiz rootward para todos os fluxos de auxina direcionados para o ápice da raiz e o termo transporte em direção ao caule shootward para qualquer fluxo direcional para longe do ápice da raiz Ambos os transportes de auxina em direção à raiz e em direção ao caule são mecanismos primários para efetuar o crescimento direcional e plástico programado O transporte polar ocorre de célula a célula em vez de por via simplástica ou seja a auxina sai de uma célula pela membrana plasmática difundese através da parede celular e entra na próxima célula pela de sua membrana plasmática Figura 1711 O processo total requer ener gia metabólica conforme evidenciado pela sensibilidade do transporte polar à falta de O2 à depleção de sacaro se e a inibidores metabólicos Em alguns tecidos a velo cidade do transporte polar de auxina pode ser superior a 10 mm h1 que é mais rápida que a difusão mas mais lenta que as taxas de translocação no floema ver Capítulo 11 O transporte polar é específico para todas as auxinas naturais e algumas sintéticas outros ácidos orgânicos fra cos análogos inativos de auxina e conjugados de AIA são fracamente transportados Embora gradientes polares de concentração de auxina no embrião pareçam ser inicial mente estabelecidos pela localização da síntese de auxina eles são amplificados e estendidos por proteínas transpor tadoras específicas sobre a membrana plasmática ABSORÇÃO DE AUXINA O AIA é um ácido fraco pKa 475 No apoplasto onde HATPases da mem brana plasmática normalmente mantêm um pH de 5 a 55 na solução da parede celular 15 a 25 de auxina estão presentes em uma forma lipofílica indissociada AIAH que se difunde passivamente através da mem brana plasmática a favor de um gradiente de concentra ção A absorção de auxina é acelerada pelo transporte ativo secundário do AIA anfipático presente no apo Taiz17indd 487 Taiz17indd 487 27102016 154045 27102016 154045 488 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento plasto via transportadores de AUXIN1LIKE AUXIN1 AUX1LAX que cotransportam dois prótons junto com o ânion auxina Esse transporte secundário ativo da au xina permite uma acumulação maior desse hormônio do que a simples difusão pois ele é acionado pela for ça motriz de prótons através da membrana ie a alta concentração de prótons na solução apoplástica Embo ra a localização polarizada de AUX1 sobre a membra na plasmática ocorra em algumas células tais como do protofloema a contribuição mais importante de AUX1 é seu papel na criação de drenos celulares que dirigem as correntes de transporte polar de auxina Os fluxos em direção ao caule no mutante aux1 de Arabidopsis são completamente desorganizados resultando em cresci mento agravitrópico da raiz mas a expressão de AUX1 sob o controle de um promotor associado com a lateral da coifa da raiz restaura completamente o crescimen to gravitrópico O composto ácido 1naftoxiacético com frequência é utilizado como um inibidor da atividade de influxo de auxina das proteínas AUX1LAX H Membrana plasmática Parede celular AIA pH 5 2H AIAH AIA AIA AIA AIAH ATP ATP AIAH pH 7 H H H Vacúolo Direção do transporte de auxina Permease do cotransporte de H Citosol ATP H AIA ATP H ATP H 1 O AIA entra na célula passivamente na forma indissociada AIAH ou por cotransporte secundário ativo na forma aniônica AIA 2 A parede celular é mantida em um pH ácido pela atividade da HATPase da membrana plasmática 3 No citosol que tem um pH neutro a forma aniônica AIA predomina 4 Os ânions saem da célula via carregadores de efluxo de ânions de auxina que estão concentrados na extremidade basal de cada célula na rota longitudinal Parede celular Vacúolo Membrana plasmática H ATP H ATP H ATP H 1 A HATPase da membrana plasmática lilás bombeia prótons para o apoplasto A acidez do apoplasto afeta a taxa de transporte de auxina por alteração da razão de AIAH e AIA presentes no apoplasto 2 O AIAH pode entrar na célula via carregadores de prótons do tipo simporte tal como AUX1 azul ou difusão setas tracejadas Uma vez dentro do citosol o AIA é um ânion podendo sair da célula apenas via transporte ativo 3 As proteínas ABCB estão localizadas vermelho não polarmente sobre a membrana plasmática e podem acionar o efluxo ativo dependente de ATP de auxina 4 O transporte ativo polar aumentado sinergisticamente ocorre quando proteínas PIN localizadas polarmente marrom associadas com proteínas ABCB superam os efeitos do retorno por difusão backdiffusion Citosol ATP AIA ATP AIAH Gradiente de auxina AIAH AIAH AIAH AIA ATP AIA AIA ATP ATP AIA HATPase Proteína AUX1 ABCB Proteína PIN Retorno de auxina por difusão 1 3 4 2 ATP A B Figura 1711 A Modelo quimios mótico simplificado para o transpor te polar de auxina Aqui é ilustrada uma célula alongada de uma coluna de células transportadoras de auxina Mecanismos adicionais de exporta ção contribuem para o transporte ao impedirem a reabsorção de AIA em sítios de exportação e em fileiras de células adjacentes B Modelo para o transporte polar de auxina em pe quenas células meristemáticas com expressiva difusão reversa desse hor mônio devido à alta razão superfície volume As proteínas ABCB mantêm as correntes polares impedindo a reabsorção de auxina exportada nos sítios de transporte Em células maio res os transportadores ABCB pare cem excluir o movimento de auxina de correntes polares para as filas de células adjacentes Taiz17indd 488 Taiz17indd 488 27102016 154045 27102016 154045 Capítulo 17 Embriogênese 489 EFLUXO DE AUXINA No pH neutro do citosol a forma aniônica da auxina AIA predomina O transporte de AIA para fora da célula é acionado pelo potencial de mem brana negativo dentro da célula Entretanto uma vez que a bicamada lipídica da membrana é impermeável ao ânion a exportação de auxina para fora da célula deve ocorrer via proteínas de transporte sobre a membrana plasmática Onde as proteínas PIN carregadoras de efluxo de auxi na são polarmente localizadas ou seja presentes sobre a membrana plasmática somente em uma extremidade de uma célula a absorção de auxina para a célula e o sub sequente efluxo via PIN originam um transporte polar líquido ver Figura 1711B A família de proteínas PIN é denominada segundo a forma de grampo das inflorescên cias formadas pelo mutante pin1 de Arabidopsis ver Figura 1712A Diferentes membros da família PIN promovem o efluxo de auxina em cada tecido e mutantes pin exibem fenótipos coerentes com a função nesses tecidos Das proteínas PIN PIN1 é a mais estudada uma vez que ela é essencial a praticamente cada aspecto do desenvolvimento polar e organogênese nas partes aéreas de plantas Um subconjunto de transportadores dependentes de ATP de uma grande superfamília de transportadores inte grais de membrana do tipo cassete de ligação de ATP ABC ATPbinding cassete amplifica o efluxo e impede a reabsor ção da auxina exportada especialmente em pequenas células onde as concentrações de auxina são altas Os genes ABCB classe ABC B defeituosos em Arabidopsis milho Zea mays e sorgo resultam em mutantes anãos de severidade alterado e em gravitropismo alterado e efluxo reduzido de auxina Figura 1712B Em geral as proteínas ABCB apre sentam distribuição uniforme em vez de polar nas membranas plasmáticas de célu las dos ápices de caules e raízes ver Figura 1711B Contudo quando proteínas ABCB e PIN específicas coocorrem no mesmo local das células a especificidade do transporte de auxina é acentuada As proteínas PIN fun cionam de maneira sinérgica com as ABCB estimulando o transporte direcional de au xina O composto ácido N1naftilftalâmico NPA ligase às proteínas ABCB de transporte de auxina e seus reguladores e é usado como um inibidor da atividade de efluxo de auxina O transporte de auxina é regulado por múltiplos mecanismos Como seria esperado para uma função tão importante o transporte de auxina é regulado por mecanismos tanto de transcrição como de póstranscrição Genes codificadores de enzimas que funcionam no metabolismo ver Apêndice 2 na internet na sinalização ver Capítulo 15 e no trans porte de auxina são regulados por programas de desenvol vimento e sinais ambientais Quase todos os hormônios vegetais conhecidos têm um efeito sobre o transporte de auxina ou a expressão gênica dependente de auxina A pró pria auxina regula a expressão dos genes que codificam os transportadores de auxina a fim de aumentar ou diminuir sua abundância e assim regular os seus níveis Como é comum com muitas rotas de transdução de sinal a fosforilação de transportadores de auxina é um mecanismo regulador essencial Por exemplo a quinase D6PK ativa a atividade de transporte de auxina de um subconjunto de proteínas PIN e a fototropina 1 fotorre ceptor quinase inativa a atividade de efluxo de ABCB19 em A B Tipo selvagem br2 Tipo selvagem br2 Tipo selvagem br2 Figura 1712 A PIN1 em Arabidopsis À esquerda Localização da proteína PIN1 nas extremidades basais de células condutoras de inflores cências de Arabidopsis observada em microscopia de imunofluorescên cia À direita Mutante pin1 de Arabidopsis Na Figura 171B pode ser visto um indivíduo do tipo selvagem normal dessa espécie B O gene BR2 Brachytic 2 codifica uma ABCB exigida para o transporte normal de auxina no milho e mutantes br2 têm entrenós curtos O mutante foi produzido por mutagênese de inserção com o transpóson Mutator Os pesquisadores desconheciam que o transpóson Mu8 continha um frag mento do gene BR2 A expressão do fragmento do gene BR2 produziu RNA de interferência RNAi que silenciou a expressão desse gene ver Capítulo 2 Os mutantes br2 têm colmos inferiores compactos no cen tro e na direita mas pendões e espigas normais na esquerda e no cen tro A cortesia de L Gälweiler e K Palme B de Multani et al 2003 Taiz17indd 489 Taiz17indd 489 27102016 154046 27102016 154046 490 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento respostas fototrópicas ver Capítulo 18 A composição da membrana e a estrutura da parede celular também regu lam a atividade de transporte como a localização de PIN1 e de ABCB19 sobre a membrana plasmática é dependente de esteróis estruturais ou esfingolipídeos e a localização polar de PIN1 é suprimida em mutantes de Arabidopsis de ficientes em celulose sintase Além disso alguns compos tos naturais principalmente flavonoides funcionam como inibidores de efluxo de auxina Flavonoides atuam como inativadores de espécies reativas de oxigênio EROs e são inibidores de algumas metaloenzimas quinases e fosfa tases Seus efeitos sobre o transporte de auxina parecem resultar principalmente dessas atividades A regulação do tráfego celular de proteínas de trans porte de auxina para a membrana plasmática e a partir dela desempenha um papel particularmente importante no desenvolvimento vegetal Proteínas chaperonas espe cíficas são exigidas para o direcionamento bemsucedido de transportadores de auxina para a membrana plas mática Por exemplo a proteína AXR4 regula o tráfego de AUX1 e a proteína do tipo imunofilina TWISTED DWARF 1 denominada para o fenótipo mutante twd1 em Arabidopsis regula o dobramento e o tráfego para a mem brana plasmática dos transportadores múltiplos ABCB de auxina Contudo os processos mais importantes de trá fego celular que regulam o transporte polar de auxina no desenvolvimento embrionário são aqueles que direcionam as localizações polares de proteínas PIN1 transportadoras de efluxo Um dos maiores avanços na biologia do desenvolvi mento vegetal tem sido o uso combinado de DR5GFP e DIIVenus com fusões de GFP de proteínas de transpor te de auxina para visualizar os processos pelos quais gradientes microscópicos de concentração de auxina ca nalizam criam um canal para a corrente direcional de transporte de auxinal dirigida por PIN1 à medida que o embrião se desenvolve Em outras palavras pequenos flu xos direcionais de auxina são amplificados e estabilizados pelo estabelecimento de proteínas de transporte e tecido vascular em configurações que mantêm os fluxos direcio nais para os tecidos em crescimento A conexão entre a polaridade de PIN1 e o desenvolvimento polar no embrião foi inicialmente sugerida em estudos onde embriões ima turos propagados in vitro foram tratados com auxina ou inibidores de transporte de auxina Figura 1713A e B As regiões apicais em forma de taça induzidas artificialmente por níveis perturbantes de auxina foram posteriormente reconhecidas como similares àquelas de mutantes pin11 nos quais os gradientes polares localizados de auxina são desorganizados Figura 1713C e D Pela aplicação de várias medições de auxina resumidas na Tabela 171 têm sido elaborados mapas provisórios que sugerem como a síntese de auxina e o transporte direciona do se combinam para gerar uma distribuição padronizada de auxina através do embrião em desenvolvimento Figura 1714 A visualização desses microgradientes tem sido bas tante auxiliada pelo uso de repórteres responsivos à auxina como DR5 e DIIVenus ver Capítulo 15 em combinação Figura 1713 Evidência de um pa pel da auxina no desenvolvimento em brionário A Um embrião de Brassica juncea cultivado in vitro e mostrando uma morfologia normal A radícula é a raiz embrionária B Morfologia al terada de um embrião de Brassica jun cea causada pelo cultivo por 10 dias na presença do inibidor de transporte de auxina ácido N1naftilftalâmico NPA A barra de escala em A e B 250 μm C Embrião do tipo selvagem de Arabidopsis D Um embrião mu tante pin11 de Arabidopsis Observe a falha similar na separação dos cotilé dones causada pela inibição química do transporte de auxina in vitro e pela interrupção do transporte de auxina por mutações no gene PIN A e B de Hadfi et al 1998 C e D de Liu et al 1993 50 μm 50 μm A D Mutante pin11 de Arabidopsis C Tipo selvagem de Arabidopsis B Cotilédone Hipocótilo Radícula Cotilédone Hipocótilo Radícula Taiz17indd 490 Taiz17indd 490 27102016 154046 27102016 154046 Capítulo 17 Embriogênese 491 com fusões de proteínas fluorescentes à PIN1 o componen te de efluxo primário que reforça e estende os fluxos polares embrionários de auxina O efluxo de auxina mediado por PIN1 é regulado por quinases que ativam a atividade de transporte de proteína bem como pela fosforilação depen dente de PINOID do loop na região central de PIN1 que regula sua localização polar Acreditase que a localização polar das proteínas de efluxo de auxina PIN envolva três processos Tráfego isotrópico inicial não direcional para a mem brana plasmática Múltiplas abordagens experimen tais mostram que o tráfego de PIN para a membrana plasmática envolve processos secretores conservados ver Capítulo 1 Transcitose e concentração em domínios polarizados da membrana plasmática Esse processo não é bem ca racterizado mas foi observado com PIN2 em células de raiz Entretanto a localização polar de PIN2 é muito menos dinâmica e sensível à auxina comparada com PIN1 e se acredita ser determinada primariamente pela programação do desenvolvimento Presumese que os alinhamentos polares de PIN1 e PIN7 com gradientes de auxina observados durante a embriogênese resultem da transcitose Contudo até o momento a transcitose foi documentada ao nível subcelular somente com PIN2 em células epidérmicas de raiz madura Estabilização via interações com a parede celular A ruptura genética ou farmacológica da biossíntese da parede celular resulta em uma completa perda da polaridade de PIN1 em Arabidopsis A proteína GNOM estabelece uma distribuição polar de proteínas de efluxo de auxina PIN Central para a natureza dinâmica da localização de PIN1 e PIN2 é o tráfego delas através de um compartimento sub celular caracterizado pela presença da proteína GNOM A proteína GNOM estabelece uma distribuição polar de proteínas de efluxo de auxina e mutantes gnom têm de feitos de desenvolvimento severos ver Figura 1710A e C Quando o gene GNOM foi inicialmente clonado a simi laridade de sua proteína prevista com os fatores de troca do nucleotídeo guanina GEFs não sugeriu imediatamente como o gene contribui para a formação das regiões basais e apicais do embrião Foi observado entretanto que muitos aspectos do fenótipo mutante gnom podem ser imitados ou fenocopiados pela aplicação de inibidores do transporte de auxina sugerindo que a atividade de GNOM pode ser necessária para o transporte normal de auxina Uma explicação de como GNOM poderia possibilitar o transporte de auxina surgiu de experimentos demons trando que a atividade de GEF de GNOM é exigida para a localização polarizada de proteínas PIN GNOM assim como outras proteínas GEF relacionadas promove o mo vimento intracelular de vesículas que liberam proteínas específicas para sítiosalvo dentro da célula A mutação de GNOM desorganiza a distribuição polarizada normal de proteínas PIN embora isso não prove necessariamente que uma redução na atividade de GEF seja a causa En tretanto experimentos posteriores demonstraram que a atividade de GEF de GNOM é crucial para a localização de PIN A desorganização da localização de PIN é obser vada em células tratadas com brefeldina A um inibidor TABELA 171 Métodos usados para determinar os níveis de auxina em plantas Método Sensibilidade Especificidade Resolução Comentários Espectroscopia de massa Média Alta Nível de tecido ou órgão Pode discriminar entre diferentes formas de auxina Imunodetecção Alta Média Celular Depende da acessibilidade da auxina ao anticorpo e da especificidade desse anticorpo Repórteres Alta Alta Celular Indica a localização de respostas dependentes de auxina mas a atividade repórter pode em alguns casos ser limitada por outros fatores estes podem ser promotores artificiais DR5 DIIVenus ou fusões com promotores gênicos responsivos à auxina Localização de PIN Média Média Celular Distribuição polarizada de transportadores PIN1 e PIN2 de auxina é utilizada para inferir o fluxo direcional de auxina Embrião globular Estágio de 2 células Início do estágio de coração Máximo de auxina Máximo de auxina IAA IAA IAA IAA IAA IAA AIA AIA AIA AIA AIA AIA AIA Máximo de auxina Figura 1714 Movimento de auxina AIA dependente de PIN1 durante estágios iniciais da embriogênese O movimento de auxi na como inferido da distribuição assimétrica da proteína PIN1 e da atividade de um repórter DR5 responsivo à auxina é indicado pela seta As áreas azuis indicam células com concentrações máximas de auxina Máximos de auxina resultando da síntese do hormônio criam gradientes que são então reforçados pela orientação polar de PIN1 Taiz17indd 491 Taiz17indd 491 27102016 154046 27102016 154046 492 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento da atividade de GEF mas não em células que contêm uma forma alterada de GNOM à qual a brefeldina A é incapaz de se ligar A noção de que o padrão alterado de desen volvimento embrionário em mutantes gnom reflete uma interrupção da atividade de PIN é apoiada pelos defeitos de desenvolvimento similares que resultam diretamente de genes transtornados que codificam proteínas PIN Esses resultados sugerem que a padronização apical basal do embrião depende de diferenças na distribuição de auxina ao longo dele as quais são criadas ao menos em parte pelo movimento de auxina dirigido por PIN Em apoio a esse modelo a distribuição de auxina inferida a partir de repórteres de auxina em vários estágios do desen volvimento do embrião é coerente com aquela inferida da distribuição polarizada de proteínas PIN ver Figura 1714 No estágio de duas células a acumulação preferencial de proteínas PIN na parede apical da célula basal pode estar ligada aos níveis mais altos de auxina na célula apical Pos teriormente no desenvolvimento do embrião a distribui ção das proteínas PIN é invertida com os níveis mais altos ao longo das faces basais das células apicais o que por sua vez leva a níveis mais altos de auxina nas regiões basais ver Figura 1714 estágio globular Durante o início do es tágio de coração que se segue a distribuição de proteínas PIN tornase mais complexa resultando em um fluxo in terno de auxina para baixo que é equilibrado por um fluxo para cima através das camadas celulares superficiais ver Figura 1714 início do estágio de coração MONOPTEROS codifica um fator de transcrição que é ativado por auxina A clonagem do gene MONOPTEROS MP ver Figura 1710B e C revelou que ele codifica um membro de uma família de proteínas chamadas de fatores de resposta à auxina ARFs implicandoo em processos dependentes de auxina Na presença de auxina os ARFs regulam a trans crição de genes específicos envolvidos na resposta a esse hormônio Na ausência de auxina a atividade dessas pro teínas é inibida por sua associação física com repressores específicos chamados de proteínas AIAAUX As respostas dependentes de auxina ocorrem quando ela desencadeia a degradação almejada desses repressores possibilitando aos ARFs interagir com seus genesalvo ver Capítulo 15 Várias linhas de evidência sustentam a opinião de que MP promove ao menos um subconjunto de respostas à au xina Nos mutantes mp não somente faltam os domínios basais do embrião ver Figura 1710B e C mas também eles apresentam defeitos na padronização vascular simi lares aos observados quando os níveis ou os movimentos de auxina são danificados artificialmente sugerindo que é provável que MP regule genes que guiam o desenvolvi mento vascular dependente de auxina Estudos genéticos separados confirmaram que a atividade de MP é regulada por auxina Esses estudos focalizam um mutante chama do bodenlos bdl o qual como os mutantes mp carece da região basal do embrião Essa similaridade sugeriu que os dois genes podem ser funcionalmente relacionados A clo nagem molecular de BDL mostrou que ele codifica uma de várias proteínas repressoras AIAAUX A forma normal de BDL associase com MP para reprimir a atividade de MP mas essa repressão pode ser aliviada pela degradação de BDL induzida por auxina Estudos bioquímicos demonstra ram que a forma mutante de BDL é resistente à degradação induzida por auxina e desse modo permaneceria ligada ao MP reprimindo sua atividade e produzindo um fenótipo si milar ao de mp Tomados em conjunto GNOM e MP podem ser vistos como participantes de um mecanismo mais complexo pelo qual o movimento da auxina e as respostas que isso provoca ajudam a orientar o estabelecimento do eixo apicalbasal Enquanto é atraente atribuir o fenômeno dependente de auxina a respostas dependentes da concentração é impor tante apreciar outros modelos potenciais incluindo aqueles que envolvem a polarização de células e tecidos que resul tam de fluxos direcionais de auxina em vez de uma respos ta ligada a algum nível absoluto de auxina Análises gené ticas mais detalhadas bem como métodos mais refinados para a medição dos níveis e das respostas à auxina devem ajudar a distinguir entre essas alternativas A padronização radial guia a formação de camadas de tecidos Além das distinções entre células e tecidos posicionados ao longo do eixo apicalbasal do embrião em desenvol vimento diferenças também podem ser observadas ao longo de um eixo radial Esse eixo perpendicular ao eixo apicalbasal estendese do interior à superfície Em Ara bidopsis a diferenciação de tecidos ao longo do eixo radial é observada primeiro no embrião globular Figura 1715 onde divisões periclinais separam o embrião em três regiões definidas radialmente As células mais externas formam uma camada de uma célula de espessura deno minada protoderme que posteriormente se diferencia na epiderme Abaixo dessa camada se estendem células que mais tarde constituirão o tecido fundamental que por sua vez dá origem ao parênquima cortical região situada entre o sistema vascular e a epiderme e na raiz e no hi pocótilo à endoderme camada de células suberizadas que restringe os movimentos de água e íons para dentro e para fora do estelo pelo apoplasto ver Capítulo 4 No domínio mais central encontrase o procâmbio que gera os tecidos vasculares incluindo o periciclo da raiz Como foi visto para a padronização apicalbasal do embrião uma sequência precisamente definida de divi sões celulares não parece essencial para o estabelecimento de elementos básicos do padrão radial Variabilidade sig nificativa nos padrões de divisões celulares associadas à formação de padrões radiais pode ser vista entre espécies relacionadas e elementos básicos do padrão podem ser ainda estabelecidos em mutantes com padrões perturba dos de divisão celular sugerindo um papel proeminen te nos mecanismos dependentes de posição Nas seções seguintes serão discutidos experimentos que abordam a natureza desses mecanismos proporcionando outros Taiz17indd 492 Taiz17indd 492 27102016 154046 27102016 154046 Capítulo 17 Embriogênese 493 exemplos da utilidade de análises genéticas moleculares Discussão adicional dos aspectos físicos da divisão celular pode ser encontrada no Ensaio 171 na internet A origem da epiderme um limite e interface na borda do eixo radial Um aspecto óbvio e singular do eixo radial do embrião é proporcionado pela protoderme Esse tecido pode ser definido unicamente por sua posição superficial e que posteriormente produz a epiderme um tecido crítico que medeia a comunicação entre a planta e o mundo exterior Com origem precoce na embriogênese as células pro todérmicas têm um conjunto de paredes expostas que teoricamente poderiam facilitar a troca de sinais com o ambiente externo ou como alternativa atuar como um limite quando sinais se movem de célula para célula den tro do embrião Em ambos os casos a protoderme exibiria propriedades únicas distinguindoa das camadas celula res internas e assim forneceria sinais potenciais para a padronização radial Por exemplo estudos em Citrus têm evidenciado a presença de uma cutícula sobre a superfície do embrião desde os estágios zigóticos iniciais até a ma turidade sugerindo que as paredes das células protodér micas formam um limite de comunicação communication boundary Alguns estudos também sugerem que a epider me pode atuar como uma limitação física ao crescimento de camadas mais internas Estudos genéticos têm nos ajudado a compreender os processos que contribuem para o caráter único da epiderme Por exemplo dois genes MERISTEM LAYER1 ATML1 e PROTODERMAL FACTOR2 PDF2 de Arabidopsis thalia na foram identificados como tendo papéis essenciais na promoção da identidade epidérmica de células posiciona das superficialmente Os dois genes codificam fatores de transcrição de homeodomínio e são expressos a partir de estágios iniciais da embriogênese nas células externas do próprio embrião Essa expressão parece necessária para o estabelecimento da identidade epidérmica normal uma vez que plantas mutantes possuem uma epiderme anor mal cujas células exibem características normalmente as sociadas com células do mesofilo Figura 1716A e B De modo inverso a expressão ectópica na posição errada de ATML1 em tecidos internos mostrou induzir característi cas epidérmicas anormais Juntos esses resultados suge rem que o ATML1 e o PDF2 relacionado provavelmente funcionem pela promoção da atividade de genes a jusante downstream e que promovem o desenvolvimento de ca racterísticas epidérmicas A análise molecular suporta e re fina esse modelo mostrando que os produtos proteicos de ambos os genes se ligam a sequências de reconhecimen to específicas de oito pares de bases compartilhadas por promotores de genes que são transcritos em níveis mais elevados na epiderme Figura 1716C Os próprios genes ATML1 e PDF2 contêm essa mesma sequência de reconhe cimento sugerindo que sua expressão é mantida por cir cuito de retroalimentação positivo positive feedback loop Entretanto a natureza dos sinais que limitam a expressão desses genes à epiderme permanece obscura Precursores procambiais para o estelo encontramse no centro do eixo radial É fácil imaginar que as propriedades geométricas únicas no centro do embrião em desenvolvimento proporcionariam mais sinais potenciais de posicionamento para a padroniza ção de tecidos ao longo do eixo radial com tecidos vascula res do estelo finalmente ocupando as posições mais centrais Análises genéticas e de desenvolvimento sugerem que esse processo é progressivo com divisões periclinais produzindo Coração tardio Corte transversal do estágio tardio de coração Globular inicial Globular Estágio de 16 células Globular tardio Hipófise Protoderme Primórdio vascular Célula lenticular Tecido fundamental Periciclo Epidermecélulatronco lateral da coifa Epiderme Lateral da coifa Parênquima corticalcélulatronco da endoderme e filhas Parênquima cortical Endoderme Estelo vascular e célulastronco Periciclo e célulastronco Centro quiescente Columela e hipófise Figura 1715 Um resumo da sequência de eventos do padrão radial durante a embriogê nese de Arabidopsis Os cinco estágios embrionários sucessivos mostrados em corte longitu dinal ilustram a origem de tecidos distintos iniciando com o delineamento da protoderme à esquerda e terminando com a formação dos tecidos vasculares à direita Observe como o número de tecidos aumenta devido à atividade de célulastronco Uma vista em corte transver sal da porção basal do embrião em estágio de coração tardio é mostrada bem à direita o nível do corte transversal é mostrado pela linha no corte longitudinal a sua esquerda Taiz17indd 493 Taiz17indd 493 27102016 154046 27102016 154046 494 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento primeiro camadas adicionais de células ao longo do eixo ra dial que então se torna padronizado para destinos particu lares pela atividade de redes de genes específicos Por exem plo mutantes de Arabidopsis que são deficientes para o gene WOODEN LEG WOL não conseguem passar por um ciclo crítico de divisões celulares que normalmente produz pre cursores para o xilema e o floema Figura 1717 Esse defeito provoca o desenvolvimento de um sistema vascular que con tém elementos de xilema mas não de floema O gene WOL também conhecido como CYTOKININ RESPONSE1 CRE1 codifica um dos diversos receptores relacionados para cito cinina pressupondo esse hormônio no estabelecimento de elementos do padrão radial ver Capítulo 15 Entretanto es ses defeitos podem ser reparados revertendo um fenótipo pela alteração de um segundo fator pelo fass ie fazendo um wolfass mutante duplo que causa séries adicionais de divisões celulares Assim parece que a ausência de floema em wol pode refletir simplesmente a ausência de uma cama da de células precursoras apropriadamente posicionadas em vez da incapacidade de especificar a identidade da célula do floema A diferenciação de células corticais e endodérmicas envolve o movimento intracelular de um fator de transcrição O desenvolvimento de tecidos corticais da endoderme e do parênquima cortical proporciona um exemplo clássi co de como o processo de padronização radial pode ser regulado pela atividade gênica comunicada entre cama das adjacentes Dois genes de Arabidopsis SCARECROW SCR e SHORTROOT SHR são essenciais para a forma ção normal de camadas de células corticais e endodérmi cas As sequências similares de proteínas codificadas por esses dois genes os colocam na família GRAS de fatores de transcrição cujo nome deriva dos primeiros membros conhecidos GIBBERELLININSENSITIVE GAI REPRES SOR OF GA13 RGA e SCR Mutantes em que ou a atividade de SCR ou a de SHR é reduzida não conseguem experimentar uma série de divi 10 μm 10 μm A Tipo selvagem B Mutante atml1pdf2 C Análise de retardamento em gel 1 2 3 4 5 6 7 Mesofilo Epiderme Figura 1716 Os genes ATML1 e PDF2 são requeridos para o esta belecimento de uma epiderme normal Comparação de A uma plan ta do tipo selvagem e B um mutante duplo atml1pdf2 que apresenta semelhança entre as camadas superficiais do mutante com o mesofilo da planta do tipo selvagem parcialmente exposto em A C A análise de retardamento em gel mostra que a proteína PDF2 se liga especifica mente a uma sequência definida encontrada em promotores de genes regulados por PDF2 tais como PDF1 Uma sonda nucleotídeo21 mar cada L1 com a mesma sequência da região L1 do promotor de PDF1 foi mesclada com uma proteína de ligação à maltose fusionada a PDF2 MBPPDF2 Sonda de DNA unida à proteína produzindo um comple xo marcado que pode ser visto como uma banda no gel raia 2 seta Nenhum complexo foi produzido se L1 foi mesclado com a proteína de ligação à maltose sozinha raia 1 ou se MBPPDF2 foi mesclado com uma sonda L1 mutada raia 7 A marcação do complexo diminuiu quando uma sonda L1 não marcada competidor foi adicionada em quantidades crescentes 100 300 ou 1000 vezes em excesso raias 3 4 e 5 De Abe et al 2003 30 μm A Tipo selvagem B Mutante wol Protoxilema Periciclo Elementos crivados do protofloema Figura 1717 O receptor de citocinina codificado pelo gene WOO DEN LEG WOL de Arabidopsis ver Capítulo 15 é necessário para o desenvolvimento normal do floema A comparação de A tipo selva gem e B raízes do mutante wol evidencia uma ausência de elementos do floema em wol que é acompanhada por uma aparente redução no número de camadas de células De Mähönen et al 2000 Taiz17indd 494 Taiz17indd 494 27102016 154046 27102016 154046 Capítulo 17 Embriogênese 495 sões celulares que produzem as duas camadas que depois se diferenciam como parênquima cortical e endoderme se parados Mutações nos dois genes bloqueiam a série de di visões celulares que criam essas camadas separadas Figura 1718 Nos mutantes scr a única camada remanescente exi be características tanto de endoderme como de parênquima cortical sugerindo que o mutante ainda é capaz de expres sar essas características mas é incapaz de separálas em camadas distintas Essa interpretação é apoiada pela capa cidade de fass de restabelecer padrões de crescimento mais normais Assim como resgata wol fass parece compensar o defeito de divisão de scr e assim fornece camadas separa das nas quais podem ser expressas características distintas de endoderme e parênquima cortical O mutante shr não somente exibe um defeito na di visão celular similar ao de scr mas é também incapaz de elaborar características celulares típicas da endoderme Na camada única não dividida do shr faltam as características da endoderme como a estria de Caspary e em vez disso exibe atividades gênicas que normalmente são limitadas ao parênquima cortical Essa aparente exigência da atividade do gene SHR para especificar características endodérmicas é confusa uma vez que a expressão do mRNA de SHR nor malmente é restrita a tecidos próvasculares mais internos Análises mais detalhadas envolvendo o uso de proteí nas marcadas por fluorescência têm abordado esse para doxo mostrando que embora o mRNA de SHR seja confi nado ao cilindro vascular seu produto de tradução não é A proteína SHR é capaz de moverse para a camada mais externa adjacente via plasmodesmos onde ela tem várias atividades incluindo a promoção aumentada da transcri ção de SCR Após a tradução do mRNA de SCR SHR for ma um heterodímero com a proteína SCR para aumentar a transcrição de genes associados com os programas de de senvolvimento da endoderme Figura 1719 A contribui ção da proteína SHR para a diferenciação das células do parênquima cortical e da endoderme fornece um exemplo claro de como as funções de fatores de transcrição especí ficos podem depender de seu movimento entre as cama das de células Tecidos meristemáticos bases para o crescimento indeterminado O desenvolvimento de plantas apresenta um notável grau de plasticidade o que em grande parte pode ser atribuído a tecidos especializados chamados de meristemas Um meristema em geral pode ser definido como um grupo de células que retêm a capacidade de se proliferar e cujo des tino final não é rigidamente determinado mas é sujeito a modificação por fatores externos capacitando assim a planta a explorar melhor o ambiente predominante Diver sos tipos de meristemas que podem ser distinguidos com base em sua posição na planta contribuem para o desen volvimento vegetativo de plantas O meristema apical da raiz MAR e o meristema apical do caule MAC são encontrados nas extremidades da raiz e do caule respectivamente Meristemas interca lares e câmbio vascular representam tecidos proliferativos que são ladeados por tecidos diferenciados Meristemas marginais funcionam de um modo similar nas margens de órgãos em desenvolvimento Pequenos agrupamentos clusters superficiais de células conhecidos como me ristemoides dão origem a estruturas como tricomas ou estômatos ver Ensaio 172 na internet para um resumo histórico dos meristemas vegetais Nas seções seguintes serão consideradas as características básicas dos meriste mas apicais da raiz e da parte aérea bem como do câmbio vascular que fazem deles modelos úteis para compreender os mecanismos que controlam a divisão de células e a de terminação de seus destinos Os meristemas apicais de raiz e de caule utilizam estratégias similares para possibilitar o crescimento indeterminado Embora possa ser difícil imaginar duas partes de uma planta mais diferentes do que um caule e uma raiz certas características do MAR e do MAC e os papéis que eles desempenham em possibilitar padrões indeterminados de crescimento ensejam comparações Cada uma dessas estruturas apresenta células em um grupo espacialmen Epiderme Parênquima cortical Parênquima cortical endoderme A Tipo selvagem B Mutantes Xilema Xilema Floema Floema scarecrow scr shortroot shr Coifa wooden leg wol Periciclo Parênquima cortical Parênquima cortical Endoderme Xilema Figura 1718 Uma comparação de padrões radiais de raízes normais e mutantes mostra as funções espacialmente definidas de genes específicos A Raiz do tipo selvagem B Padrão radial de raiz defeituosa de três mutantes de Arabidopsis wooden leg wol scarecrow scr e shortroot shr De Nakajima e Benfey 2002 Taiz17indd 495 Taiz17indd 495 27102016 154047 27102016 154047 496 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento te definido denominadas iniciais que são caracterizadas por sua lenta taxa de divisão e destino indeterminado À medida que as descendentes das iniciais são deslocadas para longe por padrões polarizados de divisão celular elas assumem vários destinos diferenciados que contri buem para a organização radial e longitudinal da raiz e do caule e para o desenvolvimento de órgãos laterais A partir dessa perspectiva é claro que tanto o MAR como o MAC devem ter mecanismos que equilibrem a produção de novas células com o recrutamento contínuo de células em tecidos diferenciados É possível que os as pectos comuns do comportamento de MAR e de MAC possam ser atribuídos a mecanismos subjacentes simila res Como esses mecanismos são regulados para manter as organizações características do caule e da raiz e possibi litar respostas adaptativas do crescimento a uma gama de ambientes Os distintos padrões de crescimento e organo gênese na raiz e no caule impõem necessidades especiais para a função de MAR e de MAC Para responder a essas perguntas discutemse as características básicas do MAR e do MAC bem como exemplos de rotas de sinalização geneticamente definidas que contribuem para seu estabe lecimento e manutenção O meristema apical da raiz Muitos aspectos do crescimento da raiz refletem adap tações às exigências do ambiente As raízes que fixam a planta e absorvem água e nutrientes minerais do solo exibem padrões complexos de crescimento e tropismos que as permitem explorar e tirar proveito de um ambiente heterogêneo cheio de obstáculos ver Capítulo 8 Apesar de as células produzidas pelo MAR se dividirem se dife renciarem e se alongarem à medida que se distanciam do ápice de modo muito semelhante às suas corresponden tes no caule emergências laterais como pelos ou ramifi A Raiz do tipo selvagem Expressão de mRNA de SHR B Raiz do tipo selvagem Expressão da proteína SHR D Raiz mutante shr Expressão de mRNA de SCR C Raiz do tipo selvagem Expressão de mRNA de SCR 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm Epiderme Epiderme Epiderme Parênquima cortical Endoderme Centro quiescente Cilindro vascular CEI Cilindro vascular Cilindro vascular Cilindro vascular Camada de células mutantes Parênquima cortical Endoderme Centro quiescente Célulasfilhas CEI Figura 1719 Os genes SHORTROOT SHR e SCARECROW SCR de Arabidopsis controlam a padronização do tecido durante o desenvolvi mento da raiz Aqui mRNAs ou proteínas para SHR e SCR foram locali zados por microscopia confocal de varredura a laser A e B Expressão de SHR A Durante o desenvolvimento inicial da raiz a atividade do promotor SHR é restrita ao estelo conforme visualização usando uma fusão promotor SHRproteína fluorescente verde GFP B A proteína SHR mostra um padrão de localização distinto que inclui o estelo cen tral e também o núcleo da endoderme adjacente conforme visualização usando uma fusão promotor SHR região codificante GFP C e D Expressão de SCR monitorado usando uma fusão promotor SCRGFP C Em raízes do tipo selvagem o SCR é transcrito no centro quiescente CQ na endoderme e nas célulastronco parênquima corticalendodér micas CEI de corticalendodermal stem cell Não está presente no pa rênquima cortical no cilindro vascular ou na epiderme D A expressão de SCR é marcadamente reduzida na raiz mutante shr e agora aparece apenas na camada celular mutante que possui características tanto de endoderme como de parênquima cortical De Helariutta et al 2000 Taiz17indd 496 Taiz17indd 496 27102016 154047 27102016 154047 Capítulo 17 Embriogênese 497 cações laterais se formam mais distante da ponta da raiz em regiões onde o alongamento celular está completo Essa separação espacial que auxilia a evitar dano a órgãos laterais a partir de forças de cisalhamento proporciona uma boa oportunidade para focalizar apenas processos na ponta da raiz que servem para manter um conjunto de iniciais e para regular sua atividade de divisão Na seção seguinte será considerada mais detalhadamente a geração da organização da raiz no ápice discutindo as diferenças regionais no comportamento celular que contribuem para o crescimento e a funcionalidade da raiz Será revisada então a evidência experimental sugerindo que o cresci mento coordenado da raiz depende de uma combinação de programas de atividade gênica dependentes de auxina e de citocinina que são coordenados por classes especí ficas de fatores de transcrição e reguladores de resposta A extremidade da raiz possui quatro zonas de desenvolvimento Os atributos básicos do desenvolvimento da raiz podem ser melhor descritos pelas suas primeiras zonas distin guidas dentro da raiz com comportamentos celulares característicos Embora seja impossível definir seus limi tes com precisão absoluta a divisão da raiz nas seguin tes zonas proporciona uma estrutura espacial útil que é relevante para a discussão dos mecanismos subjacentes Figura 1720 A coifa ocupa a parte mais distal da raiz Ela repre senta um conjunto único de derivadas de iniciais que são deslocadas distalmente para longe da zona meris temática Os produtos diferenciados dessas divisões recobrem o meristema apical e o protegem de lesão mecânica à medida que o ápice é empurrado através do solo Outras funções da coifa incluem a percepção da gravidade para possibilitar o gravitropismo e a se creção de compostos que auxiliam a raiz a penetrar no solo e a mobilizar nutrientes minerais A zona meristemática situase logo abaixo da coifa Ela contém um grupo de células que atuam como ini ciais dividindose com polaridades características para produzir células que posteriormente se dividem e se di ferenciam nos vários tecidos maduros que constituem a raiz As células ao redor dessas iniciais têm pequenos vacúolos expandemse e se dividem rapidamente A zona de alongamento é o local de alongamento celu lar rápido e amplo Embora algumas células continuem a se dividir enquanto se alongam dentro dessa zona a taxa de divisão diminui progressivamente até zero com o aumento da distância em relação ao meristema A zona de maturação é a região em que as células ad quirem suas características diferenciadas As células entram na zona de maturação após a divisão e o alon gamento terem cessado nessa região órgãos laterais raízes laterais e pelos podem começar a se formar A diferenciação pode começar muito mais cedo mas as células não adquirem o estado maduro até alcançarem essa zona Em Arabidopsis essas quatro zonas de desenvolvimento ocupam pouco mais do que o primeiro milímetro da pon ta da raiz Em muitas outras espécies essas zonas se es tendem por uma distância mais longa mas o crescimento ainda é confinado às regiões distais da raiz A origem dos diferentes tecidos da raiz pode ser rastreada a partir de células iniciais específicas Dado o desenvolvimento progressivo e linear dos tecidos que constituem a raiz é relativamente simples rastrear sua origem a partir de células iniciais específicas na região su bapical Na maioria das raízes um corte longitudional me diano revela longas fileiras de células que convergem na Primórdio de raiz lateral Periciclo Células parenquimáticas corticais Epiderme Raiz lateral emergindo Pelo da raiz Elementos de vaso maduros Células endodérmicas diferenciadas Primeiros elementos de vaso começam a se diferenciar Máxima taxa de alongamento celular Primeiro elemento de tubo crivado começa a se diferenciar Divisões celulares cessam na maioria das camadas Máxima taxa de divisão celular Centro quiescente Zona de maturação Zona de alongamento Zona meristemática Coifa Figura 1720 Diagrama simplificado de uma raiz primária mos trando a coifa a zona meristemática a zona de alongamento e a zona de maturação Taiz17indd 497 Taiz17indd 497 27102016 154047 27102016 154047 498 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento região subapical da raiz Figura 1721A No centro dessa zona de convergência está o centro quiescente CQ as sim chamado por sua taxa de divisão celular relativamente baixa comparada com a dos outros tecidos circundantes A estreita associação física entre as iniciais que dão origem aos diferentes tecidos e as células que constituem o CQ adjacente sugere a estreita interdependência funcio nal entre esses tipos de células Alguns autores têm argu mentado que a distinção entre o CQ e as células meriste máticas adjacentes é um tanto artificial pois nas raízes de muitas plantas superiores as células que constituem o CQ se dividem ocasionalmente para repor as iniciais adjacen tes Em uma linha de raciocínio similar a atenção pode ser atraída para outras espécies vegetais cuja relação entre o CQ e as iniciais é diferente Em algumas dessas o CQ pode incluir dezenas ou centenas de células e esse núme ro pode variar durante o ciclo de vida da planta Por outro lado em algumas plantas vasculares inferiores como a pteridófita aquática Azolla uma única célula apical cen tralmente posicionada parece preencher os papéis tanto do CQ como das iniciais pela retenção de atividade mi tótica baixa mas coerente ao longo de todo o desenvolvi mento vegetativo ver Tópico 174 na internet Assim como os padrões de divisão celular associados à embriogênese o comportamento do CQ e das iniciais circundantes varia entre as espécies de plantas sugerindo que mecanismos dependentes da posição desempenham um papel importante na especificação desses tipos de células Como foi o caso para a embriogênese uma com preensão considerável sobre os mecanismos subjacentes é propiciada por modelos como Arabidopsis cujo comporta mento de células individuais pode ser facilmente monito rado As raízes de Arabidopsis são bem apropriadas a essa abordagem devido a seu pequeno tamanho e à natureza relativamente transparente As observações também são simplificadas pelo número relativamente pequeno de cé lulas da raiz de Arabidopsis e por sua acessibilidade a qual permite o monitoramento microscópico em tempo real de processos de desenvolvimento O CQ de Arabidopsis consiste em somente quatro células e como a divisão dessas células durante o desen volvimento pósembrionário é rara fatores que pertur bam a atividade do CQ ou das iniciais circundantes são facilmente reconhecidos Em Arabidopsis quatro conjuntos distintos de iniciais os quais são todos adjacentes ao CQ podem ser definidos em termos de sua posição e dos teci dos que eles produzem Figura 1721B 1 Iniciais da columela Localizadas diretamente abaixo do CQ distal a ele essas iniciais originam a porção central columela da coifa 2 Iniciais epidérmicolaterais da coifa Localizadas ao lado do CQ essas iniciais primeiro dividemse anti clinalmente para produzir célulasfilhas que então dividemse periclinalmente formando duas fileiras de células que irão se diferenciar em laterais da coifa e na epiderme 3 Iniciais corticais Localizadas internamente e adjacen tes às iniciais epidérmicolaterais da coifa as iniciais corticais dividemse anticlinalmente para produzir célulasfilhas que então dividemse periclinalmente Columela da coifa Inicial da columela Epiderme Parênquima cortical Inicial do estelo Periciclo Lateral da coifa Inicial epidérmicalateral da coifa Inicial parênquima cortical endodérmica Célula do centro quiescente Endoderme Epiderme B A Figura 1721 Todos os tecidos na raiz de Arabidopsis são derivados de um pe queno número de células iniciais no meristema apical da raiz A Corte longitudinal através do centro de uma raiz O meristema contendo as iniciais que originam todos os tecidos da raiz estão contornados em verde B Diagrama da região contornada em A Apenas duas das quatro células do centro quiescente são representadas neste corte As linhas pretas espessas indicam os planos de divisão celular que ocorrem nas iniciais As linhas brancas indicam as divisões celulares secundárias que ocorrem nas iniciais parênquima corticalendodérmicas e epidérmicolaterais da coifa De Schiefelbein et al 1997 cortesia de J Schiefelbein American Society of Plant Biologist reproduzida com permissão Taiz17indd 498 Taiz17indd 498 27102016 154047 27102016 154047 Capítulo 17 Embriogênese 499 para formar as camadas celulares do parênquima cor tical e endoderme 4 Iniciais do estelo Localizadas diretamente acima do CQ proximal a ele essas células iniciais originam o sistema vascular incluindo o periciclo Experimentos de remoção de células implicam em processos de sinalização direcional na determinação da identidade celular Para testar e refinar a hipótese de que o comportamen to de CQ e as iniciais circundantes é influenciado por processos de sinalização dependentes da posição uma série de experimentos foi realizada para estabelecer as contribuições de células específicas ao processo de de terminação Para avaliar essas contribuições os padrões altamente estereotipados de divisão celular em MAR de Arabidopsis normal foram comparados com aqueles em plantas em que uma ou mais células específicas foram destruídas ou removidas usando feixes de laser focados microscopicamente A remoção do CQ levou à divisão anormal e à diferen ciação precoce de iniciais adjacentes ver Figura 1721B su gerindo que o CQ produz um sinal móvel que atua sobre as iniciais adjacentes para impedir sua diferenciação e portan to manter sua capacidade de divisão Em um experimento relacionado a remoção de células diferenciadas adjacentes às iniciais levou estas a assumirem identidades anormais reveladas pelos tipos de células que elas produziram Es ses resultados sugerem que a especificação das identidades particulares das iniciais depende de sinais procedentes dos tecidos mais diferenciados A auxina contribui para a formação e a manutenção do MAR Assim como a auxina parece desempenhar um papel no estabelecimento da polaridade apicalbasal no embrião uma conjectura convincente pode ser feita para o envolvi mento da auxina no posicionamento do MAR e na orienta ção do seu comportamento complexo Em raízes normais a posição do CQ coincide com uma concentração máxima de auxina Quando a posição desse máximo é alterada por tratamentos químicos a posição do CQ apresenta mudan ças correspondentes Por outro lado os tratamentos que suprimem esse máximo conduzem a perda do CQ As respostas à auxina são mediadas por várias famílias distintas de fatores de transcrição Mesmo com uma compreensão de como uma distribui ção gradual de auxina através da raiz pode se alcançada ainda há necessidade de uma explicação sobre como essas diferenças na concentração induzem uma diversidade de respostas posteriores downstream incluindo em zonas lo calizadas de divisão alongamento e diferenciação celular ver Figura 1720 Uma parte da explicação envolve fatores de resposta à auxina cuja regulação pela auxina é descrita em mais detalhe no Capítulo 15 Acima de alguma con centração limiar a auxina desencadeia a degradação dos repressores AIAAUX que caso contrário se ligariam a ARFs como MONOPTEROS MP e assim bloqueariam sua capacidade de regular a transcrição Como no estabe lecimento da raiz durante a embriogênese MP e outros ARFs desempenham papéis dependentes de auxina para a manutenção da raiz durante o crescimento vegetativo Enfoques genéticos têm revelado tipos adicionais de fa tores de transcrição que atuam a jusante downstream dos ARFs para coordenar aspectos específicos do crescimento da raiz Figura 1722 Dois desses fatores de transcrição pertencendo à classe de fator de resposta a AP2Etileno são Expressão dependente de auxina de MP e NPH4 MP e NPH4 promovem a expressão de PLT PLT induz a expressão de SCR e SHR A combinação de PLT SCR e SHR direciona a formação do centro quiescente e induz a expressão de WOX5 PLT MP e NPH4 SCR e SHR A B C Centro quiescente Célulastronco PLT WOX5 Figura 1722 Modelo para a especificação da identidade celu lar na raiz A Expressão inicial dos genes MONOPTEROS MP e NONPHOTOTROPIC HYPOCOTYL 4 NPH4 dependentes de auxina MP e NPH4 promovem a expressão de PLETHORA PLT em um do mínio basal B PLT promove a expressão de SCARECROW SCR e SHORTROOT SHR C A combinação da expressão gênica de PLT SCR e SHR direciona células posicionadas centralmente a se torna rem o centro quiescente CQ induzindo também a expressão de WOX5 que contribui para a manutenção das células iniciais circun dantes A área contornada em vermelho contém célulastronco De Aida et al 2004 Taiz17indd 499 Taiz17indd 499 27102016 154047 27102016 154047 500 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento codificados pelos genes PLETHORA 1 PLT1 e PLETHORA 2 PLT2 Na zona de concentração elevada de auxina que inclui o CQ a expressão desses dois genes PLT é ativada Mutantes em que os genes PLT foram alterados são incapa zes de formar ou manter um CQ funcional sugerindo que esses genes normalmente regulam programas de transcri ção essenciais para esses processos De modo inverso a ex pressão artificial de genes PLT em regiões mais proximais da raiz provoca a formação de um CQ ectópico Juntos esses experimentos dão sustentação a modelos nos quais a auxina fornece sinais de posição que levam a programas específicos de transcrição Esses programas por seu turno fazem a me diação de comportamentos celulares específicos que contri buem para a formação e a manutenção do MAR Genes WOX WUSCHEL homeobox codificam uma terceira família de fatores de transcrição que desempe nham papéischave não somente no MAR mas também como será visto no MAC e no câmbio vascular Genes dessa família contêm uma forma característica de motivo homeobox de ligação de DNA homeobox DNA binding mo tif que foi primeiro descrito em WUS um gene que é es sencial tanto para a formação como para a manutenção do MAC Similar à dos genes PLT a expressão de vários genes WOX específicos de raiz parece sensível à auxina confor me mostrado por alterações na distribuição de transcritos do gene WOX em mutantes mp ou bdl nos quais faltam certas atividades dependentes de auxina relacionadas à raiz Um desses genes WOX WOX5 é expresso em um pequeno grupo de células na ponta da raiz que inclui o CQ e nas iniciais circundantes O padrão muito focalizado de expressão WOX5 é determinado por uma combinação de atividades de PLT SCR e SHR Similar a WUS que funcio na no MAC para manter uma população de iniciais indife renciadas como será discutido mais tarde neste capítulo WOX5 parece desempenhar um papel análogo na raiz onde sua expressão no CQ ajuda a manter células iniciais adjacentes evitando sua diferenciação prematura ver a se guir discussão sobre mecanismos comparáveis no MAC e no câmbio vascular Citocinina é exigida para o desenvolvimento normal da raiz Embora muito da discussão sobre crescimento e desenvol vimento da raiz tenha focalizado a auxina estudos recen tes também têm atraído a atenção para interações cruzadas entre a sinalização de citocinina e auxina As atividades contrastantes desses hormônios foram observadas primei ramente em estudos fisiológicos com culturas de células indiferenciadas conhecidas como calo ver Figura 1511A A aplicação de misturas desses hormônios em diferentes proporções ao calo resultou em uma geração de partes aére as ou raízes com níveis mais elevados de citocinina favore cendo a formação de partes aéreas e níveis mais elevados de auxina promovendo a formação de raízes A auxina é larga mente sintetizada na parte aérea e transportada em direção à raiz via transportadores ABCB e PIN de auxina enquanto a citocinina sintetizada na raiz se move em direção à parte aérea no xilema Essas observações resultaram no conceito de regulação antagonística auxinacitocinina do desenvol vimento da parte aérea e da raiz O uso generalizado da decapitação da parte aérea para remover o suprimento de auxina e da aplicação de auxina adicional para manipular a dominância apical em horticultura apoiou ainda mais esse modelo Entretanto mais recentemente foi mostrado que a estrigolactona outro hormônio interage com a auxina para regular a arquitetura da parte aérea Os fatores que contro lam a dominância apical e a ramificação da parte aérea são descritos em mais detalhe no Capítulo 19 Embora os elementos conhecidos que constituem as rotas de transdução de sinal da citocinina e da auxina sejam bastante distintos abordagens experimentais similares têm se mostrado úteis para a análise das duas rotas Aborda gens análogas ao desenvolvimento de fusões de repórte res DR5 e DIIVenus que proporcionam uma medição da atividade de auxina ver Capítulo 15 foram desenvolvidas para citocinina em que sequências promotoras ativadas por citocinina são fundidas aos genes repórteres GUS ou GFP Os resultados dessa abordagem baseada em repórte res sugerem que a sinalização da citocinina começa cedo no desenvolvimento da raiz na hipófise do embrião globular Depois da divisão da hipófise a expressão da citocinina é perdida na célula basal mas é retida na célula apical que se divide posteriormente para formar o CQ Ao mesmo tem po repórteres para auxina com base no DR5 mostram um padrão de expressão inverso sugerindo que a auxina e a citocinina têm atividades opostas Figura 1723 Análises moleculares e genéticas adicionais sugerem que a perda da atividade da citocinina em células basais cau sa alterações na organização do MAR e é uma consequência direta da alta atividade da auxina Dois genes que reprimem a resposta à citocinina ARR7 e ARR15 têm elementos de resposta à auxina AuxRE de auxin response elements em seus promotores sugerindo que como os repórteres DR5 eles são regulados por auxina A deleção artificial desses ele mentos reduz a expressão de ARR7 e ARR15 na célula basal levando à atividade de citocinina ectópica A perturbação da expressão de ARR7 e ARR15 resulta em fenótipos anormais sugerindo que a supressão da sinalização de citocinina na célula basal é essencial para o desenvolvimento normal Tra balhos mais recentes reforçaram a visão de que a sinalização com base em citocinina e seu antagonismo com a sinaliza ção e o transporte de auxina desempenham um papel sig nificante no MAR possibilitando divisões celulares infre quentes que algumas vezes são observadas em CQ O meristema apical do caule Assim como o meristema apical da raiz o meristema api cal do caule defrontase com a tarefa de manter conjuntos de células indeterminadas que possibilitem o crescimento indeterminado Figura 1724 Como discutido anterior mente entretanto há diferenças significativas entre os dois tipos de meristema sobre como as descendentes des sas células se tornam incorporadas em órgãos Enquanto Taiz17indd 500 Taiz17indd 500 27102016 154047 27102016 154047 Capítulo 17 Embriogênese 501 a iniciação das raízes laterais ocorre bem atrás da ponta da raiz ver Capítulo 18 as folhas e os ramos axilares as sociados formamse em estreita proximidade às iniciais apicais no caule No lugar da coifa que protege as iniciais apicais da raiz os primórdios foliares jovens sobrepõem se e envolvem a extremidade do caule Dado o conjunto concentrado de atividades na extre midade do caule uma terminologia anatômica específica provou ser útil para sua descrição Nesse contexto a de nominação meristema apical do caule referese especifica mente às células iniciais e suas derivadas indiferenciadas mas exclui regiões adjacentes do ápice que contêm células completamente comprometidas com destinos desenvolvi mentais particulares O termo mais inclusivo ápice cauli nar se refere ao meristema apical acrescido dos primórdios foliares formados mais recentemente Assim como nos exemplos anteriormente considera dos envolvendo embriões e raízes o tamanho a forma e a organização do MAC variam de acordo com um núme ro de parâmetros incluindo espécies de plantas estágio de desenvolvimento e condições de crescimento As ci cas têm o maior MAC entre as plantas vasculares o qual mede mais de 3 mm de diâmetro no outro extremo o MAC de Arabidopsis é menor do que 50 μm de diâmetro e contém apenas umas poucas dúzias de células Dentro de uma dada espécie variações significativas no tamanho do MAC também podem ocorrer ao longo do tempo e a forma do MAC pode variar desde plana até abaulada Al gumas dessas variações estão associadas a séries suces sivas de iniciação foliar em que grupos de células sobre os flancos do MAC se tornam comprometidas com um destino determinado Variações posteriores podem estar relacionadas a diferenças sazonais na taxa de crescimento incluindo o início da dormência ou do florescimento Nas seções seguintes será considerada inicialmente a organização básica do MAC discutindo em detalhes as diferenças regionais no comportamento celular que contri buem para sua função Após serão discutidas as evidências que sugerem que assim como o MAR o MAC depende de diferenças localizadas em hormônios e da atividade de fa tores de transcrição para sua formação e manutenção N de T Designação comum às plantas do gênero Cycas Gimnos permae A TCSGFP B TCSGFP C ARR7GFP D ARR15GFP E DR5GFP hp s cl cb s P4 P2 P3 P1 Figura 1723 Correlação inversa entre a si nalização por citocinina e auxina no embrião A Expressão de TCSGFP um repórter para citocinina na hipófise no estágio globular ini cial B Regulação descendente downregu lation da expressão de TCSGFP na linhagem de células basais no estágio globular tardio C A expressão de ARR7GFP é mais alta na linhagem de células basais D Padrão de ex pressão de ARR15GFP ARR7 e ARR15 são genes que suprimem a resposta à citocinina E A expressão de DR5GFP um repórter res ponsivo à auxina é mais elevada na linhagem de células basais Os cortes em caixa no painel superior são ampliados embaixo interpreta ções esquemáticas são mostradas na parte inferior Abreviações hp hipófise cb célula basal cl célula lenticular s suspensor De Müller e Sheen 2008 Figura 1724 Ápice do caule de tomateiro Esta micrografia obtida por MEV mostra as características básicas de ápice caulinar incluindo uma re gião central em forma de domo que mantém iniciais indiferenciadas iniciais não direcionadas e uma série de primórdios foliares P1 P2 P3 que emer giram sucessivamente em posições laterais nos flancos do ápice caulinar P4 indica a base de um primórdio foliar mais velho que foi removido para expor os primórdios mais jovens De Kuhlemeier e Reinhardt 2001 cortesia de D Reinhardt Taiz17indd 501 Taiz17indd 501 27102016 154047 27102016 154047 502 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento O meristema apical do caule tem zonas e camadas distintas A discussão da organização celular do MAC é uma base importante para uma descrição mais detalhada de seu crescimento e desenvolvimento Sua organização é mais bem avaliada pelo exame ao microscópio de ápices cauli nares Cortes longitudinais de ápices caulinares revelam uma zonação um termo originalmente desenvolvido para descrever as diferenças citológicas regionais na organi zação do MAC de gimnospermas mas que foi estendido para outras espermatófitas para descrever diferenças re gionais na divisão celular Figura 1725 No centro de um MAC ativo localizase a zona cen tral ZC contendo um grupo de células de divisão pouco frequente que podem ser comparadas às células similares que constituem o CQ das raízes Uma região em seu flan co conhecida como zona periférica ZP consiste em célu las com citoplasma denso que se dividem mais frequente mente produzindo células que depois serão incorporadas aos órgãos laterais como folhas Uma zona medular ZM centralmente posicionada mais proximal à ZC contém cé lulas em divisão que dão origem aos tecidos internos do caule ver Figura 1725A Além dessas diferenças regionais na frequência da di visão padrões distintos na polaridade de divisão celular também são observados Na maioria das espécies de angios permas essas diferenças são refletidas na organização em camadas das células superficiais que às vezes são referidas coletivamente como túnica Uma ou mais camadas adjacen tes que constituem a túnica são definidas por um padrão consistente de divisão celular anticlinal que tem o efeito de produzir um tecido de espessura uniforme que pode ser fa cilmente reconhecido em corte transversal Em comparação as células dispostas no interior da túnica conhecidas como corpo exibem polaridades de divisão mais variáveis que levam a aumentos no volume do tecido Na seção seguinte serão discutidos métodos sofisticados para rastrear padrões de divisão celular que proporcionam ideias sobre processos que mantêm a organização característica de MAC Os tecidos do caule são derivados de vários conjuntos discretos de iniciais apicais Estudos das relações de linhagens celulares indicam que assim como os tecidos da raiz os tecidos do caule são de rivados de um pequeno número de iniciais apicais Em estudos clássicos a substância química colchicina foi apli cada em ápices caulinares para a formação suplementar de células poliploides Essas células têm crescimento re lativamente normal mas podem ser facilmente reconhe cidas por seu volume nuclear e tamanho celular aumenta do Figura 1726 O exame de ápices caulinares cortados de plantas tratadas e permitidas crescerem por um tempo revelou grandes setores de células poliploides que eram confinados a camadas específicas e que se estendiam nas regiões apicais O tamanho e a forma de cada setor pode riam ser explicados pela suposição de que se originou de uma de um pequeno número de iniciais apicais Análises de um grande número desses setores marca dos tanto de camadas superficiais como de tecidos mais profundos indicam que vários conjuntos discretos de iniciais em geral são mantidos no MAC Um conjunto de iniciais superficiais dá origem a uma camada epidérmica clonalmente distinta denominada L1 enquanto conjuntos mais internos de iniciais dão origem à camada subepidér mica L2 e a uma camada centralmente posicionada L3 ver Figuras 1725B e 1726 Em muitos casos os setores mar cados englobam apenas uma porção da circunferência do A B ZC ZM ZP ZP Divisão celular rápida Célulastronco Tecidos centrais do caule L2 L1 L3 Figura 1725 O meristema apical do caule de Arabidopsis pode ser analisado em termos de zonas citológicas ou camadas celula res A O meristema apical do caule possui zonas citológicas que representam regiões com identidades e funções diferentes A zona central ZC contém células meristemáticas que se dividem lenta mente mas constituem a fonte definitiva dos tecidos que formam o corpo da planta A zona periférica ZP em que as células se dividem rapidamente circunda a zona central e produz os primórdios folia res Uma zona medular ZM localizase no interior da zona central e gera os tecidos centrais do caule B O meristema apical do caule também possui camadas celulares que contribuem para tecidos es pecíficos do caule A maioria das divisões celulares é anticlinal nas camadas externas L1 e L2 ao passo que os planos de divisões celu lares são orientados mais aleatoriamente na camada L3 A camada mais externa L1 gera a epiderme do caule as camadas L2 e L3 geram tecidos internos De Bowman e Eshed 2000 Taiz17indd 502 Taiz17indd 502 27102016 154048 27102016 154048 Capítulo 17 Embriogênese 503 caule sugerindo que cada camada deriva de um pequeno número de iniciais Análises de linhagens celulares mostram que as identidades das células iniciais são determi nadas por mecanismos dependentes de posição Setores marcados que se estendem às regiões api cais do caule podem exibir mudanças abruptas na largura ou na espessura ao longo do tempo Essas mudanças podem ser explicadas por divisões oca sionais que levam a um acentuado deslocamento das iniciais que também podem ser deslocadas por células adjacentes a elas Esse comportamen to dinâmico indica que as identidades das iniciais apicais incluindo seus padrões de divisões carac terísticos refletem sua posição relativa próxima à ponta do ápice caulinar em vez de uma rígida identidade progra mada Do mesmo modo as identidades de células deriva das dessas iniciais também parecem ser em grande parte determinadas por mecanismos dependentes de posição Se uma divisão periclinal incomum leva uma derivada de uma célula L2 a adotar uma posição superficial essa célula em geral irá adotar uma identidade epidérmica que reflete sua nova localização Fatores envolvidos no movimento e nas respostas de auxina influenciam a formação do MAC O estabelecimento do MAC assim como o do MAR é ligado a padrões complexos de transporte intercelular de auxina Durante os estágios iniciais da embriogênese a distribuição polar de proteínas PIN em especial PIN1 provoca a acumulação de auxina em regiões apicais con tudo no início do estágio de coração uma inversão na dis tribuição de proteínas PIN leva a uma redistribuição de auxina basalmente dirigida Os fatores que determinam essas mudanças não são completamente compreendidos mas mudanças no estado de fosforilação de PIN mediadas pela quinase PINOID e pela fosfatase PP2 podem ter efei tos significativos sobre a localização de PIN ver Capítulo 19 Além disso porém menos direto aportes inputs na localização das proteínas PIN são sugeridos pelos fenóti pos que resultam de genes defeituosos que codificam vá rias classes distintas de fatores de transcrição incluindo membros das famílias KANADI DORNRÖSCHEN e HD ZIP III Os padrões alterados de desenvolvimento embrio nário associados com esses mutantes foram interpretados como causados por mudanças na distribuição de proteínas PIN que precedem quaisquer alterações evidentes no crescimento ou na divisão celular Uma consequência do complexo padrão de movi mento de auxina no embrião é a formação de uma região apical central onde as atividades dependentes de auxi na são baixas em relação àquelas nas regiões dos flancos Figura 1727 O transporte de auxina para fora dessa região converge com os fluxos superficiais ascendentes ao longo dos flancos do embrião para criar um máxi mo de auxina nas extremidades dos cotilédones em de senvolvimento Esses pools de auxina alimentam fluxos descendentes que convergem no hipocótilo para então continuar a formar o máximo de auxina no CQ discu tido anteriormente ARFs assim como MP e o estreita mente relacionado NONPHOTOTROPIC HYPOCO TYL 4 NPH4 são ativados por auxina para promover o desenvolvimento vascular reforçando ainda mais esse padrão de transporte direcional Mutantes carentes de MP e NPH4 não são somente deficientes em estruturas basais tal como a raiz mas também são carentes em cotilédones As similaridades desses fenótipos àqueles associados com mutações que afetam os transportes de auxina mediados por PIN são coerentes com os modelos nos quais MP e NPH4 possibilitam respostas dependen tes de auxina A formação embrionária do MAC requer a expressão coordenada de fatores de transcrição Embora muitos tipos de genes provavelmente sejam im portantes na formação e na manutenção do MAC triagens para mutantes que bloqueiam a formação do MAC realçam a significância de três classes adicionais de fatores de trans crição Um deles é codificado por WUS e destacase por pertencer à mesma família de fatores de transcrição home odomínio que inclui WOX5 que foi anteriormente descrito como desempenhando um importante papel no MAR WUS é expresso em regiões subapicais tão cedo quanto o estágio embrionário de 16 células Figura 1728 e como será dis cutido em mais detalhe desempenha um importante papel na especificação e manutenção da identidade das iniciais apicais do MAC Mais tarde durante o estágio de transição Figura 1726 Em ápices de caule tratados com col chicina uma das camadas de células contém núcleos po liploides 8n aumentados demonstrando a presença de camadas distintas clonais no meristema apical do caule De Steeves e Sussex 1989 Controle 2n 2n 2n L1 L2 L3 8n 2n 2n 2n 8n 2n 2n 2n 8n Taiz17indd 503 Taiz17indd 503 27102016 154048 27102016 154048 504 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Estágio de transição Início do estágio de coração Meristema A B C Cotilédone Auxina Auxina CUC CUC Meristema apical do caule Zona intercotiledonar Auxina Auxina Auxina Auxina Lado adaxial Adaxial Abaxial Lado abaxial Tipo selvagem cuc1cuc2 Adaxial Abaxial MP NPH4 MP NPH4 Coração tardio Meristema caulinar da plântula Globular inicial Estágio de 16 células Globular tardio Transição Adaxial Abaxial Central zone Peripheral zone Zona periférica Zona medular Folha Folha Expressão do WUS WUS ANT ANT CUC2STM CUC2 STM CLV3 Indução da expressão de CLV3 Figura 1728 A formação da região apical envolve uma sequên cia definida de expressão gênica A série superior ilustra o surgi mento precoce da expressão de WUS em uma camada interna que induz a expressão de CLAVATA3 CLV3 em camadas de células ex ternas adjacentes A expressão de AINTEGUMENTA ANT propor ciona um marcador para a identidade foliar ou cotiledonar A série inferior exibe cortes transversais no nível indicado pela linha traceja da acima e enfatiza os padrões de expressão gênica que demarcam as regiões cotiledonares e apicais caulinares emergentes De Laux et al 2004 Figura 1727 Um modelo para o estabeleci mento do padrão dependente de auxina do ápi ce caulinar A Direção do transporte de auxina setas durante o estágio de transição e o início do estágio de coração em embriões de Arabi dopsis B e C Cortes transversais como mostra do em A através da região apical de um embrião do tipo selvagem B e de um duplo mutante gênico CUPSHAPED COTYLEDON CUC cuc1 cuc2 C mostrando a região do embrião que se desenvolverá no meristema apical do caule nas zonas intercotiledonares e nos domínios ada xial e abaxial do cotilédone No embrião do tipo selvagem o MAC e as zonas intercotiledonares possuem níveis baixos de auxina e consequen temente níveis elevados de CUC ao passo que o padrão oposto é observado nos primórdios cotiledonares laterais flancos Em um mutante cuc1cuc2 os cotilédones não conseguem se se parar impedindo portanto a formação de um meristema apical do caule De Jenik e Barton 2005 Taiz17indd 504 Taiz17indd 504 27102016 154048 27102016 154048 Capítulo 17 Embriogênese 505 fatores de transcrição da classe NAC codificados por CUP SHAPED COTYLEDON CUC 1 e 2 são expressos em um faixa posicionada apicalmente entre os dois cotilédones em desenvolvimento ver também Figura 1727B Finalmente durante o estágio de coração essa sequência de ativação gênica conclui como outra classe de fatores de transcrição homeodomínio codificada por SHOOT MERISTEMLESS STM tornase expressa em um domínio circular contido dentro do domínio de expressão CUC Juntos WUS e STM parecem ajudar a manter as células em um estado no qual elas podem proliferar e assim assegurar que o crescimento e a diferenciação de tecidos da parte aérea sejam equilibra dos pela produção de novas células indeterminadas A expressão localizada dos genes CUC e o subse quente surgimento de STM parecem refletir o nível re lativamente baixo de atividades dependentes de auxina nas regiões centrais apicais comparadas com aquelas de tecidos nos flancos ver Figura 1727B e C Por exemplo o bloqueio da sinalização de auxina nas regiões dos flan cos cotiledonares com mutações de MP e NPH4 leva à expressão ectópica de genes CUC nessas regiões Além disso um papel sinalizador da auxina é apoiado pela ob servação de que embriões normais tratados com inibidores do transporte de auxina ver Figura 1713 exibem defeitos cotilédones em forma de taça similares àqueles observa dos entre mutantes cuc A expressão de genes semelhantes a CUC na região apical central do embrião proporciona um ambiente que possibilita processos de padronização adicionais incluindo a expressão localizada do gene STM que inicialmente coincide com o domínio de expressão em forma de faixa stripelike de CUC porém depois se tor na focalizada em um domínio circular central Essa ex pressão depende das atividades do gene CUC visto que a expressão de STM não ocorre em embriões mutantes cuc Nos estágios finais do estabelecimento de MAC se vê a expressão de CLAVATA3 CLV3 que como será discutido rapidamente desempenha um papelchave na limitação do número de células que funcionam como iniciais apicais Uma combinação de interações positivas e negativas determina o tamanho do meristema apical Dado o contínuo recrutamento de células por vários teci dos e órgãos da parte aérea seria esperado um mecanismo altamente harmônico para ajustar a taxa na qual novas cé lulas são produzidas a fim de manter um tamanho con sistente de MAC A atividade do gene WUS parece essen cial para a manutenção da identidade das iniciais apicais A perda da atividade de WUS em mutantes leva à diferen ciação das apicais iniciais na zona central bloqueando sua capacidade de se dividir e substituir células que são recru tadas por tecidos em diferenciação na zona periférica Para aprender mais sobre como WUS pode alterar a transcrição para manter a identidade das iniciais apicais os pesquisadores superexpressaram WUS transitoriamente usando um sistema induzível e após monitoraram mu danças globais nos níveis de transcritos usando microar ranjos Os níveis de transcritos de vários reguladores de resposta à citocinina ARR do tipo A que atuam para repri mir a resposta à citocinina diminuíram significativamente quando WUS foi superexpresso Experimentos adicionais usando qRTPCR para monitorar a expressão do gene ARR mostraram que esses genes foram reprimidos dentro de 4 horas e que a mesma repressão ocorreu quando a síntese proteica foi inibida por ciclohexamida Esses resultados sugerem que WUS reprime diretamente os genes ARR em vez de depender da síntese de um fator de transcrição intermediário A interação direta de WUS com os promo tores de genes ARR é sustentada também por experimentos nos quais complexos entre a proteína WUS e as sequências promotoras ARR7 foram detectados com anticorpos para WUS Abordagens genéticas complementares nas quais a superexpressão artificial de ARR7 resultou em um fenótipo do tipo wus proporcionaram evidência adicional para um papel da citocinina na manutenção de MAC Figura 1729 Ao mesmo tempo em que WUS está atuando para promover a atividade das apicais iniciais um conjunto distinto de genes conhecidos como CLAVATAs do latim em forma de clava atua de modo oposto para limitar a atividade apical inicial Três genes CLV distintos CLV1 CLV2 e CLV3 foram primeiro descritos em Arabidopsis em termos de seus fenótipos mutantes nos quais MAC se tor A C B D Figura 1729 Superexpressão de um regulador de resposta à citocinina ARR do tipo A ARR7 em fenocópias wus de Arabidop sis A Uma linha expressando fracamente tem uma morfologia do tipo selvagem B Uma linha expressando muito tem um fenótipo intermediário C Uma linha expressando intensamente tem um fe nótipo muito similar àquele de wus D Uma plântula mutante wus Barra de escala 1 mm para plântulas e 100 μm para os destaques de meristemas De Leibfried et al 2005 Taiz17indd 505 Taiz17indd 505 27102016 154048 27102016 154048 506 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento na extremamente dilatado Os fenótipos de meristemas dilatados compartilhados por mutantes sugerem que as proteínas codificadas por esses genes atuam de maneira independente Análises moleculares e bioquímicas su portam essa ideia proporcionando evidência de que as proteínas CLV interagem fisicamente entre si para fun cionar como um relé de sinalização tipo proteína quinase cujos resultados atuam para limitar o tamanho do meris tema CLV1 codifica um receptor quinase de repetição rico em leucina LRRK leucinerich repeat receptor kinase um tipo de proteína transmembrana cuja atividade quinase intracelular é ativada pela ligação de ligantes específicos ao domínio receptor extracelular rico em leucina Ver Capítulo 15 para informação adicional sobre as rotas de sinalização do receptor quinase CLV2 é muito similar a CLV1 mas não possui o domínio quinase intracelular e assim parece depender da interação com outras proteínas intracelulares para suas saídas de sinalização Um aspectochave da saída de sinalização de CLV1 e CLV2 que limita o meristema é a exigência que essas pro teínas se liguem a um pequeno peptídeo de 11 kD codifi cado por CLV3 que normalmente parece ser o fator limi tante na determinação dos níveis de saída de sinalização Em virtude dessa dependência o tamanho do meristema pode ser controlado eficientemente pela regulagem da quantidade de proteína CLV3 que então ativa uma cascata de sinalização dependente de CLV1 e CLV2 para reprimir de alguma forma o crescimento do meristema Não sur preende que o gene WUS promotor do meristema tenha sido implicado por evidência genética como um importan te alvo da repressão promovida por CLV Por exemplo em mutantes clv a transcrição de WUS é aumentada o que leva a um aumento no tamanho do MAC De modo opos to quando CLV3 é superexpresso a transcrição de WUS é reprimida levando a uma fenocópia do fenótipo mutante wus em que o meristema é perdido Parece plausível que uma diversidade de parâmetros fisiológicos e de crescimento possa influenciar o tama nho do meristema via controle dos níveis de CLV3 Um exemplo instrutivo de tal controle é visto na regulação de CLV3 por WUS cuja expressão promove a transcrição do gene CLV3 Embora essa interação possa parecer um pou co contraintuitiva dado que o próprio WUS é um alvo da repressão promovida por CLV a combinação da ativação da sinalização de CLV por WUS ao lado da inibição de WUS pela sinalização de CLV proporciona um mecanismo para estabilizar os níveis de WUS e portanto o tamanho do meristema Figura 1730 Por esse modelo o aumen to nos níveis de WUS fomentaria a expressão dos genes que promovem a identidade inicial apical em células que se situam dentro da zona central Ao mesmo tempo o au mento nos níveis de WUS também ativaria a transcrição de CLV3 aumentando assim os níveis do peptídeo CLV3 e conduzindo à repressão de WUS mediada por CLV Esse exemplo no qual a atividade de WUS é autolimitada via inibição retroalimentada mediada por CLV proporciona um dos exemplos clássicos de regulação homeostática no desenvolvimento vegetal A classe de genes homeodomínio KNOX ajuda a manter a capacidade proliferativa do MAC pela regulação dos níveis de citocinina e GA Embora a manutenção de célulastronco em MAC e MAR possa depender de mecanismos similares ambos envol vendo fatores de transcrição da família WOX WUS e WOX5 certos aspectos desses mecanismos no MAC são únicos Por exemplo a produção de órgãos laterais em es treita proximidade às células mais pluripotentes do meris tema parece requerer um nível adicional de regulação o qual é promovido por membros de outra família de fatores de transcrição homeodomínio A primeira análise funcio nal desses genes focalizou como a sua expressão ectópica WUS CLV1 CLV3 Um aumento no número de célulastronco promove a transcrição de CLV3 CLV3 um pequeno peptídeo ligase a CLV1 e suprime a expressão de WUS WUS é necessário para a manutenção do número de célulastronco À medida que o número de célulastronco diminui o nível de CLV3 é reduzido permitindo a expressão de WUS que causa um aumento no número de célulastronco 1 3 2 Figura 1730 Modelo do circuito de realimentação que mantém células iniciais no MAC Taiz17indd 506 Taiz17indd 506 27102016 154048 27102016 154048 Capítulo 17 Embriogênese 507 promoveu a formação de folhas contorcidas com protube râncias do tipo nó knotlike Logo tornouse claro entre tanto que esta classe de genes denominada KNOX devi do ao mutante original de milho KNOTTED1 e à proteína homeobox que ele codifica tem um papel proeminente na manutenção do MAC Um exemplo típico envolve o gene STM de Arabidopsis anteriormente discutido Esse gene KNOX é expresso ao longo de quase todo o corpo do me ristema mas não em grupos de células em posições nos flancos destinadas a se tornarem primórdios foliares P0 na Figura 1731 Em mutantes em que a expressão STM é deficiente o MAC não consegue se formar ou não é man tido durante o crescimento vegetativo Ideias sobre como as proteínas KNOX funcionam fo ram obtidos em experimentos que mostram que a instabi lidade do meristema associada com a perda da atividade de STM pode ser recuperada pela aplicação exógena de citocinina Além disso a expressão de STM no MAC ativa a transcrição de genes que codificam isopentenil transfe rases envolvidas na biossíntese de citocinina Essas obser vações corroboram a ideia de que em mutantes stm a cito cinina aplicada exogenamente recupera o MAC mediante compensação da biossíntese reduzida do hormônio e de que a citocinina atua para estabilizar os meristemas ver Figura 1731 ver também Figura 1729 Uma segunda funçãochave dos genes da classe KNOX é suprimir a acumulação de GA no MAC Em uma diversidade de espécies os genes KNOX mostraram repri mir diretamente a transcrição de GA 20OXIDASE1 que codifica uma enzima para uma etapa limitante da velo cidade de biossíntese da forma ativa de GA ver Figura 1731 Indiretamente as proteínas KNOX também repri mem a atividade de GA no meristema via citocinina que estimula a expressão de GA 2OXIDASE nos limites entre as folhas emergentes e o MAC GA 2OXIDASE codifica uma enzima que decompõe o GA biologicamente ativo e acreditase que esse mecanismo adicional evite o movi mento de GA ativo para o MAC a partir de folhas próxi mas em desenvolvimento p ex P4 na Figura 1731 Ex perimentos genéticos mostraram que a ativação artificial da sinalização de GA no MAC desestabiliza o meristema demonstrando que a restrição dos níveis de GA no MAC provavelmente seja um mecanismochave pelo qual os ge nes KNOX contribuem para a estabilidade do meristema Zonas localizadas de acumulação de auxina promovem a iniciação foliar Uma questão de longa data em biologia vegetal diz res peito a como é alcançada a disposição característica das folhas no caule ou filotaxia Os três padrões filotáxicos básicos denominados alternado decussado oposto e es piralado podem estar vinculados diretamente ao padrão de iniciação dos primórdios foliares sobre o meristema apical do caule Figura 1732 Esses padrões dependem de muitos fatores incluindo fatores intrínsecos que tendem a produzir uma filotaxia que é característica de uma espé cie Entretanto fatores ambientais ou mutações p ex o mutante abphyll de milho ou os mutantes clavata de Ara bidopsis que levam a mudanças no tamanho ou na forma do meristema também podem afetar a filotaxia sugerin do que o mecanismo dependente da posição desempenha papéis importantes A dependência da posição também é sustentada por experimentos clássicos nos quais foi mos trado que cortes cirúrgicos no ápice do caule perturbam o posicionamento dos primórdios foliares nas proximidades Os estudos envolvendo manipulação experimental do ápice caulinar em Arabidopsis e no tomateiro mostra ram que a auxina pode influenciar as posições das folhas Por exemplo mediante a aplicação de quantidades peque nas de auxina diretamente no meristema apical do caule primórdios foliares podem ser induzidos a se formar em posições anormais no ápice caulinar sugerindo que esse hormônio seja um fatorchave na determinação da inicia ção foliar Figura 1733 Apoio adicional a essa hipótese é proporcionado pelas mudanças nos padrões de iniciação foliar resultantes das aplicações experimentais de inibido res do transporte de auxina P0 STM GA P4 Identidade do MAC GA 2oxidase GA GA Citocinina Alternado Espiralado Decussado Figura 1732 Três tipos de arranjo foliar padrões filotáxicos ao longo do eixo caulinar Os mesmos termos são usados também para inflorescências e flores Figura 1731 Modelo de como a expressão do fator de transcri ção KNOX STM eleva os níveis de citocinina enquanto reprime GA no MAC P4 é uma folha em desenvolvimento e P0 é o local onde o próximo primórdio foliar será formado De Hudson 2005 Taiz17indd 507 Taiz17indd 507 27102016 154048 27102016 154048 508 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Diversas abordagens complementares têm agora for necido evidências convincentes de que os locais de inicia ção foliar correspondem às zonas localizadas de acumu lação de auxina Embora seja difícil medir diretamente os níveis de auxina nessas pequenas regiões máximos localizados de concentração podem ser inferidos dos re pórteres DR5 cuja atividade exibe uma estreita correspon dência com os locais de iniciação foliar A formação desses máximos pode ser explicada pela distribuição assimétrica de proteínas PIN nas células que mediaria a convergên cia de fluxos superficiais de auxina das partes basais do caule com fluxos descendentes e laterais a partir do ápice do caule ver Figura 1733A Os processos de desenvolvi mento que regulam o crescimento foliar são descritos em detalhe no Capítulo 19 O câmbio vascular Em comparação ao MAC e ao MAR posicionados termi nalmente o câmbio vascular apresenta uma organização meristemática muito distinta que se estende por quase todo o comprimento do eixo apicalbasal da planta e que atua para produzir os tecidos vasculares ao longo do eixo radial Embora a organização exata do câmbio varie consi deravelmente entre as plantas com sementes uma carac terística constante é vista no posicionamento de uma ou mais camadas de células que atuam como iniciais para os tecidos vasculares Em geral as derivadas das iniciais que são deslocadas para dentro se desenvolvem como xilema enquanto aquelas que são deslocadas para fora se desen volvem como floema Pela manutenção dessas iniciais o câmbio proporciona um meio para aumentar a capacidade de transporte vascular do caule ou da raiz à medida que a planta cresce A manutenção de iniciais indeterminadas em vários tipos de meristemas depende de mecanismos similares A despeito de algumas distinções significantes na organi zação do câmbio comparado com o MAC e o MAR cer tos aspectos comuns como a necessidade de manter um conjunto estável de iniciais sugerem que esses diferentes tipos de meristemas poderiam depender de mecanismos similares Várias linhas de análise têm sido usadas para explorar essa ideia Em um nível descritivo o câmbio mostra elevada expressão de genes que são importantes em outros tipos de meristemas incluindo genes KNOX e WOX Em anos recentes análises genéticas proporcio Local do próximo primórdio Primórdio mais recentemente formado que tem simetria radial neste estágio O primórdio começa a achatarse desenvolvendo um eixo adaxial abaxial O primórdio alongase no eixo proximaldistal P1 P3 P2 P0 Auxina Auxina Auxina ZC ZP B C 200 μm 50 μm A Figura 1733 A Os sítios de formação de folhas estão relacio nados a padrões de transporte polar de auxina Os padrões de mo vimento de auxina setas podem ser inferidos a partir da localização assimétrica das proteínas PIN P0 P1 P2 e P3 referemse às idades dos primórdios foliares P0 corresponde ao estágio em que a folha começa a evidenciar seu desenvolvimento e P1 P2 e P3 represen tam folhas progressivamente mais velhas Os primórdios foliares são iniciados onde a auxina se acumula O movimento acrópeto em direção à ponta de auxina é bloqueado na fronteira que separa as zonas central e periférica ZC e ZP respectivamente levando a um aumento dos níveis de auxina nesta posição e à iniciação de uma folha P0 O primórdio foliar formado recentemente P1 age como um dreno de auxina evitando assim a iniciação de novas folhas di retamente acima dele O deslocamento de uma folha mais madu ra P2 para longe da ZP permite que os movimentos acrópetos de auxina se restabeleçam possibilitando assim a iniciação de outra folha B Micrografia eletrônica de varredura de um meristema de inflorescência pin1 que não consegue produzir o primórdio foliar Ver Figura 1712A para uma foto de uma planta mutante pin1 C Primórdio foliar induzido no meristema de inflorescência de um mu tante pin1 pela aplicação de uma microgota de AIA em pasta de lanolina no lado do meristema A de Reinhardt et al 2003 B de Vernoux et al 2000 C de Reinhardt et al 2003 Taiz17indd 508 Taiz17indd 508 27102016 154049 27102016 154049 Capítulo 17 Embriogênese 509 naram exemplos em que a expressão desses genes mos tra contribuir para o funcionamento do câmbio provendo detalhes adicionais sobre as relações funcionais entre os tipos de meristemas Uma comparação esclarecedora que realça os me canismos similares entre os tipos de meristemas é vista nos papéis desempenhados pelos fatores de transcrição da classe WOX Como afirmado na discussão anterior as atividades de iniciais tanto no MAC como no MAR de pendem da atividade de fatores de transcrição da classe WOX WUS promove a atividade de iniciais no MAC Fi gura 1734A enquanto WOX5 contribui para a função de iniciais no MAR Figura 1734B Digno de registro experimentos envolvendo a expressão artificial de WOX5 e WUS demonstraram que esses genes são funcional mente intercambiáveis se expressos no tecido apropria do Paralelos adicionais são vistos na maneira em que as atividades de WOX5 e de WUS são suprimidas por pe quenos peptídeos relacionados CLE40 e CLV3 respec tivamente Além disso em ambos os casos os pequenos peptídeos parecem reprimir a atividade de WOX via suas interações com LRRKs Trabalhos mais recentes sugeriram que o câmbio vas cular conta com um mecanismo similar onde a manu tenção das iniciais depende da atividade de WOX4 que assim como WUS e WOX5 é regulada pela interação de pequenos peptídeos com um LRRK nesse caso PHLOEM INTERCALATED WITH XYLEMPXYTDIF RECEPTOR TDR Figura 1734C Entretanto diferente dos meriste mas apicais em que a expressão dos pequenos peptídeos leva à transcrição reduzida de WOX5 e WUS limitando assim a atividade inicial apical a expressão dos peptídeos CLE41 e CLE44 ao contrário promove a atividade de WOX4 A despeito dessa diferença o tema comum de re gulação de fatores de transcrição mediada por peptídeos sugere uma forma de controle que pode ser especialmen te apropriada para manter células iniciais em um estado indeterminado e que pode operar em distâncias relativa mente curtas Análises adicionais devem auxiliar a escla recer se os aspectos funcionalmente relacionados desses módulos reguladores refletem suas derivações a partir de um mecanismo ancestral comum versus a evolução con vergente que explorou elementos apropriados para manter as células em um estado indeterminado A Meristema apical do caule MAC B Meristema apical da raiz MAR C Procâmbiocâmbio Célulastronco da zona central Zona periférica Zona medular Folha Folha Célulastronco Centro quiescente CQ Procâmbio Floema CLV3 CLV1 CLV2 WUS Célulatronco Destino da célulatronco Célula do centro quiescente ACR4 WOX5 Célulatronco da columela CLE40 Destino da célulatronco Célula do floema PXYTDR Célula do procâmbio CLE41 CLE44 WOX4 Destino da célula tronco Centro organizador Figura 1734 Comparação de três processos de padronização distintos que exploram as interações reguladoras entre pequenos peptídeos e fatores de transcrição da classe WOX A Promoção WUS das iniciais apicais em MAC B Promoção WOX5 de iniciais em MAR C Promoção WOX4 de iniciais no câmbio vascular De Miyashima et al 2013 Taiz17indd 509 Taiz17indd 509 27102016 154049 27102016 154049 510 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento RESUMO A geração esporofítica das plantas começa com os eventos de fecundação que iniciam a embriogênese Divisões celulares regu ladas produzem o eixo polar e a simetria bilateral do embrião Tanto sinais móveis como posicionais funcionam como regulado res morfogênicos Um amplo conjunto desses mecanismos regu ladores funciona na elaboração subsequente dos órgãos vegetais durante o crescimento pósembrionário As plantas após o pe ríodo embrionário retêm meristemas nichos de célulastronco que são sítios de divisão celular indiferenciada para proporcionar o crescimento plástico e adaptativo Visão geral do crescimento e do desenvolvimento vegetal As células meristemáticas são indeterminadas e fundamentais para o crescimento e o desenvolvimento da planta Figura 171 Há três estágios principais no desenvolvimento vegetal a em briogênese o desenvolvimento vegetativo e o desenvolvimento reprodutivo Figura 172 Embriogênese as origens da polaridade Entre as espermatófitas a polaridade apicalbasal é estabeleci da no início da embriogênese Figuras 173175 Mecanismos dependentes de posição para a determinação do destino celular orientam a embriogênese Figura 177 Mutan tes de Arabidopsis demonstram que outro processo diferente de uma sequência fixa de divisão celular deve guiar a formação do padrão radial Figura 178 O potencial para o movimento intercelular de proteínas se altera durante o desenvolvimento Figura 179 Triagens de plântulas defeituosas mutantes revelam genes que são essenciais para a embriogênese normal de Arabidopsis Fi gura 1710 A auxina ácido 3indolacético pode funcionar como um sinal químico móvel durante a embriogênese Figuras 17111714 Tabela 171 A padronização radial guia a formação de camadas de tecidos Figura 1715 Dois genes de Arabidopsis estabelecem a identidade epidérmi ca normal Figura 1716 Diferentes genes estabelecem tecidos internos incluindo os te cidos vasculares e corticais Figuras 17171719 Tecidos meristemáticos bases para o crescimento indeterminado Os meristemas apicais de raiz e de caule usam estratégias simi lares para possibilitar o crescimento indeterminado O meristema apical da raiz A origem de diferentes tecidos da raiz pode ser rastreada pelos distintos tipos de células iniciais Figuras 1720 1721 O comportamento das iniciais no MAR depende da ativação de uma série de fatores de transcrição pela auxina Figura 1722 A citocinina atuando em oposição à auxina estabelece a identi dade apicalbasal das duas células que se originam da hipófise Figura 1723 O meristema apical do caule O meristema apical do caule tem uma estrutura distinta do me ristema apical da raiz Figuras 1724 1725 Os tecidos do caule são derivados de diversos conjuntos distin tos de iniciais apicais Figura 1726 Proteínas PIN determinam os níveis de auxina ao longo do MAC provocando fluxos de auxina para longe das iniciais e de sencadeando a formação de primórdios foliares Figura 1727 A formação embrionária do MAC requer a expressão coorde nada de fatores de transcrição específicos para estabelecer um conjunto de células indeterminadas com potencial para prolife ração continuada Figura 1728 O fator de transcrição WUS mantém a identidade das iniciais apicais pela suprarregulação upregulating da sinalização por citocinina no MAC Figura 1729 A atividade de WUS é autolimitada via retroalimentação media da por CLV Figura 1730 A expressão dos fatores de transcrição KNOX promove a pro dução de citocinina no MAC enquanto limita os níveis de GA Figura 1731 Os padrões filotáxicos são diretamente ligados ao padrão de formação das folhas Figura 1732 Os locais de iniciação foliar são determinados em sítios de acu mulação localizada de auxina Figura 1733 O câmbio vascular Os fatores de transcrição WOX e pequenos módulos peptídicos de sinalização são usados em vários contextos para promover a identidade de célulastronco Figura 1734 Taiz17indd 510 Taiz17indd 510 27102016 154049 27102016 154049 Capítulo 17 Embriogênese 511 Leituras sugeridas Aichinger E Kornet N Friedrich T and Laux T 2012 Plant stem cell niches Annu Rev Plant Biol 63 615636 Aloni R 1995 The induction of vascular tissue by auxin and cytokinin In Plant Hormones and their Role in Plant growth Development 2nd ed 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Cambridge University Press Cambridge UK Reinhardt D Pesce E R Stieger P Mandel T Baltensperger K Bennett M Traas J Friml J and Kuhlemeier C 2003 Regulation of phyllotaxis by polar auxin transport Nature 426 255260 Sachs T 1991 Cell polarity and tissue patterning in plants Development 113 Supplement 1 8393 Scheres B Wolkenfelt H Willemsen V Terlouw M Lawson E Dean C and Weisbeek P 1994 Embryonic origin of the Arabidopsis primary root and root meristem initials Development 120 24752487 Scheres B 2013 Rooting plant development Development 140 939941 Silk W K 1984 Quantitative descriptions of development Ann Rev Plant Physiol 35 479518 Sparks E Wachsman G and Benfey P N 2013 Spatiotemporal signalling in plant development Nat Rev Genet 14 631644 Steeves T A and Sussex I M 1989 Patterns in Plant Development Cambridge University Press Cambridge UK MATERIAL DA INTERNET Tópico 171 Dormência embrionária A capacidade das se mentes de permanecer dormentes por longos períodos e após germinar sob condições favoráveis reflete a atividade de pro gramas fisiológicos complexos Tópico 172 Embriogênese do arroz A embriogênese do arroz é típica daquela encontrada na maioria das monocotile dôneas sendo distinta da de Arabidopsis Tópico 173 Polaridade do zigoto de Fucus Uma ampla va riedade de gradientes externos pode polarizar o crescimento de células que são inicialmente apolares Tópico 174 Desenvolvimento da raiz de Azolla Estudos anatômicos da raiz da pteridófita aquática Azolla proporciona ram ideias sobre o destino celular durante o desenvolvimento da raiz Ensaio 171 Determinação do plano de divisão em células vegetais As células vegetais parecem utilizar mecanismos di ferentes daqueles utilizados por outros eucariotos para contro lar seus planos de divisão Ensaio 172 Meristemas vegetais uma visão histórica ge ral Os cientistas usaram muitas abordagens para descobrir os segredos dos meristemas vegetais Taiz17indd 511 Taiz17indd 511 27102016 154049 27102016 154049 Taiz17indd 512 Taiz17indd 512 27102016 154049 27102016 154049 Esta página foi deixada em branco intencionalmente 18 Não está morto está descansando Monthy Phyton N o Capítulo 17 foram discutidos os primeiros estágios da embriogê nese que ocorrem nas sementes das angiospermas em desenvol vimento Sementes são unidades dispersoras especializadas exclusivas da divisão Spermatophyta ou plantas com sementes Tanto nas angiospermas quanto nas gimnospermas as sementes desenvolvemse a partir dos rudi mentos seminais óvulos que contêm o gametófito feminino discutido no Capítulo 21 Após a fecundação o zigoto resultante desenvolvese em um embrião O empacotamento do embrião contido em uma semente foi uma das muitas adaptações que liberaram a reprodução vegetal da dependência da água Por isso a evolução das plantas com sementes representa um im portante acontecimento na adaptação das plantas à terra firme Neste capítulo segue a discussão da sequência do desenvolvimento pela descrição dos processos de germinação da semente e estabelecimento da plântula pela qual passa a geração das primeiras folhas fotossintetizantes e de um sistema de raízes mínimo Em geral entre a embriogênese e a germi nação há um período de maturação da semente seguido pela quiescência durante a qual a disseminação da semente ocorre A germinação é então atrasada até que as condições de água oxigênio e temperatura estejam fa voráveis para o crescimento da plântula Algumas sementes necessitam de tratamento adicional como luz ou abrasão física antes que possam germi nar condição conhecida como dormência Além de servirem como uma barreira protetora durante a embriogêne se as sementes também proporcionam a nutrição durante a embriogênese e o desenvolvimento inicial da plântula As reservas das sementes são arma zenadas em diversos tipos de tecidos Uma vez que o processo de germina ção está intimamente ligado à mobilização das reservas armazenadas é feita inicialmente uma descrição da estrutura e da composição da semente Após são considerados vários tipos de dormência da semente os quais em alguns casos devem ser superados para a germinação ocorrer É discutida então a mobilização das reservas armazenadas em diferentes tipos de tecidos sendo também explorado o papel dos hormônios na coordenação dos processos de crescimento da plântula e mobilização de reservas Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula Taiz18indd 513 Taiz18indd 513 27102016 155737 27102016 155737 514 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Durante o estabelecimento da plântula as respostas da planta à luz à gravidade e ao toque auxiliam na orien tação das raízes e da parte aérea da planta em seus res pectivos ambientes Além disso a diferenciação do tecido vascular promove a ligação crucial entre a raiz e a parte aérea para o movimento de água e minerais Por fim será descrito o processo de ramificação das raízes um estágio crucial no estabelecimento da plântula Estrutura da semente Este capítulo tem como foco as sementes das angiosper mas por causa de sua extraordinária diversidade e impor tância para a agricultura porém é importante reconhecer as diferenças básicas entre angiospermas e gimnosper mas Algumas das principais mudanças anatômicas asso ciadas à evolução das sementes são discutidas no Tópico 181 na internet Todas as sementes estão envoltas por uma camada externa protetora de células mortas denomi nada testa ou capa da semente Entretanto a testa pode em algumas situações estar fusionada com o pericarpo ou parede do fruto derivado da parede do ovário Nesse caso a semente é de fato um fruto A Tabela 181 lista alguns exemplos familiares de sementes verdadeiras ver sus frutos que se assemelham a sementes A anatomia da semente varia amplamente entre diferentes grupos de plantas O embrião da angiosperma é uma estrutura relativamen te simples que consiste no eixo embrionário e em um ou dois cotilédones O eixo é composto da radícula ou raiz embrionária do hipocótilo ao qual os cotilédones estão aderidos e do eixo caulinar portando a plúmula ou pri meiro primórdio foliar Apesar da simplicidade do embrião e do número limitado de tecidos que o circundam a anato mia da semente exibe uma considerável diversidade entre os diferentes grupos de plantas As sementes aparecem de todas as formas e tamanhos indo da menor semente de orquídea que pesa um micrograma 106 g até a enorme semente do cocodomar batendo a marca de 30 kg Alguns exemplos representativos de sementes de eudi cotiledôneas e monocotiledôneas são mostrados na Figura 181 As sementes podem ser categorizadas amplamente como endospérmicas e não endospérmicas dependendo da presença ou ausência de um endosperma triploide bem for mado na maturidade Por exemplo sementes de beterraba são não endospérmicas pois o endosperma triploide é bas tante utilizado durante o desenvolvimento do embrião Ao contrário o perisperma e os cotilédones de reserva servem como fontes principais de nutrientes durante a germinação ver Figura 181 O perisperma é derivado do nucelo o te cido materno que origina o rudimento seminal ver Capítu lo 21 Em geral sementes de feijoeiro Phaseolus vulgaris e sementes de leguminosas também são não endospérmicas dependendo da reserva de seus cotilédones que compõem a maior parte da semente para suas reservas de nutrientes Ao contrário as sementes de mamona Ricinus communis cebola Allium cepa trigo Triticum spp e milho Zea mays são todas endospérmicas Mantendo seu papel como um tecido de reserva de nutrientes o endosperma em geral é rico em amido óleos e proteínas Alguns tecidos do endosperma têm paredes celulares espessas que se rompem durante a germinação liberando uma diversidade de açúcares A camada mais externa do endosperma em algumas espécies diferencia se em um tecido secretor especializado com paredes pri márias espessas denominado camada de aleurona chama do assim porque é composto de células preenchidas com vacúolos de reserva de proteínas originalmente deno minados grãos de aleurona Como será visto mais adiante a camada de aleurona tem um papel importante na regula ção da dormência em certas sementes de eudicotiledône as Em sementes de trigo e nas de outros membros da fa mília Poaceae família das gramíneas camadas secretoras de aleurona são também responsáveis pela mobilização de reservas de nutrientes durante a germinação TABELA 181 Sementes ou frutos Semente Fruto e tipo Espécies de Brassica p ex canola mostarda repolho Freixo ácer olmo sâmara Castanhadopará Trigomourisco anêmona avens aquênio Mamona Cereais cariopse Feijãocafé Avelã e nogueira noz carvalho bolota Algodoeiro Alface girassol e outras Compositae cípsela Leguminosas p ex ervilhas feijão Abóboras p ex pepino abóbora Tomateiro Fonte Bewley et al 2013 p 3 Taiz18indd 514 Taiz18indd 514 27102016 155737 27102016 155737 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 515 Os embriões dos grãos dos cereais são altamente espe cializados e merecem um exame mais cuidadoso por causa de sua importância agrícola e porque têm sido utilizados como sistemasmodelo para estudar a regulação hormonal da mobilização de reservas durante a germinação Estrutu ras embrionárias especializadas peculiares da família das gramíneas incluem o que segue ver Figura 181 O cotilédone foi modificado pela evolução para for mar um órgão de absorção o escutelo o qual forma a interface entre o embrião e o tecido amiláceo do en dosperma A bainha do escutelo alongouse para formar o cole óptilo que cobre e protege as primeiras folhas durante sua permanência no solo Testa e pericarpo Camada de aleurona Camada de aleurona Testa Testa Testa Testa Cotilédones Cotilédones Cotilédones Cotilédone Cotilédones reserva de nutrientes Plúmula Meristema apical do caule Meristema apical do caule Hipocótilo Radícula Radícula Radícula Radícula Carúncula Endosperma Endosperma Endosperma Endosperma principal reserva de nutrientes Perisperma Endosperma Beterraba Trigo Cebola Feijãotrepador Fenogrego Mamona Meristema apical do caule Meristema apical do caule Eixo hipocótiloraiz Radícula Escutelo Radícula Primeiras folhas na plúmula Coleorriza Coleóptilo e folhas Testa Figura 181 Estrutura da semente de eudicotiledôneas e monocotiledôneas selecionadas A base do hipocótilo alongouse para formar uma bainha protetora em volta da radícula denominada coleorriza Em algumas espécies como o milho o hipocótilo su perior foi modificado para formar o mesocótilo Du rante o desenvolvimento da plântula o crescimento do mesocótilo auxilia o aparecimento das folhas na superfície do solo em especial no caso de sementes localizadas mais profundamente ver Tópico 182 na internet Dormência da semente Durante a germinação da semente o embrião desidrata e entra em uma fase quiescente A germinação da semente requer a reidratação e pode ser definida como a retomada do crescimento do embrião na semente madura Entretan to a germinação compõe todos os eventos que acontecem entre o início da embebição da semente seca e a emergên cia do embrião em geral a radícula a partir das estruturas que o circundam O término bemsucedido da germina ção depende das mesmas condições ambientais para o crescimento vegetativo ver Capítulo 19 água e oxigênio devem estar disponíveis e a temperatura deve ser adequa da Contudo uma semente viável viva pode não germi nar mesmo se as condições ambientais forem satisfeitas um fenômeno denominado dormência da semente Esse fenômeno consiste em um bloqueio temporal intrínseco ao término da germinação que fornece um período adicio nal para a dispersão da semente a distâncias geográficas Taiz18indd 515 Taiz18indd 515 27102016 155737 27102016 155737 516 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento maiores ou para o ciclo de dormência sazonal no banco de sementes no solo descrito adiante neste capítulo Ele também maximiza a sobrevivência da plântula pela inibi ção da germinação sob condições não favoráveis Sementes maduras em geral têm menos de 01 g de água g1 massa seca no momento da queda Como uma conse quência da desidratação o metabolismo cessa e a semente entra em um estado de quiescência descanso Em alguns casos a semente tornase dormente também Ao contrário de sementes quiescentes que germinam sob reidratação se mentes dormentes necessitam de tratamentos adicionais ou sinais para a germinação ocorrer Depois que a dormência foi quebrada a semente é capaz de germinar sob uma gama de condições permissíveis para um genótipo em particular Diferentes tipos de dormência da semente podem ser distinguidos com base na época do desenvolvimento em que a dormência inicia Sementes maduras recémdispersas que não conseguem germinar sob condições normais exi bem dormência primária em geral induzida pelo ácido abs císico ABA durante a maturação da semente A regulação da dormência da semente via ABA é discutida mais adiante neste capítulo Assim que a dormência primária foi perdi da sementes não dormentes podem adquirir dormência se cundária se expostas a condições não favoráveis que inibem a germinação por um período de tempo Para exemplos de dormência secundária ver Tópico 183 na internet A dormência pode ser imposta ao embrião pelos tecidos circundantes A dormência da semente pode resultar da dormência do embrião dos efeitos inibitórios dos tecidos circundantes ao embrião ou de ambos A dormência fisiológica imposta ao embrião pela casca da semente e por outros tecidos en volventes como endosperma pericarpo ou órgãos extra florais é conhecida como dormência imposta pela casca Os embriões de tais sementes germinam prontamente na presença de água e oxigênio assim que a casca da semente e outros tecidos circundantes tenham sido removidos ou danificados Existem diversos mecanismos pelos quais as cascas das sementes podem impor dormência ao embrião Impermeabilidade à água Esse tipo de dormência im posta pela casca é comum em plantas encontradas em regiões áridas e semiáridas em especial entre as legu minosas como trevo Trifolium spp e alfafa Medicago spp O exemplo clássico é a semente da flordelótus Nelumbo nucifera que sobreviveu até 1200 anos por causa da impermeabilidade de sua casca Cutículas ce rosas camadas suberizadas e camadas em paliçada de esclereídes lignificadas combinamse para restringir a penetração da água na semente Esse tipo de dormência pode ser quebrado por escarificação mecânica ou quí mica No ambiente selvagem a passagem pelo trato di gestório dos animais pode causar escarificação química Limitação mecânica O primeiro sinal visível da germina ção em geral é a radícula raiz embrionária transpondo suas estruturas circundantes como o endosperma se presente e a casca da semente Em alguns casos en tretanto o endosperma com parede espessa pode ser demasiadamente rígido para a raiz penetrar como em Arabidopsis tomateiro cafeeiro e tabaco Para tais se mentes completarem a germinação as paredes celulares do endosperma devem ser enfraquecidas pela produção de enzimas que as degradam em especial onde a radí cula emerge Interferência na troca de gás A dormência em algumas sementes pode ser superada por atmosferas ricas em oxigênio sugerindo que a casca da semente e outros tecidos circundantes limitam o suprimento de oxigê nio ao embrião Na mostarda selvagem Sinapis arven sis a permeabilidade da casca da semente ao oxigê nio é menor do que a permeabilidade à água em um fator de 104 Em outras sementes reações oxidativas envolvendo compostos fenólicos na casca da semente podem consumir grandes quantidades de oxigênio re duzindo a disponibilidade desse gás ao embrião Retenção de inibidores Sementes dormentes com fre quência contêm metabólitos secundários incluindo ácidos fenólicos taninos e cumarinas e enxágues repe tidos com água em tais sementes com frequência pro movem a germinação A casca pode impor a dormência impedindo a saída de inibidores a partir da semente ou eles podem se difundir pelo embrião a partir da casca da semente e impedir que ela germine Os mutantes transparent testa tt de Arabidopsis que contêm quan tidades reduzidas de próantocianidinas taninos con densados na casca da semente possuem dormência reduzida mas longevidade reduzida também A dormência do embrião pode ser causada por fatores fisiológicos ou morfológicos A dormência da semente que é intrínseca ao embrião e não é devida a qualquer influência da casca da semente ou de outros tecidos circundantes é denominada dormência do embrião Em alguns casos essa dormência pode ser que brada pela remoção dos cotilédones Espécies em que os co tilédones têm um efeito inibitório incluem a avelã europeia Corylus avellana e o freixo europeu Fraxinus excelsior As sementes podem não conseguir germinar porque os embriões não atingiram sua maturidade completa Esses embriões requerem apenas um período adicional para crescer sob condições apropriadas antes que possam emergir da semente Exemplos familiares de dormência causada por embriões pequenos são a do aipo Apium graveolens e da cenoura Daucus carota Figura 182 As sementes com embriões não diferenciados em geral são pequenas e incluem as plantas parasíticas orobanques Orobanche e Phelipanche spp e as orquídeas Sementes não dormentes podem exibir viviparidade e germinação precoce Em algumas espécies estuarinas a semente madura além de não possuir dormência também germina ainda en Taiz18indd 516 Taiz18indd 516 27102016 155737 27102016 155737 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 517 quanto na plantamãe um fenômeno conhecido como vi viparidade A viviparidade verdadeira germinação de se mentes imaturas na plantamãe é extremamente rara em angiospermas e é bastante restrita aos mangues e a outras plantas vivendo em ambientes estuarinos ou ripários nos trópicos e subtrópicos Um exemplo bem conhecido de uma espécie vivípara é o manguevermelho ou sapatei ro Rhizophora mangle Figura 183 As sementes dessas espécies germinam enquanto dentro do fruto e produzem um propágulo semelhante a um dardo que pode cair da árvore e se enraizar na lama circundante A germinação das sementes maduras fisiologicamente na plantamãe é conhecida como germinação précolhei ta e é característica de algumas culturas de grãos quando amadurecem sob clima úmido Figura 184A A brotação na espiga dos cereais p ex trigo cevada arroz e sorgo reduz a qualidade do grão e causa sérias perdas econômi cas No milho mutantes vivíparos vp têm sido seleciona dos para a germinação dos embriões na espiga enquanto aderidos à plantamãe referido como germinação preco ce Figura 184B Muitos desses mutantes são deficientes em ABA vp2 vp5 vp7 vp9 e vp14 um é insensível ao ABA vp1 A viviparidade nos mutantes deficientes em ABA pode ser parcialmente inibida pelo tratamento exógeno com ABA A viviparidade no milho também requer a sín tese precoce de giberelina GA na embriogênese como um sinal positivo mutantes duplos deficientes em GA não exi bem esse fenômeno Isso demonstra que a razão ABAGA é o que regula a germinação e não a quantidade de ABA A razão ABAGA é o primeiro determinante da dormência da semente Há muito tempo se sabe que o ABA exerce um efeito inibi tório sobre a germinação da semente enquanto a gibereli na exerce uma influência positiva De acordo com a teoria do balanço dos hormônios a razão desses dois hormô nios serve como um determinante primário da dormência e da germinação da semente As atividades hormonais re lativas de ABA e GA na semente dependem de dois fatores principais das quantidades de cada hormônio presente A 12 h B 18 h C 30 h D 40 h Figura 182 Crescimento do embrião menor que o normal de cenoura durante a embebição das sementes por 12 A 18 B 30 C e 40 horas D O pequeno embrião à esquerda removido da semente para melhor visualização está embebido em uma cavidade no endosperma formada pela liberação das enzimas de degradação da parede celular A germinação inicia com a emergência da radí cula da semente 2 a 4 dias após a embebição De Homrichhausen et al 2003 Figura 183 Sementes vivíparas do manguevermelho Rhizo phora mangle Taiz18indd 517 Taiz18indd 517 27102016 155737 27102016 155737 518 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento nos tecidosalvo e da capacidade dos tecidosalvo para de tectar e responder a cada hormônio A sensibilidade hor monal por sua vez é uma função das rotas de sinalização nos tecidosalvo As quantidades dos dois hormônios são reguladas por suas taxas de síntese versus sua desativação ver Capítu lo 15 Para o ABA a reação envolvendo NCED a enzima que cliva 9cis xantofila em xantoxina parece ser a eta pa limitante em sua rota de biossíntese A desativação do ABA é conduzida principalmente pela ABA8hidroxilase CYP707A2 A etapa limitante na rota de biossíntese da GA é a reação final que dá origem à forma ativa do hormônio GA9 em GA4 em Arabidopsis GA20 em GA1 na alface catalisado pela enzima GA 3oxidase GA3ox A princi pal enzima que desativa a GA é a GA 2oxidase GA2ox que regula negativamente a germinação pela redução do conteúdo de GA da semente O equilíbrio entre as duas rotas de biossíntese e desa tivação é regulado ao nível genético pela ação de fatores de transcrição A promoção da germinação pela GA requer a destruição da família de proteínas DELLA que reprimem a germinação em parte pelo aumento da expressão de pro teínas que promovem a biossíntese de ABA O aumento de ABA então promove a expressão dos fatores de trans crição regulados por fosfatases da classe de proteínas ABI ver Capítulo 15 e a inibição das proteínas DELLA dis cutido mais adiante neste capítulo criando um feedback positivo De acordo com um modelo recente o equilíbrio das atividades de ABA e GA nas sementes está sob controle ambiental e do desenvolvimento Figura 185 Durante os primeiros estágios do desenvolvimento da semente a sensibilidade ao ABA é alta e a sensibilidade à GA é bai xa o que favorece a dormência sobre a germinação Mais tarde no desenvolvimento da semente a sensibilidade ao ABA declina e a sensibilidade à GA aumenta favorecen do a germinação Ao mesmo tempo a semente tornase progressivamente mais sensível aos estímulos ambientais como temperatura e luz que podem tanto estimular quan to inibir a germinação A B Condição ambiental p ex temperatura ou luz Síntese de ABA NCED Sinalização por ABA ABREs Sinalização por GA Sensibilidade ao ABA Degradação de GA GA2ox Sensibilidade à GA Degradação de ABA CYP707A2 Síntese de GA GA3ox ABA GA Indução da dormência Dormente Sensibilidade da semente à germinação no ambiente Ciclando Não dormente Germinação Quebra da dormência Condição ambiental Percepção Resposta Integração Sobreposição início da germinação Figura 184 A Germinação précolheita na espiga de trigo Triticum aestivum B Germinação precoce no mutante vivipa ry14 vp14 deficiente em ABA no milho A proteína VP14 catalisa a clivagem dos 9cisepoxicarotenoides para formar xantoxina um precursor do ABA A de Li et al 2009 B cortesia de Bao Cai Tan e Don McCarty Figura 185 Modelo para regulação por ABA e giberelina GA da dormência e da germinação em resposta aos fatores ambientais Fatores ambien tais como a temperatura afetam as razões ABAGA e a resposta do embrião a ABA e GA Na dormên cia a GA é catabolizada e a síntese e a sinalização por ABA predominam Na transição para germina ção ABA é catabolizado e a síntese e a sinalização por GA predominam A interação complexa entre a síntese a degradação e a sensibilidade ao ABA e à GA em resposta às condições ambientais pode resultar na ciclização entre estados dormentes e não dormentes ciclização da dormência A ger minação pode continuar para a conclusão quando há uma sobreposição entre condições ambientais favoráveis e não dormentes Genesalvo essenciais para ABA e GA estão entre parênteses De Finch Savage e LeubnerMetzger 2006 Taiz18indd 518 Taiz18indd 518 27102016 155738 27102016 155738 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 519 Entretanto ABA e giberelina são sem dúvida os úni cos hormônios que regulam a dormência da semente Eti leno e brassinosteroides reduzem a capacidade do ABA de inibir a germinação aparentemente pela rota de sinalização de transdução de ABA O ABA também inibe a biossíntese de etileno enquanto os brassinosteroides a aumentam Por isso as redes hormonais provavelmente estão envolvidas na regulação da dormência da semente assim como na re gulação de muitos fenômenos do desenvolvimento Liberação da dormência A quebra da dormência envolve uma mudança de estado metabólico na semente que permite ao embrião reiniciar o crescimento Como a germinação é um processo irrever sível que ocasiona que a semente cresça em uma plântula muitas espécies desenvolveram mecanismos sofisticados para perceber as melhores condições para que isso ocor ra Em geral há componentes sazonais para a decisão final de uma semente de germinar como nos exemplos de dormência secundária observados anteriormente neste capítulo Nesta seção são discutidos alguns dos estímulos ambientais que efetuam a liberação da dormência Embora cada sinal externo seja discutido em separado as sementes na natureza necessitam integrar suas respostas com múlti plos fatores ambientais percebidos simultaneamente ou em sucessão Como a razão ABAGA exerce um papel decisivo na manutenção da dormência da semente acreditase que as condições ambientais que quebram a dormência fun damentalmente operam no nível das redes genéticas que afetam o equilíbrio entre as respostas ao ABA e à GA Essa hipótese é coerente com o fato de que o tratamento de se mentes com GA em geral pode substituir um sinal positi vo na quebra da dormência A luz é um sinal importante que quebra a dormência nas sementes pequenas Muitas sementes têm uma necessidade de luz para a ger minação denominada fotoblastia que pode envolver uma exposição breve como no caso do cultivar de alface Lac tuca sativa Grand Rapids um tratamento intermitente p ex suculentas do gênero Kalanchoë ou mesmo foto períodos específicos envolvendo dias longos e curtos Por exemplo sementes de bétula Betula spp necessitam de dias longos para germinar enquanto sementes da coní fera cicuta oriental Tsuga canadensis requerem dias cur tos O fitocromo que percebe comprimentos de onda do vermelho R e vermelhodistante FR ver Capítulo 16 é o sensor primário para a germinação regulada por luz Todas as sementes que necessitam de luz exibem dormên cia imposta pela casca e a remoção dos tecidos mais exter nos especificamente o endosperma permite ao embrião germinar na ausência de luz O efeito que a luz tem no embrião permite à radícula raiz embrionária penetrar o endosperma um processo facilitado em algumas espécies pelo enfraquecimento enzimático das paredes celulares na região micropilar próxima à radícula A luz é requerida pelas sementes pequenas de várias espécies herbáceas e campestres muitas das quais per manecem dormentes se estão enterradas abaixo de uma profundidade na qual a luz penetra Mesmo quando tais sementes estão na superfície do solo ou próximas a ela a quantidade de sombra do dossel da vegetação ie a razão RFR que a semente recebe provavelmente afeta a germina ção Mais adiante no capítulo são vistos os efeitos da razão RFR em relação ao fenômeno de evitamento da sombra Algumas sementes requerem ou resfriamento ou pósmaturação para quebrar a dormência Muitas sementes necessitam de um período de temperatu ras baixas 010C para germinar Em espécies de zonas temperadas essa demanda tem um valor óbvio para sua sobrevivência pois tais sementes não germinarão no ou tono mas na primavera subsequente Resfriar as sementes para quebrar sua dormência é referido como estratifica ção nome dado à prática agrícola de hibernar sementes dormentes em montes estratificados de solo ou areia úmi da Hoje as sementes são simplesmente estocadas úmidas em um refrigerador A estratificação adicionou o benefício de sincronizar a germinação assegurando que as plantas amadurecerão ao mesmo tempo A Figura 186A demons tra o efeito do resfriamento sobre a germinação da semen te Sementes intactas necessitam de 80 dias de resfriamen to para um máximo de germinação ao contrário embriões isolados atingem isso em cerca de 50 dias Por isso a pre sença da casca da semente e do endosperma aumenta a ne cessidade de resfriamento do embrião em cerca de 30 dias Algumas sementes necessitam de um período pós maturação ou seja uma estocagem seca à temperatura ambiente antes que possam germinar A duração da ne cessidade da pósmaturação deve ser curta como algumas semanas p ex cevada Hordeum vulgare ou longa como cinco anos p ex labaçacrespa Rumex crispus No cam po a pósmaturação deve ocorrer nas plantas de inverno em que a dormência é quebrada pelas altas temperaturas de verão permitindo às sementes germinarem no outono Ao contrário o resfriamento úmido durante os meses frios do inverno é eficaz em muitas plantas de verão A pós maturação em culturas hortícolas e agrícolas em geral é realizada em fornos especiais para secagem que mantêm a temperatura e a aeração apropriadas e fornecem condições de baixa umidade O efeito da duração da pósmaturação sobre a germi nação das sementes de Nicotiana plumbaginifolia é mostra do na Figura 186B Sementes pósmaturadas por somente 14 dias iniciaram a germinação depois de cerca de 10 dias de umedecimento enquanto a pósmaturação de semen tes por 10 meses iniciou a germinação depois de 3 dias apenas O mecanismo pelo qual a pósmaturação efetua a liberação da dormência é pouco compreendido As semen tes são consideradas secas quando seu conteúdo de água Taiz18indd 519 Taiz18indd 519 27102016 155738 27102016 155738 520 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento cai para menos de 20 Em muitas espécies o ABA dimi nui durante a pósmaturação e mesmo um pequeno de clínio deve ser o suficiente para quebrar a dormência Por exemplo em sementes de N plumbaginifolia o conteúdo de ABA decresce em cerca de 40 durante a pósmaturação Entretanto se as sementes tornamse muito secas 5 de água ou menos o efeito da pósmaturação é diminuído A dormência da semente pode ser quebrada por vários compostos químicos Numerosas moléculas como inibidores respiratórios com postos sulfídricos oxidantes e compostos nitrogenados têm sido relatadas por quebrar a dormência em determinadas espécies Entretanto somente algumas delas ocorrem na turalmente no ambiente Dessas moléculas o nitrato com frequência em combinação com a luz provavelmente é a mais importante Algumas plantas como a ervarinchão Sysymbrium officinale têm uma necessidade absoluta de ni trato e luz para a germinação da semente Outro agente quí mico que pode quebrar a dormência é o óxido nítrico NO uma molécula sinalizadora encontrada em animais e plantas ver Capítulos 23 e 24 Mutantes de Arabidopsis incapazes de sintetizar NO exibem germinação reduzida e o efeito pode ser revertido pelo tratamento das sementes com NO exógeno Outro forte estimulante químico da germinação da semente em muitas espécies sob condições naturais é a fu maça que é produzida durante as queimadas das florestas Provavelmente a fumaça contém múltiplos estimulantes da germinação porém um dos mais ativos é a carriquinolida um membro da classe das carriquinas que se assemelha es truturalmente à estrigolactona ver Capítulos 15 e 17 Nos três exemplos os estimulantes químicos parecem quebrar a dormência pelo mesmo mecanismo básico re gulando para baixo a síntese ou a sinalização por ABA e regulando para cima a síntese ou a sinalização por GA alterando portanto a razão ABAGA Germinação da semente Germinação é o processo que inicia com a absorção de água pela semente seca e termina com a emergência do eixo embrionário em geral a radícula transpondo seus tecidos circundantes Estritamente falando a germina ção não inclui o crescimento da plântula depois da emer gência da radícula que é referido como estabelecimento da plântula De modo similar a rápida mobilização das reservas que estimula o crescimento inicial da plântula é considerada um processo pósgerminação A germinação requer quantidades adequadas de água temperatura oxigênio e com frequência luz e nitrato Des ses a água é o fator mais essencial O conteúdo de água de sementes secas e maduras está entre 5 e 15 bem abaixo do limiar necessário para o metabolismo completamente ativo Além disso a absorção de água é necessária para gerar a pressão de turgor que potencializa a expansão ce lular a base do crescimento e do desenvolvimento vegeta tivo Como foi discutido no Capítulo 3 a absorção de água é direcionada pelo gradiente de potencial hídrico Ψ do solo para a semente Por exemplo a incubação de semen tes de tomate em um potencial hídrico ambiental alto Ψ 0 MPa permite 100 de germinação ao passo que a incu bação em um potencial hídrico ambiental baixo Ψ 10 MPa que anula o gradiente de potencial hídrico suprime completamente a germinação Figura 187 A germinação pode ser dividida em três fases correspondentes às fases de absorção da água Sob condições normais a absorção de água pela semente é trifásica Figura 188 Fase I As sementes secas absorvem água rapidamente pelo processo de embebição Fase II A absorção de água pela embebição declina e os processos metabólicos incluindo a transcrição e a tradução são reiniciados O embrião expande e a ra dícula emerge da casca da semente Fase III A absorção de água reinicia devido a um de créscimo no Ψ à medida que a plântula cresce e as re servas de nutrientes das sementes são completamente mobilizadas 0 20 40 60 80 100 A Embrião isolado Semente intacta Germinação 10 20 30 40 50 60 70 80 Dias a 5C 0 20 40 60 80 100 B 10 meses 14 dias Germinação 0 3 6 9 12 15 18 21 Dias após a semeadura Estratificação Pósmaturação Figura 186 A dormência da semente pode ser superada pela estratificação ou pósmaturação A Liberação de sementes de maçã pela estratificação ou pelo resfriamento úmido Sementes embebidas foram estocadas a 5C e removidas periodicamente para testar as sementes ou os embriões isolados para germinação A germinação de sementes intactas atrasou significativamente em comparação com aquela dos embriões isolados B Efeito da pósmaturação estocagem seca à temperatura ambiente sobre a germinação das sementes de Nicotiana plumbaginifolia A pós maturação por 10 meses ou mais acelerou bastante a germinação comparada com a pósmaturação por somente 14 dias A de Visser 1956 B de Grappin et al 2000 Taiz18indd 520 Taiz18indd 520 27102016 155738 27102016 155738 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 521 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Germinação 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 Tempo h 0 MPa 01 MPa 02 MPa 03 MPa 04 MPa 05 MPa 06 MPa 07 MPa 08 MPa 10 MPa Potencial hídrico ambiente Ψ Conteúdo de água da semente e da plântula Germinação Fase I Fase II Crescimento da plântula Síntese de DNA Reparo de DNA Embebição Respiração reparo mitocondrial e multiplicação Mobilização de reservas nos tecidosestoque Emergência da radícula devido à expansão celular Tempo Mobilização de reservas oligossacarídeos quebra muito limitada de polímeros no embrião Principal mobilização de reservas Tradução ou degradação do mRNA estocado Divisão celular Transcrição e tradução de novos mRNAs Fase III Pósgerminação Figura 187 Curso do proces so da germinação de sementes do tomate em diferentes potenciais hí dricos ambientais De G Leubner httpwwwseedbiologyde utili zando dados de Liptay e Schopfer 1983 Figura 188 Fases da embebição das sementes Na fase I as sementes secas embebem ou absorvem água rapida mente Já que a água flui do potencial hídrico mais alto para o mais baixo a ab sorção de água cessa quando a diferen ça no potencial hídrico entre a semente e o ambiente se torna zero Durante a fase II as células expandemse e a ra dícula emerge da semente A atividade metabólica aumenta e ocorre o afrou xamento da parede celular Na fase III a absorção de água reinicia à medida que a plântula se estabelece De Nonogaki et al 2010 Taiz18indd 521 Taiz18indd 521 27102016 155738 27102016 155738 522 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento A absorção inicial rápida de água pela semente seca durante a fase I é referida como embebição para distin guir da absorção de água durante a fase III Embora o gra diente de potencial hídrico impulsione a absorção de água em ambos os casos as causas dos gradientes são diferen tes Na semente seca o potencial matricial Ψm compo nente da equação do potencial hídrico baixa o Ψ e cria o gradiente O potencial matricial surge da ligação da água a superfícies sólidas como os microcapilares das paredes celulares e superfícies de proteínas e outras macromolé culas ver Capítulo 3 A reidratação das macromoléculas celulares ativa os processos metabólicos basais incluindo a respiração a transcrição e a tradução A embebição cessa quando todos os sítios de liga ção potenciais da água se tornarem saturado e o Ψm tornase menos negativo Durante a fase II a taxa de absorção de água diminui até que o gradiente de poten cial hídrico seja restabelecido A fase II pode assim ser imaginada como uma fase preparatória que precede o crescimento durante a qual o potencial do soluto Ψs do embrião tornase gradualmente mais negativo devido à queda das reservas estocadas e à liberação de solutos ativos osmoticamente O volume da semente pode au mentar rompendo sua casca Ao mesmo tempo funções metabólicas adicionais iniciam como a reestruturação do citoesqueleto e a ativação de mecanismos de reparo do DNA A emergência da radícula através da casca da semente na fase II marca o final do processo de germinação Essa emergência pode ser um processo de etapa única em que a radícula emerge imediatamente depois que a casca da semente testa é rompida ou pode envolver duas etapas em que o endosperma deve primeiro sofrer um amoleci mento antes que a radícula possa emergir ver Tópico 184 na internet Durante da fase III a taxa de absorção de água au menta rapidamente devido ao início do afrouxamento da parede celular e à expansão celular Portanto o gradiente de potencial hídrico nos embriões da fase III é mantido pelo relaxamento da parede celular e pelo acúmulo de so lutos ver Capítulo 14 Mobilização das reservas armazenadas As principais reservas de nutrientes das sementes das an giospermas em geral são armazenadas nos cotilédones e no endosperma A mobilização massiva de reservas que ocorre após a germinação fornece nutrientes para a plân tula em crescimento até que ela se torne autotrófica Car boidratos amido proteínas e lipídeos são armazenados em organelas especializadas dentro desses tecidos Em ní vel subcelular o amido é armazenado em amiloplastos no endoesperma de cereais As duas enzimas responsáveis pela degradação inicial do amido são a α e a βamilase A αamilase da qual há diversas isoformas hidrolisa cadeias de amido internamente para produzir oligossa carídeos consistindo em resíduos de glicose com ligações α1 4 A βamilase degrada esses oligossacarídeos a partir de suas regiões terminais para produzir maltose um dissacarídeo A maltase então converte a maltose em glicose A regulação hormonal dessas enzimas é descrita em mais detalhe na seção seguinte As paredes celulares espessas do tecido endospérmico em algumas sementes fornecem outra fonte de carboidratos para a plântula em crescimento durante a mobilização Os vacúolos de reserva de proteínas são as fontes pri márias de aminoácidos para uma nova síntese de proteí nas na plântula Além disso eles contêm fitina sais de K Mg2 e Ca2 do ácido fítico mioinositolhexafosfato uma forma principal de estoque de fosfato em sementes Du rante a mobilização de reservas nas sementes a enzima fi tase hidrolisa a fitina liberando fosfato e outros íons para utilização pela plântula em crescimento Os lipídeos são uma fonte de carbono de alta energia que é estocada em óleos ou em corpos lipídicos Corpos lipídicos de sementes de canola mostarda algodão linho milho amendoim e sésamo contêm lipídeos como triacil gliceróis e fosfolipídeos e proteínas como oleosinas ver Capítulo 1 O catabolismo de lipídeos durante a germina ção da semente foi discutido no Capítulo 12 A camada de aleurona dos cereais é um tecido digestivo especializado circundando o endosperma amiláceo Os grãos dos cereais contêm três partes o embrião o en dosperma e a fusão testapericarpo Figura 189 O em brião que crescerá em uma nova plântula tem um órgão de absorção especializado o escutelo O endosperma triploide é composto de dois tecidos o endosperma amiláceo cen tralmente localizado e a camada de aleurona O endosper ma não vivo consiste em células com paredes celulares finas preenchidas com grão de amido Células vivas da camada de aleurona que circundam o endosperma sintetizam e liberam enzimas hidrolíticas no endosperma durante a ger minação Como consequência as reservas de nutrientes do endosperma são decompostas e os açúcares solubilizados aminoácidos e outros produtos são transportados para o embrião em crescimento via escutelo A camada isolada de aleurona consistindo em uma população homogênea de células responsivas à GA tem sido amplamente utilizada para estudar a rota de transdução de sinal por GA na au sência de tipos celulares não responsivos Experimentos realizados na década de 1960 confirma ram observações anteriores de que a secreção de enzimas que degradam amido pelas camadas de aleurona de ceva da depende da presença do embrião Assim rapidamente foi descoberto que GA3 poderia substituir o embrião no estímulo da degradação do amido O significado do efei to da GA tornouse claro quando se demonstrou que o embrião sintetiza e libera GAs no endosperma durante a germinação Embora as camadas de aleurona respondam à GA3 estudos genéticos demonstram que GA1 é a única GA bioativa produzida pelos cereais Taiz18indd 522 Taiz18indd 522 27102016 155739 27102016 155739 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 523 A GA aumenta a transcrição do mRNA da αamilase Mesmo antes que as abordagens de biologia molecular fossem desenvolvidas já havia evidências fisiológicas e bioquímicas de que a GA aumentava a produção da αamilase ao nível da transcrição gênica As duas linhas principais de evidência eram A produção de αamilase estimulada por GA3 foi blo queada por inibidores da transcrição e da tradução Os estudos com isótopos marcados demonstraram que o estímulo da atividade da αamilase por GAs bioativas envolveu a síntese de novo da enzima a par tir dos aminoácidos em vez da ativação de enzimas preexistentes Os grãos dos cereais podem ser cortados em dois e metade da semente que não contém o embrião a fonte de GA bioativa no grão intacto representa um sistema ex perimental conveniente para o estudo da ação da GA Es tudos de microarranjos confirmaram a regulação para cima upregulation de genes codificando muitas isoformas de αamilase nas metades de sementes de arroz que foram tra tadas por 8 horas com GAs Nessas metades de sementes as únicas células vivas e as únicas células em que a sina lização por GA ocorre estão na camada de aleurona De todos os genes da análise por microarranjo aqueles codifi cando isoformas de αamilase mostram o nível mais alto de aumento de expressão após o tratamento com GA seguido de perto por proteases e hidrolases O receptor de GA GID1 promove a degradação de reguladores negativos da resposta à giberelina Como discutido no Capítulo 15 o receptor de giberelina GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF 1 GID1 passa por uma mudança conformacional quando se liga à GA a qual promove a ligação de proteínas repressoras DELLA As proteínas DELLA também passam por uma mudança conformacional facilitando a interação com a E3 ubiqui tina ligase SCFSLY1 Como resultado a ligação do receptor C D B Primeira folha Coleóptilo Camada de aleurona Enzimas hidrolíticas Células do aleurona Endosperma amiláceo Meristema apical do caule GAs GAs Solutos do endosperma Escutelo Pericarpotesta Raiz 1 As GAs são sintetizadas pelo embrião e liberadas no endosperma amiláceo 2 As GAs difundemse para a camada de aleurona 3 As células da camada de aleurona são induzidas a sintetizar e secretar αamilase e outras hidrolases no endosperma 4 Amido e outras macromoléculas são decompostos em pequenas moléculas 5 Os solutos do endosperma são absorvidos pelo escutelo e transportados para o embrião em crescimento A N VEP VEP N VEP VEP VEP VEP G VEP VEP G VEP Figura 189 Estrutura de um grão de cevada e funções de vários tecidos durante a germinação A Diagrama das interações do início da germinação BD Micrografias da camada de aleurona de ceva da B e protoplastos da aleurona de cevada em um estágio precoce C e tardio D de produção de amilase Várias vesículas de esto que de proteínas VEPs em C coalescem para formar uma gran de vesícula em D que disponibilizará aminoácidos para a síntese de αamilase G fitina globoide que sequestra minerais N núcleo BD de Bethke et al 1997 cortesia de P Bethke Taiz18indd 523 Taiz18indd 523 27102016 155739 27102016 155739 Figura 1521 Rota biossintética utilizada para biossíntese das citoquininas A primeira etapa envolvida na biossíntese do tipo cianina catalisada pela isopentenil transferase IPT é a adição do isoprenóide lateral DMAPP dimetilalilfosfato a um grupo funcional de adenosina ATP ou ADP iPRTP ou iPRDP é convertido em ZTP ou ZDP respectivamente pela citocromo P450monooxigenase CYP735A e finalmente é convertido em zeatina As citoquininas dihidrozeatina DHZ são produzidas a partir de várias formas de transzeatina por uma enzima desconhecida não mostrada As formas ribotídeo e ribosídeo da transzeatina podem ser interconvertidas e a transzeatina pode ser formada a partir do ribotídeo pela família LONELY GUY LOG das enzimas oticinina nucleosídeo 5monofosfato fosforiloadas iPRDP isopenteniladenina ribosídeo 5difosfato iPRTP isopenteniladenina ribosídeo 5trifosfato ZTP transzeatina ribosídeo 5difosfato Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 525 GA1 GA1 mRNA de GAMYB Transcrição e processamento Transcrição e processamento Gene da αamilase mRNA da αamilase Célula da camada de aleurona Fator de transcrição GAMYB Vesículas secretoras contendo αamilase Retículo endoplasmático rugoso Ribossomos Complexo de Golgi Membrana plasmática Núcleo αamilase Degradação de amido no endosperma 2 3 5 4 7 8 9 10 11 12 1 6 GARE Rota de transdução do sinal dependente de Ca2 envolvendo calmodulina e proteínas quinase DNA Promotor Gene GAMYB DNA Degradação 1 GA1 do embrião entra em uma célula da aleurona 2 Uma vez dentro da célula GA1 pode iniciar uma rota dependente de cálciocalmodulina necessária para a secreção de αamilase 3 GA1 ligase ao GID1 no núcleo 4 Após a ligação à GA1 o receptor GID1 passa por uma mudança alostérica que facilita sua ligação a um repressor DELLA 5 Uma vez que a proteína DELLA tenha se ligado ao complexo GA1GID uma proteína Fbox parte de um complexo SCF poliubiquitina o domínio GRAS da proteína DELLA 6 A proteína DELLA poliubiquitinada é degradada pelo proteassomo 26S 7 Uma vez que a proteína DELLA é degradada a transcrição de um gene precoce é ativada GAMYB é mostrado neste modelo como um gene precoce embora haja evidência de que a regulação da transcrição de outros genes precoces deva ocorrer primeiro O mRNA de GAMYB é traduzido no citosol 8 O fator de transcrição GAMYB recémsintetizado entra no núcleo e ligase nos promotores da αamilase e de genes codificadores de outras enzimas hidrolíticas 9 A transcrição desses genes é ativada 10 A αamilase e outras hidrolases são sintetizadas no RE rugoso processadas e empacotadas em vesículas de secreção pelo complexo de Golgi 11 As proteínas são secretadas por exocitose 12 A rota secretora requer estimulação do GA da rota dependente de cálciocalmodulina Fbox GID1 DELLA GRAS Taiz18indd 525 Taiz18indd 525 27102016 155739 27102016 155739 526 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento pendente de GA pela inibição da transcrição do mRNA de αamilase por dois mecanismos um direto e outro indireto 1 Uma proteína originalmente identificada como ativa dora da expressão gênica induzida por ABA VP1 age como um repressor transcricional de alguns genes re gulados pela GA 2 O ABA reprime a expressão de GAMYB induzida pela GA um fator transcricional que medeia a indu ção pela GA da expressão gênica da αamilase Crescimento e estabelecimento da plântula O estabelecimento da plântula é crucial para a sobrevi vência da planta e crescimento e desenvolvimento subse quentes Esta transição entre a germinação emergência e o crescimento independente da semente é crucial já que as plântulas são altamente suscetíveis a fatores bióticos e abióticos durante esse estágio Por exemplo cerca de 10 a 55 das plântulas de milho e 48 a 70 das plântulas de soja não superam esse estágio no campo O estabelecimento da plântula tem sido variavelmen te definido como O período entre a emergência da radícula e a exaustão das reservas da semente fisiológico O aparecimento da primeira folha agronômico O estágio no qual as condições ambientais começam a exercer uma pressão seletiva sobre a sobrevivência da plântula ecológico O ponto no qual a plântula é capaz de um crescimento autossustentável desenvolvimento Amplamente definido o estabelecimento da plântula é o momento em que ela se torna competente para fotossin tetizar assimilar água e nutrientes do solo passar pela diferenciação celular e dos tecidos e maturação normais e responder apropriadamente aos estímulos ambientais O tamanho da semente é um fator importante no estabele cimento da plântula porque sementes maiores têm mais reserva de nutrientes permitindo mais tempo para o de senvolvimento da plântula As plântulas de angiospermas enquadramse em duas classes principais com respeito ao destino de seus cotilédones durante o crescimento do caule As plântulas que erguem seus cotilédones acima da superfície do solo são ditas epígeas enquanto aquelas cujos cotilédones permanecem no solo são denominadas hipógeas ver Tó pico 182 na internet para exemplos A auxina promove o crescimento nos caules e coleóptilos enquanto inibe o crescimento nas raízes A auxina sintetizada no ápice caulinar é transportada em direção aos tecidos abaixo do ápice O suprimento regular de auxina que chega à região subapical do caule ou coleóptilo é necessário para o alongamento contínuo dessas células Visto que o nível de auxina endógena na região de alongamento de uma planta normal e saudável está próximo do ideal para o crescimento borrifar a planta com auxina endógena causa somente um modesto e curto estímulo ao crescimento Tal procedimento deve até mes mo ser inibitório no caso de plântulas cultivadas no escu ro as quais são mais sensíveis a concentrações supraideais de auxina do que as plantas cultivadas na luz Entretanto quando a fonte endógena de auxina é re movida por excisão do caule ou secções do coleóptilo con tendo a zona de alongamento a taxa de crescimento cai rapidamente a um nível basal Tais secções excisadas com frequência respondem à auxina exógena aumentando ra pidamente sua taxa de crescimento de volta para o nível da planta intacta Figura 1812 O controle do alongamento da raiz tem sido mais di fícil de demonstrar talvez porque a auxina induz a pro dução de etileno o qual inibe o crescimento da raiz Es ses dois hormônios interagem diferencialmente no tecido da raiz para controlar o crescimento Entretanto mesmo se a biossíntese do etileno é especificamente bloqueada baixas concentrações 1010 a 109 M de auxina promo vem o crescimento das raízes intactas ao passo que con centrações mais altas 106 M inibem o crescimento Por isso enquanto as raízes podem necessitar de uma con centração mínima de auxina para crescer o crescimento desses órgãos é fortemente inibido pelas concentrações de auxina que promovem o alongamento nos caules e nos coleóptilos Os tecidos externos dos caules das eudicotiledôneas são os alvos da ação das auxinas Os caules das eudicotiledôneas são compostos de muitos tipos de tecidos e células alguns dos quais devem limitar a taxa de crescimento Essa questão é ilustrada por um ex perimento simples Quando secções de regiões em cresci mento de um caule estiolado de uma eudicotiledônea como ervilha são divididas longitudinalmente e incubadas em tampão isoladamente as duas metades curvamse para fora Esse resultado indica que na ausência da auxina os tecidos centrais incluindo a medula os tecidos vasculares e o córtex interno alongamse mais rapidamente do que os tecidos mais externos os quais consistem no córtex exter no e na epiderme Por isso os tecidos externos devem estar limitando a taxa de alongamento do caule na ausência de auxina ver Figura 1812 Quando secções similares são in cubadas em tampão mais auxina as duas metades pendem para dentro devido ao alongamento induzido por auxina dos tecidos externos do caule Para alcançar os tecidos exter nos das regiões de alongamento dos caules e de estruturas semelhantes ao caule a auxina derivada do ápice caulinar deve ser deslocada lateralmente da corrente de transporte polar nas células do parênquima vascular para os tecidos caulinares externos Taiz18indd 526 Taiz18indd 526 27102016 155739 27102016 155739 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 527 O período de atraso mínimo para o alongamento induzido por auxina é de 10 minutos Quando uma secção do caule ou do coleóptilo é excisada e colocada em um equipamento sensível à medição do cresci mento a resposta do crescimento à auxina pode ser monito rada em alta resolução Sem auxina no meio a taxa de cres cimento declina rapidamente A adição de auxina estimula fortemente a taxa de crescimento de secções de coleóptilos de aveia Avena sativa e de hipocótilos de soja Glycine max após um período de atraso de somente 10 a 12 minutos Fi gura 1813A A taxa máxima de crescimento que representa um aumento de 5 a 10 vezes sobre o índice basal é alcançada após 30 a 60 minutos de tratamento com auxina Como está mostrado na Figura 1813B um limiar de concentração de A B 3 5 2 0 1 Tempo de incubação em 10 μM AIA h A B C Taxa de alongamento h1 AIA Soja Aveia Concentração de AIA M Crescimento relativo do segmento de alongamento 0 108 107 106 105 104 103 102 Crescimento controle sem adição de AIA AIA 10 0 10 20 30 40 50 60 45 40 80 120 160 200 240 50 55 60 Tempo min pH Alongamento μm AIA Compri mento pH Figura 1812 A auxina estimu la o alongamento de secções do coleóptilo de aveia que tiveram a auxina endógena removida Essas secções do coleóptilo foram incu badas por 18 horas em água A ou auxina B O amarelo dentro do coleóptilo translúcido representa o tecido primário da folha Fotos M B Wilkins Figura 1813 Curso do processo e doseresposta à auxina A Comparação da cinética de crescimento de secções do cole óptilo de aveia e do hipocótilo de soja incubados com 10 μM de AIA ácido indol3acético e 2 de sacarose O crescimento está plotado como a taxa de alongamento em vez do crescimento ab soluto em cada tempo A taxa de crescimento do hipocótilo de soja oscila após 1 hora ao passo que aquela do coleóptilo de aveia é constante B Curva típica da doseresposta para o crescimento induzido por AIA em caules de ervilha ou secções do coleóptilo de aveia O crescimento em alongamento de secções excisadas dos coleóptilos ou caules jovens está plotado versus concentrações crescentes de AIA exógeno Em concentrações acima de 105 M AIA tornase menos eficaz Acima de aproximadamente 104 M ele tornase inibitório como demonstrado pelo fato de que a estimu lação decresce e a curva finalmente cai abaixo da linha pontilhada o que representa crescimento na ausência do AIA adicionado C Cinética do alongamento induzido por auxina e acidificação da parede celular em coleóptilos de milho O pH da parede celular foi medido com um microeletrodo de pH Observe os períodos de atraso similares 1015 min para a acidificação da parede celular e o aumento na taxa de alongamento A de Cleland 1995 C de Jacobs e Ray 1976 Taiz18indd 527 Taiz18indd 527 27102016 155739 27102016 155739 528 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento auxina deve ser alcançado para iniciar essa resposta Além da concentração ideal a auxina tornase inibitória A estimulação do crescimento pela auxina requer energia e inibidores metabólicos inibem a resposta den tro de minutos O crescimento induzido por auxina tam bém é sensível a inibidores da síntese de proteínas como a cicloheximida sugerindo que a síntese de proteínas é necessária para a resposta Inibidores da síntese de RNA também inibem o crescimento induzido por auxina por um período um pouco mais longo A extrusão de prótons induzida por auxina induz o deslizamento da parede celular e o alongamento celular De acordo com a hipótese do crescimento ácido íons hi drogênio atuam como um intermediário entre a auxina e o afrouxamento da parede celular ver Capítulo 14 A fonte dos íons hidrogênio é a HATPase da membrana plasmá tica cuja atividade pode aumentar em resposta à auxina A auxina estimula a extrusão de prótons na parede celular após 10 a 15 minutos de período de atraso coerente com a cinética de crescimento como mostrado na Figura 1813C Como discutido no Capítulo 14 as proteínas de afrou xamento da parede celular denominadas expansinas afrouxam as paredes celulares mediante enfraquecimento das pontes de hidrogênio entre os componentes polissaca rídicos da parede quando o pH está ácido Tropismos crescimento em resposta a uma quantidade de maiores estímulos direcionais As plantas respondem aos estímulos externos alterando seus padrões de crescimento e desenvolvimento Durante o estabelecimento da plântula fatores abióticos como gra vidade toque e luz influenciam o hábito de crescimento inicial da planta jovem Tropismos são respostas de cres cimento direcional em relação aos estímulos ambientais causados pelo crescimento assimétrico do eixo da planta caule ou raiz Os tropismos devem ser positivos cresci mento direcionado para o estímulo ou negativos cresci mento para longe do estímulo Uma das primeiras forças que as plântulas emergentes encontram é a gravidade O gravitropismo crescimento em resposta à gravidade possibilita que os caules cresçam em direção à luz solar para fotossintetizar e que as raízes cresçam para dentro do solo em busca de água e nutrientes Tão logo o ápice do caule emerge da superfície do solo ele encontra a luz solar O fototropismo permite que as partes aéreas cresçam em direção à luz solar maximizando assim a fotossíntese enquanto algumas raízes crescem para lon ge da luz solar O tigmotropismo crescimento diferencial em resposta ao toque auxilia as raízes a crescer em torno de obstáculos e a se enrolar e envolver em outras estruturas como suporte O gravitropismo envolve a redistribuição lateral de auxina Quando plântulas de Avena cultivadas no escuro estão orientadas horizontalmente os coleóptilos pendem para cima em resposta à gravidade De acordo com a hipótese de CholodnyWent em um modelo geral que se aplica a todas as respostas dos tropismos a auxina no ápice do coleóptilo orientado horizontalmente é transportada lateralmente para o lado inferior fazendo esse lado do coleóptilo crescer mais rápido do que o lado superior Evidências experimentais in dicaram que o ápice do coleóptilo poderia perceber a gravi dade e redistribuir a auxina para o lado inferior ver Capítulo 16 Por exemplo se os ápices do coleóptilo estão orientados horizontalmente uma quantidade maior de auxina difunde se no bloco de ágar da metade inferior do que da metade superior como demonstrado por bioensaio Figura 1814 Os tecidos abaixo do ápice também são capazes de responder à gravidade Por exemplo quando coleóptilos de milho orientados verticalmente são decapitados por remoção dos 2 mm superiores do ápice e então orienta dos horizontalmente uma curvatura gravitrópica ocorre a uma taxa lenta por muitas horas mesmo sem o ápice A aplicação de ácido 3indolacético AIA a principal au xina à superfície cortada restaura a taxa de curvatura a A B Metade inferior Metade superior Figura 1814 A auxina é trans portada para a parte inferior de uma ponta de coleóptilo de aveia orientada horizontalmente A A auxina das metades superior e inferior de uma ponta horizontal difundese em dois blocos de ágar B O bloco de ágar da metade in ferior esquerda induz uma curva tura maior em um coleóptilo deca pitado do que no bloco de ágar da metade superior direita Fotos M B Wilkins Taiz18indd 528 Taiz18indd 528 27102016 155739 27102016 155739 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 529 níveis normais Essa descoberta indica que a percepção do estímulo gravitacional e a divergência assimétrica de au xina podem ocorrer nos tecidos subapicais embora o ápice seja necessário para a produção de auxina A redistribuição lateral de auxina é mais difícil de de monstrar no meristema apical caulinar do que nos coleóp tilos por causa da presença da recirculação de auxina na folha em desenvolvimento e no primórdio apical do cau le semelhante ao que é observado nos ápices das raízes Entretanto alguns dos mesmos mecanismos diferenciais de transporte de auxina na curvatura fototrópica também estão envolvidos na curvatura gravitrópica O transporte polar de auxina necessita de energia e não depende da gravidade A polaridade do transporte de auxina no embrião em desenvolvimento foi discutida no Capítulo 17 A Figura 1815A ilustra o uso dos termos basípeto em direção à base e acrópeto em direção ao ápice quando se discute a direção do movimento da auxina Para maior simplicida de serão usados às vezes os termos em direção à raiz e em direção ao caule com referência aos movimentos para baixo e para cima da auxina respectivamente Estudos anteriores do transporte de auxina foram conduzidos utilizandose o método do bloco de ágar doador receptor Figura 1815B Um bloco de ágar contendo au xina marcada radiativamente bloco doador é colocado na extremidade do segmento de um tecido e um bloco receptor é colocado na outra extremidade O movimento da auxina através do tecido em direção ao bloco receptor pode ser determinado ao longo do tempo pela medição da radiatividade no bloco receptor Esse método tem sido aperfeiçoado para permitir a deposição de gotículas bem menores de auxina radiativa sobre superfícies discretas das plantas melhorando a acurácia dos estudos de trans porte de auxina por distâncias curtas A partir de tais estudos as propriedades gerais do trans porte polar de auxina se tornaram conhecidas Os tecidos di ferem no grau de polaridade do transporte de auxina Em co leóptilos caules vegetativos pecíolos e na epiderme da raiz o transporte a partir do ápice predomina ao passo que nos tecidos estelares da raiz a auxina é transportada em direção ao ápice O transporte polar de auxina não é afetado pela orientação do tecido ao menos em períodos curtos de tem po sendo portanto independente da gravidade Os efeitos da falta da gravidade no transporte polar de auxina são mostrados na Figura 1816 Nesse experimen to estacas de videira são colocadas em uma câmara úmi da permitindo a formação de raízes adventícias nas extre midades basais das estacas enquanto caules adventícios se formam nas extremidades apicais A mesma polaridade das formações de raízes e de partes aéreas ocorre mesmo quando as estacas são invertidas As raízes formamse na base porque a diferenciação da raiz é estimulada pela acu Ápice da parte aérea Plântula Hipocótilo Extremidade apical A Secção excisada Inverter A doador B receptor O transporte para o receptor acontece Extremidade basal B B doador A receptor O transporte para o receptor é bloqueado Bloco doador de ágar contendo auxina radiativa Gema apical do caule gema terminal A B Lâmina Nó Entrenós Raiz lateral Ápice da raiz Raiz primária Pecíolo Gema axilar Caule Junção cauleraiz base Acropétalo Basipétalo Acropétalo Basipétalo Figura 1815 Demonstração do transporte polar de auxina com auxina marcada radiativamente A O transporte polar de auxina é descrito em termos da direção de seu movimento em relação à base da planta a junção cauleraiz A auxina que se move para baixo a partir da parte aérea se move basipetamente em direção à base até que atinja a junção caule raiz Daquele ponto o movimento para baixo é descrito como acropétalo em direção ao ápice O movimento da auxina a partir do ápice da raiz em direção à junção cauleraiz também é descrito como basipétalo em direção à base B Método do bloco de ágar receptordoador para medir o transporte polar de auxina A polaridade do transporte é independente da orientação do tecido da planta com respeito à gravidade Taiz18indd 529 Taiz18indd 529 27102016 155740 27102016 155740 530 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento mulação de auxina devido ao transporte polar As partes aéreas tendem a se formar nos ápices onde a concentração de auxina é menor O transporte de auxina avança de modo célulacélu la e não via simplasto isto é a auxina sai da célula pela membrana plasmática difundese através da lamela mé dia composta e entra na próxima célula pela sua membra na plasmática A exportação de auxina das células é deno minada efluxo de auxina a entrada de auxina nas células é denominada absorção ou influxo de auxina O processo global requer energia conforme evidenciado pela sensibi lidade do transporte de auxina à diminuição de oxigênio sacarose e inibidores metabólicos A velocidade do transporte de auxina pode exceder 3 mm h1 em alguns tecidos sendo mais rápida do que a difusão porém mais lenta do que as taxas de translocação do floema ver Capítulo 11 Índices maiores do transporte polar de auxina são observados em tecidos imediatamen te adjacentes aos meristemas apicais do caule e da raiz O transporte polar é específico para auxinas ativas na tural e sintética outros ácidos orgânicos fracos análogos inativos de auxina e conjugados de AIA são fracamente transportados A especificidade do transporte polar de au xina indica que ele é mediado por carregadores proteicos na membrana plasmática De acordo com a hipótese do amidoestatólito amiloplastos especializados servem como sensores da gravidade nas coifas raízes Além de agir como protetora das células sensíveis do me ristema apical à medida que o ápice da raiz penetra o solo a coifa é o local de percepção da gravidade Visto que a coifa está a certa distância da zona de alongamento onde a cur vatura ocorre os eventos de sinalização da resposta gravi tacional iniciados na coifa devem induzir a produção de um mensageiro químico que modula o crescimento na zona de alongamento Experimentos microcirúrgicos em que me tade da coifa foi removida demonstraram que ela produz um inibidor de crescimento mais tarde identificado como a auxina na região inferior da raiz durante a curvatura gravi trópica Figura 1817 O mecanismo primário pelo qual a gravidade pode ser detectada pelas células é pelo movimento de um corpo em queda ou pela sedimentação Candidatos ób vios para servirem como sensores nas plantas são os amiloplastos grandes e densos pre sentes em células especializadas sensíveis à gravidade Esses grandes amiloplastos plas tídios que contêm amido têm densidade su ficientemente alta em relação ao citosol para sedimentarem prontamente na parte inferior da célula Figura 1818 Os amiloplastos que funcionam como sensores da gravidade são chamados de estatólitos e as células espe cializadas em perceber o estímulo gravitacio nal nas quais eles ocorrem são os estatócitos Amiloplastos grandes e densos que se dimentam no citosol em resposta à gravida de estatólitos estão localizados nas células centrais ou columela da coifa A remoção de Raízes adventícias Caule adventício Caule adventício Raizcontrole orientada verticalmente com a coifa A raizcontrole orientada horizontalmente com a coifa mostra curvatura gravitrópica normal Raiz Coifa A remoção da coifa da raiz vertical estimula levemente o crescimento em alongamento A remoção da metade da coifa causa uma curvatura na raiz em direção ao lado que contém a metade remanescente A remoção da coifa de uma raiz horizontal elimina a resposta à gravidade enquanto estimula levemente o crescimento em alongamento A B Figura 1816 As raízes adventícias crescem dos extremos da base das estacas de videira e os caules adventícios crescem dos extremos apicais se as estacas são mantidas na orientação invertida as duas estacas à esquerda ou na orientação correta as estacas à direita As raízes formamse nos extremos da base porque o transporte de auxina não depende da gravidade De Hartmann e Kester 1983 Figura 1817 Experimentos microcirúrgicos de monstram que a coifa é necessária para o redirecio namento da auxina e a subsequente inibição dife rencial do alongamento na curvatura gravitrópica na raiz De Shaw e Wilkins 1973 Taiz18indd 530 Taiz18indd 530 27102016 155740 27102016 155740 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 531 raízes intactas anula o gravitropismo das raízes sem inibir o crescimento De acordo com a hipótese amidoestatóli to essas células representam estatócitos ou células sensí veis à gravidade ver Figura 1818 Ainda é pouco compreendido como os estatócitos per cebem precisamente a sedimentação dos estatólitos De acordo com uma hipótese o contato ou a pressão resultante da sedimentação do amiloplasto sedimentando no retículo endoplasmático RE na metade inferior da célula desenca deia a resposta ver Figura 1818 A forma predominante do RE nas células da columela é o tipo tubular mas uma for ma incomum da RE chamada de RE nodal também está presente e deve exercer um papel na resposta à gravidade A hipótese amidoestatólito da percepção da gravida de nas raízes é apoiada por várias linhas de evidência Os amiloplastos são as únicas organelas que sedimentam con sistentemente nas células da columela de diferentes espécies vegetais e a taxa de sedimentação está correlacionada ao tempo necessário para perceber o estímulo da gravidade ver Figura 1818 As respostas gravitrópicas dos mutantes defi cientes em amido são em geral muito mais lentas do que as das plantas selvagens Entretanto os mutantes sem amido apresentam algum gravitropismo residual sugerindo que embora esse carboidrato seja necessário para uma resposta gravitacional normal também devem existir mecanismos de percepção da gravidade independentes dele 0 10 20 30 40 50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 1 2 3 4 5 Tempo s Queda do amiloplasto Alcalinização citoplásmica de células da columela Localização polar de PINs na columela Razão da auxina lateral Ângulo do ápice da raiz Tempo min Tempo h Amiloplasto Núcleo PIN3 PIN7 Retículo endoplas mático Figura 1818 Sequência de eventos seguindo a graviestimulação de uma raiz de Arabidopsis A escala de tempo na parte inferior não é linear As barras horizontais sombreadas no gráfico indicam o período de vários eventos na graviestimulação da raiz com o sombreamento mais escuro correspondendo à maior mudança O crescimento da plântula em diferentes estágios da resposta está ilustrado abaixo da escala de tempo Três estágios da sedimentação dos estatólitos são mostrados no topo A figura à esquerda mostra o tempo zero quando a plântula está rotacionada primeiro a 90 O segundo e o terceiro estágios mostrados estão a cerca de 6 minutos e 2 horas após a rota ção A seta vermelha indica o fluxo de auxina com as setas mais gros sas indicando um fluxo maior Células com concentração de auxina relativamente alta são mostradas em laranja As células da columela da coifa são mostradas em verde no tempo zero a cor muda para o azul e após para o verdeazulado em estágios mais tardios indican do o grau de alcalinização do citoplasma A distribuição do PIN3 está diagramada como uma linha roxa sobre a membrana plasmática das células da columela De Baldwin et al 2013 Taiz18indd 531 Taiz18indd 531 27102016 155740 27102016 155740 532 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Outras organelas como os núcleos podem ter den sidade suficiente para atuarem como estatólitos Talvez não seja necessário que o estatólito sedimente na parte inferior da célula visto que as interações com as endo membranas e os componentes do citoesqueleto pode riam transduzir um sinal gravitrópico de uma maneira desconhecida Os movimentos da auxina na raiz são regulados por transportadores específicos Embora as coifas contenham pequenas quantidades de AIA raízes de mutantes defeituosos no transporte de au xina como aux1 e pin2 são agravitrópicas sugerindo que a auxina seja o inibidor de crescimento derivado da coifa durante o gravitropismo Entretanto a maioria da auxina na raiz é derivada da parte aérea O AIA é liberado no ápice da raiz através de uma corrente direcionada à raiz pelo PINABCB19 Figura 1819 Ele também é sintetiza do no meristema da raiz Contudo o hormônio é excluído das células apicais da coifa pela atividade combinada dos transportadores de auxina PIN3 PIN4 e ABCB1 Ao mes mo tempo a absorção de auxina mediada por AUX1 nas células laterais da coifa impulsiona uma corrente de auxi na em direção ao caule a partir do ápice da raiz O PIN2 que está localizado na parte superior das células epidér micas da raiz e na região superior e lateral às células epi dérmicas nas células corticais conduz a auxina para longe da coifa da raiz lateral até a zona de alongamento onde estimula ou inibe o alongamento celular Além disso um modelo do circuito de refluxo de auxina nas células corticais postula que há um redirecionamento de auxina em dire ção à corrente de transporte estelar da raiz nos limites da zona de alongamento ver Figura 1819 A circulação de auxina no ápice em crescimento pode permitir a conti nuidade do crescimento da raiz por um período de tempo independente da auxina proveniente da parte aérea como também pode mover a auxina sintetizada no ápice da raiz para a corrente de refluxo Meristema apical do caule Cotilédones Hipocótilo Raiz PIN1 PIN2 PIN3 PIN4 PIN7 ABCB1 ABCB4 ABCB9 Movimento não direcional de auxina mediado por ABCB1 no meristema apical do caule ABCB19 medeia o movimento da auxina ao ápice da raiz ABCB4 regula os níveis de auxina nos pelos radiculares Movimento não direcional de auxina mediado por ABCB1 no ápice da raiz Vários PINs participam na recirculação de auxina no ápice da raiz PIN3 redireciona a auxina lateralmente de volta para o tecido parenquimático vascular PIN1 direciona o movimento vertical da auxina do caule para a raiz PIN1 é principalmente responsável pela recirculação de auxina no meristema apical do caule A B Figura 1819 Em Arabidopsis as proteínas de transporte PIN e ABCB direcionam o componente do efluxo de transporte polar de auxina através da planta A As proteínas PIN determinam a direção basal do movimento de auxina O movimento direcional de auxina está associado à distribuição tecidoespecífica de proteínas PIN carregadoras de efluxo PIN1 medeia o transporte vertical de AIA da parte aérea para a raiz ao longo do eixo embrionário apical basal ver Figura 174 e cria um dreno de auxina que aciona o transporte basípeto desse hormônio para cima a partir do ápice da raiz via carregadores de efluxo PIN2 Já que alguma difusão lateral de auxina deve ocorrer acreditase que PIN7 e PIN3 redirecionem a auxina de volta ao tecido parenquimático vascular onde o trans porte polar acontece As duas inserções mostram o movimento de auxina mediado por PIN1 no meristema apical do caule superior e a circulação de auxina regulada por PIN no ápice da raiz infe rior B Fluxo de auxina associado a proteínas ABCB de transporte dependente de ATP As setas multidirecionais nos ápices da parte aérea e da raiz indicam o transporte de auxina não direcional En tretanto quando combinado com proteínas PIN polarmente loca lizadas ocorre o transporte direcional ABCB4 regula os níveis de auxina no alongamento dos pelos da raiz A modelo de raiz de Blilou et al 2005 Taiz18indd 532 Taiz18indd 532 27102016 155740 27102016 155740 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 533 O estímulo gravitrópico perturba o movimento simétrico da auxina a partir do ápice da raiz De acordo com o modelo atual do gravitropismo o trans porte de auxina em direção ao caule em uma raiz orien tada verticalmente é igual em todos os lados Quando a raiz é orientada horizontalmente entretanto os sinais da coifa redirecionam a maior parte da auxina para o lado in ferior inibindo portanto o crescimento dessa região ver Figura 1818 Coerente com esse modelo o transporte de 3HAIA através da coifa orientada horizontalmente é po lar com um movimento preferencial para baixo O movi mento para baixo de auxina através da coifa horizontal foi confirmado utilizandose uma construção gênica repór ter DR5GFP consistindo na proteína fluorescente verde GFP green fluorescent protein sob o controle do promotor de DR5 sensível à auxina Considerase que um dos membros da família de proteí nas PIN PIN3 participe no redirecionamento de auxina nas raízes deslocadas da orientação vertical Em uma raiz orien tada verticalmente PIN3 está uniformemente distribuída em torno das células da columela mas quando a raiz é colo cada a seu favor PIN3 é preferencialmente direcionada para a parte inferior dessas células ver Figura 1818 Considera se que a distribuição de PIN3 acelere o transporte de auxi na para a parte inferior da coifa Entretanto como mutantes pin3 não são completamente agravitrópicos outros eventos assimétricos devem agir em conjunto com a localização da PIN3 para alterar o fluxo de auxina O evento mais provável seria uma mudança assimétrica na acidificação apoplástica que imporia um potencial quimiosmótico assimétrico para redirecionar o fluxo de auxina Isso causaria a redistribuição de PIN3 com amplificação do fluxo de auxina na nova dire ção canalização ver Capítulo 19 A percepção gravitrópica nos caules de eudicotiledôneas e em órgãos similares ao caule ocorre na bainha amilífera Em caules de eudicotiledôneas e em órgãos similares a caules os estatólitos envolvidos na percepção da gra vidade estão localizados na bainha amilífera a camada mais interna de células corticais que circunda o anel de tecidos vasculares das partes aéreas Figura 1820 A bai nha amilífera é contínua com a endoderme da raiz mas diferente desta suas células contêm amiloplastos que são redistribuídos quando o vetor da gravidade muda Estudos genéticos confirmaram o papel central da bainha amilífera no gravitropismo da parte aérea Mu tantes de Arabidopsis sem amiloplastos na bainha amilí fera têm crescimento agravitrópico na parte aérea porém crescimento gravitrópico normal na raiz Como observado no Capítulo 17 no mutante scarecrow scr de Arabidop sis a camada de células da qual a endoderme e a bainha amilífera são derivadas permanece indiferenciada Como consequência o hipocótilo e a inflorescência do mutante scr são agravitrópicos embora a raiz tenha uma resposta gravitrópica normal Como no caso do gravitropismo da raiz o local da per cepção da gravidade bainha amilífera está localizado a cer ta distância do local da resposta à gravidade mediada pela auxina o córtex externo e a epiderme Os transportadores de auxina têm um papel central no direcionamento des se hormônio para seus tecidosalvo As células da bainha amilífera contêm ABCB19 e PIN3 que funcionam coorde nadamente para restringir as correntes de auxina ao siste ma vascular Figura 1821 A regulação seletiva da corrente descendente do transporte de auxina conduzida por PIN1 dentro do cilindro vascular e a restrição seletiva do movi mento lateral de auxina nas células da bainha amilífera por ABCB19 e PIN3 parecem ter um papel fundamental na cur vatura trópica A percepção da gravidade pode envolver o pH e os íons cálcio Ca2 como mensageiros secundários Um diversidade de experimentos sugere que mudanças localizadas nos gradientes de pH e Ca2 são parte da sina lização que ocorre durante o gravitropismo Mudanças no pH intracelular podem ser detectadas precocemente nas células da columela que respondem à gravidade ver Figu ra 1818 Quando corantes sensíveis ao pH foram utiliza dos para monitorar o pH intra e extracelular nas raízes de Arabidopsis foram observadas mudanças rápidas após as raízes terem sido direcionadas para a posição horizontal Em menos de 2 minutos de graviestimulação o pH do ci toplasma das células da columela da coifa aumentou de 72 Córtex Epiderme Sistema vascular Caule ou hipocótilo Bainha amilífera Amiloplastos Cerne g Figura 1820 Diagrama da bainha amilífera localizada fora do anel do sistema vascular O corte à direita mostra os amiloplastos na parte inferior das células De Volkmann et al 1979 Taiz18indd 533 Taiz18indd 533 27102016 155740 27102016 155740 534 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento para 75 Figura 1822 enquanto o pH apoplástico decli nou de 55 para 45 Essas mudanças precederam qualquer curvatura trópica detectável por cerca de 10 minutos A alcalinização do citosol combinada com a acidifica ção do apoplasto sugere que a ativação da HATPase da membrana plasmática é um dos eventos iniciais que me deia a percepção da gravidade pela raiz ou a transdução de sinal O modelo quimiosmótico do transporte polar de auxina ver Figura 1711 prediz que a acidificação diferen cial do apoplasto e a alcalinização do citosol resultariam no aumento da absorção direcional e no efluxo de AIA das células afetadas Estudos fisiológicos iniciais sugeriram que a liberação de Ca2 de seus pools de reserva pode estar envolvida na transdução de sinal gravitrópica da raiz Por exemplo o tratamento de raízes de arroz com EGTA etilenoglicol bisβaminoetiléterNNNNácido tetraacético um composto que pode quelar formar um complexo com Ca2 impede a absorção de Ca2 pelas células e inibe o gravitropismo da raiz Como no caso de 3HAIA o 45Ca2 é fracamente transportado para a metade inferior da coifa que é estimulada por gravidade Assim o Ca2 dependen te de auxina e a sinalização pelo pH parecem regular a curvatura gravitrópica da raiz pela propagação da rota de sinalização dependente de Ca2 Mudanças no pH extra celular também podem ser elementos de sinalização im portantes que poderiam modular as respostas da auxina alterando o gradiente quimiosmótico de prótons Para uma discussão sobre como o gravitropismo da raiz interage com a circunutação o padrão de crescimento endógeno espiralado do ápice da raiz e o tigmotropismo ver Tópico 185 na internet PIN3 PIN3 Sistema vascular Sistema vascular A B Bainha do sistema vascular Bainha do sistema vascular ABCB19 ABCB19 PIN1 Direciona o transporte polar de auxina no transporte vascular Restringem o movimento da auxina ao sistema vascular Ápice do caule Figura 1821 Restrição da auxina ao sistema vascular principal mente no parênquima do xilema de caules de eudicotiledôneas A PIN3 está localizada na face lateral direcionada para dentro do feixe de células da bainha unindose ao sistema vascular e acreditase que redirecione a auxina para a corrente vascular A auxina também é excluída da bainha do sistema vascular pelo ABCB19 As direções das setas indicam as direções do fluxo de auxina B Um corte trans versal dessa região mostra como a exportação do ABCB19 contri buiria para o redirecionamento de auxina para o cilindro vascular Análises mutacionais indicam que PIN3 e ABCB19 atuam na redistri buição lateral de auxina na curvatura trópica Taiz18indd 534 Taiz18indd 534 27102016 155740 27102016 155740 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 535 Fototropismo Seja qual for o ângulo da luz solar uma plântula emergente é capaz de curvarse na direção dela para otimizar a ab sorção da luz um fenômeno conhecido como fototropismo Como visto no Capítulo 16 a luz azul é particularmente eficaz na indução do fototropismo e duas flavoproteínas fototropinas 1 e 2 são os fotorreceptores para a curvatura fototrópica O fototropismo necessita de eventos de sina lização a jusante que sejam póstraducionais e que ocor ram rapidamente para causar o crescimento pela curvatura Como no caso do gravitropismo a resposta da curvatura em direção à luz azul pode ser explicada pelo modelo de CholodnyWent de redistribuição lateral de auxina O fototropismo é mediado pela redistribuição lateral de auxina Charles e Francis Darwin lançaram a primeira ideia sobre o mecanismo do fototropismo nos coleóptilos demons trando que enquanto a luz branca é percebida no ápice a curvatura ocorre na região subapical Eles propuseram que alguma influência era transportada do ápice para a região de crescimento causando assim a assimetria ob servada em resposta ao crescimento Mais tarde demons trouse que essa influência era o AIA Quando um caule está crescendo verticalmente a auxina é transportada polarmente do ápice em cres cimento para a zona de alongamento A polaridade do transporte de auxina do caule para a raiz é independen te da gravidade Entretanto a auxina também pode ser transportada lateralmente e esse desvio lateral da au xina baseiase no âmago do modelo de CholodnyWent para os tropismos Na curvatura gravitrópica a auxina do ápice da raiz que é redirecionada à parte inferior da raiz inibe o alongamento celular causando uma curvatu ra da raiz para baixo Na curvatura fototrópica a auxina para o caule que é redirecionada para o lado sombreado do eixo estimula o alongamento celular O crescimento diferencial resultante tem como consequência a curvatu ra do caule em direção à luz Figura 1823 A C V V S3 S2 10 μm 40 μm 10 μm 70 topo base 05 min 05 min 5 min 8 min 10 min 72 74 76 78 0 2 4 6 8 10 15 30 70 72 74 76 Tempo após reorientação min pH citoplasmático Graviestimulado Controle B pH citoplasmático 10 μm Figura 1822 Experimentos com um corante sen sível ao pH sugerem que mudanças no pH das células da columela da coifa estão envolvidas na transdução de sinal gravitrópica A Micrografia mostrando um aumento do ápice da raiz e duas células da columela em diferentes níveis quadros da coifa identificados como S2 quadro 2 e S3 quadro 3 destaques Os citosóis das células da columela estão fluorescendo porque elas foram microinjetadas com um corante fluorescente sensível ao pH Os vacúolos v não con têm corante e por isso aparecem escuros B O pH citoplasmático aumenta em menos de 1 minuto após a graviestimulação C Imagem dos corantes sensí veis ao pH na resposta das duas células da columela em A ao estímulo gravitrópico A escala de cores abaixo foi utilizada para gerar os dados em B De Fasano et al 2001 Taiz18indd 535 Taiz18indd 535 27102016 155740 27102016 155740 536 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Embora os mecanismos fototrópicos pareçam ser alta mente conservados nas espécies vegetais os locais precisos da produção de auxina da percepção da luz e do transporte lateral têm sido difíceis de serem determinados Em coleóp tilos de milho a auxina acumulase em 1 a 2 mm da parte superior do ápice As zonas de fotossensibilidade e trans porte lateral estendemse ao longo de 5 mm do ápice A res posta é também fortemente dependente da fluência da luz o número de fótons por unidade de área Zonas similares de sínteseacumulação de auxina percepção da luz e transporte lateral são vistas nos caules verdadeiros de todas as monoco tiledôneas e eudicotiledôneas examinadas até agora A acidificação do apoplasto parece ter um papel no crescimento fototrópico o pH apoplástico no lado som breado de caules ou coleóptilos fototropicamente curvados é mais ácido do que no lado iluminado A diminuição do pH aumenta o transporte de auxina pelo aumento na taxa de entrada de AIA na célula e pelos mecanismos de eflu xo de auxina acionados pelo potencial quimiosmótico de prótons De acordo com a hipótese de crescimento ácido seria esperado que essa acidificação também aumentasse o alongamento celular Seria esperado que ambos os pro cessos o aumento no transporte de auxina e aumento no alongamento celular no lado sombreado contribuíssem para a curvatura em direção à luz Para uma descrição do fototropismo negativo nas raí zes ver Tópico 186 na internet O fototropismo ocorre em uma série de eventos póstraducionais Como mencionado anteriormente os eventos da cur vatura fototrópica ocorrem rapidamente Embora sejam proteínas hidrofílicas as fototropinas estão associadas à membrana plasmática Em Arabidopsis a luz azul de bai xa fluência é percebida pelas células no lado irradiado do hipocótilo e uma série de eventos de transdução de sinal é iniciada Durante o primeiro minuto são formados novos mi crotúbulos orientados longitudinalmente e microtúbulos preexistentes são degradados ver Tópico 187 na inter net Após cerca de 3 minutos de irradiação com luz azul unilateral a fototropina 1 phot1 sofre autofosforilação e algumas das proteínas dissociamse da membrana plas mática A seguir a phot1 ativada na membrana plasmáti ca fosforila o transportador de auxina ABCB19 inibindo sua atividade e bloqueando o transporte de auxina ver a seguir A phot 1 autofosforilada é então internalizada pela endocitose mediada pela clatrina A função da interna lização não é clara mas ela pode ter um papel na si nalização da fototropina ou na dessensibilização do re ceptor Por exemplo a proteína NONPHOTOTROPIC HYPOCOTYL 3 NPH3 originalmente identificada como um mutante não curvado nph3 é um adaptador de substrato para uma ubiquitina ligase A NPH3 está localizada na membrana plasmática e é desfosforilada após a exposição à luz azul A NPH3 desfosforilada in terage com a phot1 que é então destinada para a de gradação pelo proteassomo 26S Contraintuitivamente a ubiquitinação da phot1 mediada pela NPH3 parece ser necessária para a curvatura fototrópica Há evidência circunstancial de que a ubiquitinação pode aumentar o transporte endossômico da phot1 para outras partes da célula Como já observado a fosforilação de ABCB19 pela phot1 induzida pela luz azul inibe sua atividade de eflu xo A ABCB19 tem um papel importante no transporte de auxina fora do ápice caulinar e ela também mantém as correntes de transporte de auxina a longa distância im pedindo a reabsorção celular e a difusão para os tecidos vizinhos A ABCB19 portanto funciona com PIN1 para facilitar o transporte de auxina dos tecidos apicais para as raízes Como consequência da inibição da ABCB19 a auxina acumulase acima do nó cotiledonar e menos auxina é liberada na zona de alongamento causando o término do alongamento do hipocótilo Figura 1824 Após a pausa no alongamento o transporte basípeto de auxina mediado por PIN3 reinicia preferencialmente no lado sombreado da plântula A acumulação de auxina no lado sombreado do hipocótilo superior pode ser de tectada após cerca de 15 minutos de exposição à luz azul unilateral Além disso há um aumento na concentração de auxina no cilindro vascular do hipocótilo na zona de alongamento e abaixo dela ver Figura 1824 A curvatura em direção à fonte de luz azul inicia após cerca de 2 horas Embora as fototropinas sejam os fotorreceptores pri mários para o fototropismo fitocromos e criptocromos também podem contribuir para a resposta ver Tópico 188 na internet 80 06 0 40 20 Tempo min Crescimento em comprimento mm 100 120 60 09 12 15 18 Lado sombreado Controle sem tratamento de luz Lado iluminado 03 Figura 1823 Curso do processo de crescimento nos lados ilu minados e sombreados de um coleóptilo respondendo a um pulso de 30 segundos de luz azul unidirecional Os coleóptiloscontrole não foram tratados com luz De Iino e Briggs 1984 Taiz18indd 536 Taiz18indd 536 27102016 155740 27102016 155740 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 537 Fotomorfogênese As partes aéreas de plântulas cultivadas no escuro são es tioladas isto é elas têm hipocótilos longos um ápice em forma de gancho cotilédones próximos e próplastídios não fotossintetizantes fazendo as folhas não expandi das terem uma cor amarela pálida Por outro lado plân tulas cultivadas sob luz têm hipocótilos menores e mais espessos cotilédones abertos e folhas expandidas com cloroplastos ativos fotossinteticamente Figura 1825 O desenvolvimento no escuro é denominado escotomor fogênese enquanto o desenvolvimento na presença de luz é denominado fotomorfogênese Quando plântulas cultivadas no escuro são transferidas para a luz a foto morfogênese inicia e as plântulas são ditas desestioladas A troca entre desenvolvimentos no escuro e no claro envolve mudanças genômicas amplas na transcrição e na AIA AIA AIA 1 No escuro a auxina movimentase primeiro da parte aérea para a raiz pelos tecidos vasculares nos pecíolos e no hipocótilo bem como pela epiderme 2 Após exposição à luz azul unidirecional o movimento de auxina cessa brevemente no nó cotiledonar e a plântula interrompe o crescimento vertical 3 A auxina é redistribuída para o lado sombreado e o transporte polar reinicia 4 As células no lado sombreado do hipocótilo alongamse resultando em crescimento diferencial e a plântula curvase em direção à fonte de luz AIA Cotilédones Pecíolo Hipocótilo Alongamento Luz azul Luz azul Luz azul AIA AIA B Milho cultivado no escuro A Milho cultivado na luz C Mostarda cultivada na luz D Mostarda cultivada no escuro Figura 1824 Modelo do movimento basípeto de auxina linhas vermelhas associado com o fototropismo em plântulas de Arabi dopsis aclimatadas ao escuro De Christie et al 2011 Figura 1825 Plântulas de eudicotiledôneas e monocotiledône as cultivadas sob iluminação e no escuro A e B Milho Zea mays e C e D mostarda Eruca sp cultivados na luz A e C ou no escuro B e D Os sintomas do estiolamento no milho uma monocotiledônea abrangem ausência do esverdeamento redução da largura da folha incapacidade de enrolamento foliar e alongamento do coleóptilo e do mesocótilo Na mostarda uma eudicotiledônea os sintomas do estiolamento incluem ausência do esverdeamento tamanho reduzi do da folha alongamento do hipocótilo e manutenção do ápice em gancho A e B imagens cortesia de Patrice Dubois C e D imagens de David McIntyre Taiz18indd 537 Taiz18indd 537 27102016 155741 27102016 155741 538 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento tradução desencadeadas pela percepção da luz por diver sas classes de receptores ver Capítulo 16 Apesar da com plexidade do processo a transição da escotomorfogênese para a fotomorfogênese é surpreendentemente rápida Dentro de minutos de aplicação de um único flash de luz a uma plântula de feijoeiro cultivada no escuro muitas mu danças ocorrem no desenvolvimento Um decréscimo na taxa de alongamento do caule O início da abertura do ápice em forma de gancho O início da síntese dos pigmentos fotossintetizantes A luz age portanto como um sinal para induzir uma mu dança na forma da plântula de uma que facilita o cres cimento dentro do solo para uma que possibilitará de maneira eficiente que a planta colha energia luminosa e converta essa energia nos açúcares proteínas e lipídeos essenciais e necessários ao crescimento Entre os diferentes fotorreceptores que podem pro mover respostas morfogenéticas nas plantas os mais im portantes são os que absorvem as luzes azul e vermelha O fitocromo é um pigmento proteico fotorreceptor que absorve luz vermelha e vermelhodistante mais forte mente mas também absorve luz azul Ele medeia vários aspectos do desenvolvimento vegetativo e reprodutivo incluindo a germinação a fotomorfogênese e o floresci mento ver Capítulo 20 Os criptocromos são flavoprote ínas que medeiam muitas respostas à luz azul envolvidas na fotomorfogênese incluindo a inibição do alongamen to do hipocótilo a expansão cotiledonar e o alongamento do pecíolo Como visto no Capítulo 16 a fotomorfogênese é re gulada negativamente No escuro muitos dos fatores de transcrição que regulam a fotomorfogênese são degra dados no núcleo via ubiquitinação mediada pela COP1 e pelo proteassomo 26S Na presença de luz esse processo é inibido permitindo a sequência da fotomorfogênese Hormônios vegetais atuam na coordenação dessas mu danças na planta Giberelinas e brassinosteroides suprimem a fotomorfogênese no escuro No escuro o nível do fitocromo na forma Pfr absorção do vermelhodistante é baixo Como o Pfr inibe a sensibili dade do hipocótilo a GA as GAs endógenas promovem o alongamento celular do hipocótilo em escala maior no escuro do que na luz ocasionando o surgimento de plân tulas longas e finas cultivadas no escuro Sob a luz o Pr a forma de fitocromo que absorve no vermelho é convertido em Pfr que ocasiona uma menor sensibilidade do hipocó tilo às GAs Como consequência o alongamento do hipo cótilo é amplamente reduzido e a plântula passa por uma desestiolação Por essa razão mutantes de ervilha deficien tes em GA cultivados no escuro mostramse desestiolados embora não possuam clorofila que necessita de luz para sua síntese ver Capítulo 7 Em conjunto esses resultados indicam que a GA suprime a fotomorfogênese no escuro e a supressão é revertida pela luz vermelha Os brassinosteroides exercem um papel paralelo na supressão da fotomorfogênese no escuro Triagens gené ticas para mutantes que aparecem desestiolados quando cultivados no escuro levaram à identificação do gene DE ETIOLATED2 DET2 que codifica um gene de biossíntese de brassinosteroide Mutantes de det2 de perda de função reduziram os níveis de brassinosteroides resultando em uma aparência desestiolada da plântula mesmo quando cultivada no escuro Figura 1826 Assim os brassinos teroides como as GAs suprimem a fotomorfogênese no escuro Os brassinosteroides também são necessários para a promoção do alongamento celular pelas GAs a degra dação do repressor das proteínas DELLA induzida pelas GAs intensifica a resposta do brassinosteroide Por fim as rotas de transdução de sinal desses dois hormônios in teragem com a rota do fitocromo mediante sua regulação dos fatores de interação dos fitocromos PIFs phytochrome interacting factors ver Capítulo 16 Tipo selvagem Mutante det2 Figura 1826 A plântula mutante det2 de Arabidopsis cultivada no escuro à esquerda tem um hipocótilo curto e grosso e cotilé dones abertos O tipo selvagem cultivado no escuro está à direita Cortesia de S SavaldiGoldstein Taiz18indd 538 Taiz18indd 538 27102016 155741 27102016 155741 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 539 A abertura do gancho é regulada por fitocromo e auxina Plântulas estioladas de eudicotiledôneas em geral são carac terizadas por uma região em forma de gancho logo abaixo do ápice caulinar A formação do gancho e sua manutenção no escuro resultam do crescimento assimétrico induzido por etileno Figura 1827A A forma fechada do gancho é uma consequência do alongamento mais rápido do lado externo do caule do que do lado interno Quando exposto à luz bran ca o gancho abre porque a taxa do alongamento do lado interno aumenta equalizando a taxa de crescimento em am bos os lados ver Apêndice 2 na internet A luz vermelha induz a abertura do gancho e a luz vermelhodistante reverte o efeito da luz vermelha indi cando que o fitocromo é o fotorreceptor envolvido nesse processo Uma interação próxima entre o fitocromo e o etileno controla a abertura do gancho Ao mesmo tempo que o etileno é produzido pelo tecido do gancho no escu ro o alongamento das células do lado interno é inibido A luz vermelha inibe a formação do etileno promovendo o crescimento do lado interno causando assim a abertura do gancho O mutante insensível à auxina axr1 não desenvolve um gancho apical e o tratamento de plântulas selvagens de Arabidopsis com NPA ácido N1naftilftalâmico um inibidor do transporte polar de auxina bloqueia a forma ção do gancho apical Esses e outros resultados indicam um papel da auxina na manutenção da estrutura do gan cho O crescimento mais rápido dos tecidos externos em relação aos internos poderia refletir uma redistribuição lateral de auxina dependente de etileno análogo ao gra diente lateral de auxina que se desenvolve durante a cur vatura fototrópica O etileno induz a expansão celular lateral Em concentrações acima de 01 μL L1 o etileno muda o padrão de crescimento de plântulas de eudicotiledôneas pela redução da taxa de alongamento e pelo aumento da expansão lateral provocando um intumescimento do hi pocótilo ou do epicótilo Conforme discutido no Capítulo 14 o direcionamento da expansão da parede celular é de terminado pela orientação das suas microfibrilas de celu lose As microfibrilas transversais reforçam a parede celu lar na direção lateral de modo que a pressão de turgor fica canalizada para o alongamento celular A orientação das microfibrilas é por sua vez determinada pela orientação da série cortical dos microtúbulos no citoplasma cortical periférico Nas células vegetais em alongamento típico os microtúbulos corticais estão dispostos transversal mente originando microfibrilas de celulose organizadas transversalmente Durante a resposta da plântula ao etileno o padrão transversal do alinhamento dos microtúbulos nas célu las do hipocótilo é rompido e os microtúbulos mudam para uma orientação longitudinal Figura 1827B Essa mudança de 90 graus na orientação dos microtúbulos leva à mudança em paralelo na deposição das microfi brilas de celulose A parede recémdepositada é reforça da na direção longitudinal e não na direção transversal que promove a expansão lateral em vez do alongamento Figura 1828 A B Figura 1827 Efeitos do etileno sobre o crescimento e a orientação dos microtúbu los em plântulas de Arabidopsis A Respos ta tripla ao etileno em Arabidopsis Plântulas de 3 dias de idade cultivadas na presença de luz direita ou na ausência de luz esquerda em 10 ppm de etileno Observe o hipocótilo encurtado o alongamento reduzido da raiz e uma exacerbação da curvatura do gancho apical que resulta da presença do etileno B O etileno afeta a orientação dos microtúbu los Essa orientação é horizontal nos hipo cótilos de plântulascontrole transgênicas de Arabidopsis cultivadas no escuro expres sando um gene de tubulina marcado com uma proteína fluorescente verde ver painel superior A orientação dos microtúbulos é longitudinal nas células dos hipocótilos de plântulas tratadas com o precursor do eti leno ACC que aumenta a produção desse hormônio ver painel inferior A cortesia de Joe Kieber B de Le et al 2005 Taiz18indd 539 Taiz18indd 539 27102016 155741 27102016 155741 540 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Evitação da sombra As plântulas que germinam abaixo de outras plantas devem competir imediatamente pelos recursos de luz que são ne cessários para o seu estabelecimento A evitação da sombra é o alongamento aumentado do caule que ocorre em certas plantas em resposta ao sombreamento pelas folhas A res posta é específica ao sombreamento produzido pelas folhas verdes que atuam como filtros para luzes vermelha e azul e não induzida por outros tipos de sombreamento Nesta seção é discutido o papel central do fitocromo na percepção e na evitação da sombra Outros sistemas reguladores que contribuem para a evitação da sombra incluem o criptocromo fotorreceptor de luz azul e o hor mônio vegetal brassinosteroide O fitocromo permite que as plantas se adaptem às mudanças na qualidade da luz A presença do pigmento reversível vermelhovermelho distante em todas as plantas verdes das algas às eudi cotiledôneas sugere que esses comprimentos de onda de luz disponibilizam a informação que auxilia as plantas a se ajustarem a seus ambientes Que condi ções ambientais mudam os níveis relativos desses dois comprimentos de onda em ra diação natural A razão entre luz vermelha R e luz vermelhodistante FR varia bastante nos diferentes ambientes Ela pode ser definida como segue RFR Taxa de fluência de fótons em bandas de 10 nm centradas em 660 nm Taxa de fluência de fótons em bandas de 10 nm centradas em 730 nm A Tabela 182 compara a taxa de fluência total rela cionada com a intensidade de luz em fótons 400800 nm e os valores de RFR em oito condições e ambientes natu rais Em comparação com a luz do dia há proporcional mente 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 O fenômeno da co bertura resulta do fato de que folhas verdes absorvem luz vermelha por causa de seu alto conteúdo de clorofila mas são relativamente transparentes à luz vermelhodistante A diminuição da razão RFR causa o alongamento das plantas de sol Uma importante função do fitocromo é que ele permite que as plantas percebam o sombreamento por outras plan tas As plantas que aumentam o tamanho do caule em res 1 0 2 3 4 5 6 7 8 20 0 40 60 80 100 120 140 Tempo h Taxa de crescimento normalizado B Etileno adicionado 1 0 2 3 4 5 6 7 8 20 0 40 60 80 100 120 140 Tempo h Taxa de crescimento normalizado A Etileno removido Etileno adicionado Fase 1 Fase 2 Fase 1 Fase 2 ein3eil1 ein2 Tipo selvagem Figura 1828 Cinética dos efeitos do etileno sobre o alongamento do hipocótilo em plântu las de Arabidopsis cultivadas no escuro A Taxa de crescimento de plântulas de Arabidopsis tipo selvagem estioladas após exposição ao etileno e subsequente remoção do etileno nos tempos indicados pelas setas Observe que a redução na taxa de crescimento seguida de exposição ao etileno corre em duas fases distintas B Taxa de crescimento de plântulas do tipo selvagem estio ladas e plântulas mutantes ein2 e ein3eil1 segui da de exposição ao etileno no momento indicado pela seta Observe que a resposta de fase I das plântulas mutantes ein3eil1 com uma rota de si nalização de etileno defeituosa ver Capítulo 15 é idêntica àquela do tipo selvagem mas não há resposta de fase II De Binder et al 2004a b Taiz18indd 540 Taiz18indd 540 27102016 155741 27102016 155741 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 541 posta ao sombreamento exibem uma resposta de evitação à sombra Conforme aumenta o sombreamento a razão RFR diminui ver Figura 166B Uma proporção maior de luz vermelhodistante converte mais Pfr em Pr e a razão do Pfr para o fitocromo total PfrPtotal diminui Quando plantas de sol plantas adaptadas a hábi tats de campo aberto foram cultivadas sob luz natural em um sistema de sombreamento que controla a razão RFR as taxas de aumento do caule cresceram em resposta a um maior conteúdo de luz vermelhodistante ie uma ra zão PfrPtotal menor Figura 1829 Em outras palavras o sombreamento simulado da cobertura altos níveis de luz vermelhodistante menor razão de PfrPtotal induziu essas plantas a alocarem mais de seus recursos para se tornarem mais altas Essa correlação não foi tão forte quanto para as plantas de sombra que normalmente crescem sob uma cobertura foliar As plantas de sombra mostraram uma redução menor no comprimento de seus caules do que as plantas de sol quando foram expostas a valores maiores de RFR ver Figura 1829 Portanto parece haver uma relação sistemática entre o crescimento controlado pelo fitocromo e o hábitat da espécie Tais resultados indicam o envolvi mento do fitocromo na percepção da sombra Para uma planta de sol ou planta que evita a som bra existe um valor adaptativo nítido em alocar seus recursos voltados a um crescimento mais rápido em ex tensão quando ela é sombreada por outra planta Desse modo ela pode aumentar suas chances de crescer acima da cobertura dossel e adquirir uma maior porção de ra diação fotossinteticamente ativa não filtrada O preço por favorecer o alongamento entrenós é geralmente uma re dução na área foliar e nas ramificações mas ao menos em curto prazo essa adaptação ao sombreamento da cobertu ra aumenta a aptidão fitness da planta Quando a planta cresce acima da cobertura ou ocorre uma clareira no dos sel quando uma árvore cai na floresta a planta então fica livre da evitação da sombra e da competição por luz A análise genética de Arabidopsis indicou que das cinco isoformas do fitocromo phyAE encontradas nas angios permas phyB tem um papel predominante na mediação de muitas das respostas de evitação da sombra porém phyD e phyE também contribuem O phyA também tem um papel antagonizando as respostas mediadas por phyB D e E Quando as plantas são cultivadas sob razão RFR alta como em uma cobertura aberta as proteínas phy locali zamse no núcleo e inativam as proteínas PIF que agem como reguladores negativos da resposta fotomorgênica do fitocromo Figura 1830 Sob RFR baixa uma quanti dade de fitocromos é excluída do núcleo possibilitando a acumulação de proteínas PIF que promovem as respostas de alongamento ver Figura 1613 Além da interação com phy as proteínas PIF também estão sujeitas à regulação negativa por proteínas DELLA que são componentes da rota de sinalização por giberelina Desse modo as proteí nas PIF parecem integrar inúmeros sinais luminosos na transição da escotomorfogênese para a fotomorfogênese p ex biossíntese de clorofila assim como respostas de ajuste fino a mudanças na qualidade da luz p ex evita ção da sombra Outros fotorreceptores e hormônios tais como crip tocromos auxina e brassinosteroides também participam na fotomorfogênese Para uma discussão ver Tópico 189 na internet 008 010 006 004 002 00 02 04 06 08 PfrPtot Logaritmo da taxa do caule em alongamento Plantas de sombra Plantas de sol Figura 1829 O fitocromo parece ter um papel predominante no controle da taxa de alongamento do caule em plantas de sol linha contínua porém não em plantas de sombra linha tracejada De Morgan e Smith 1979 TABELA 182 Parâmetros de luz ecologicamente importantes Taxa de fluência μmol m2 s1 RFRa Luz do dia 1900 119 Crepúsculo 265 096 Luar 0005 094 Dossel de hera 177 013 Solo a uma profundidade de 5 mm 86 088 Lagos a uma profundidade de 1 m Lago Negro 680 172 Lago Leven 300 31 Lago Borralie 1200 12 Fonte Smith 1982 p 493 Nota O fator de intensidade de luz 400800 nm é dado pela densidade de fluxo de fótons e a luz ativa no fitocromo é dada pela razão RFR aValores absolutos obtidos de varreduras do espectrorradiômetro os valores devem indicar as relações entre as várias condições naturais não sendo médias ambientais de fato Taiz18indd 541 Taiz18indd 541 27102016 155741 27102016 155741 542 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento A redução das respostas de evitação da sombra pode melhorar a produtividade das culturas As respostas de evitação da sombra devem ser altamente adaptativas em um ajuste natural para auxiliar as plantas a competir com a vegetação vizinha Para uma discussão da variação ecotípica nas respostas dos fitocromos ver Tó pico 1810 na internet Porém para muitas espécies de culturas agrícolas uma realocação de recursos do cresci mento reprodutivo para o vegetativo pode reduzir o ren dimento da cultura Em anos recentes ganhos na produ tividade de culturas como o milho aconteceram por meio do melhoramento de novas variedades com uma alta tole rância ao adensamento que induz respostas de evitação da sombra e não por aumentos no rendimento básico por planta Como consequência as variedades atuais de mi lho podem ser cultivadas em densidades maiores do que as mais antigas sem sofrer decréscimos na produtividade Figura 1831 DELLA GID1 GA GA GA Citosol Cobertura aberta RFR 1 Sombra RFR 1 phyPfr phyPfr phyPr phyPfr RFR alta RFR baixa Giberelina Proteassomo 26S DELLA PIF DNA PIF PIF PIF PIF Promoção do crescimento do caule Inibição do crescimento do caule Ubiquitina Núcleo 1 Sob luz solar direta a luz vermelha predomina e a forma Pfr do fitocromo movese para o núcleo 2 No núcleo phy causa a degradação das proteínas PIF que atuam como reguladores negativos da fotomorfogênese 3 Como resultado os repressores DELLA ligamse à PIF e impedem a transcrição dos genes regulados por PIF 4 Na ausência da expressão gênica induzida por PIF o crescimento do caule é limitado 5 Sob a cobertura vegetal a luz é enriquecida nos comprimentos de onda vermelho distante O fitocromo está na forma inativa Pr 6 Na ausência de Pfr as PIFs não são degradadas 8 À medida que as proteínas PIF se acumulam a expressão gênica induzida por PIF aumenta promovendo o alongamento do caule 7 A sensibilidade à giberelina aumenta causando a degradação dos repressores DELLA 1 2 3 4 8 5 6 7 Figura 1830 Papéis do fitocromo e da giberelina na evitação da sombra Cortesia de Yvon Jaillais Diferenciação do sistema vascular Durante a embriogênese na semente os transportes sim plástico e apoplástico são suficientes para distribuir água nutrientes e sinais ao longo do embrião pelo processo de difusão Seguindose à germinação entretanto a plântu la emergente requer um sistema vascular contínuo para distribuir moléculas rapidamente e de maneira eficiente através da planta O sistema vascular do embrião consiste somente em procâmbio sistema vascular imaturo Du rante a emergência da plântula aparecem as primeiras cé lulas do protoxilema e do protofloema seguidas de células Taiz18indd 542 Taiz18indd 542 27102016 155741 27102016 155741 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 543 maiores do metaxilema e do metafloema Figura 1832 As células do protofloema e do metafloema podem dife renciarse em elementos crivados células companheiras fibras ou células parenquimáticas As células do protoxi lema e do metaxilema podem se tornar elementos de vaso do xilema e traqueídes fibras ou parênquima Auxina e citocinina são necessárias para o desenvolvimento vascular normal As interações de auxina e citocinina são importantes para direcionar o desenvolvimento vascular Por exemplo no Ca pítulo 17 foi visto que o gene WOODEN LEG WOL codifica um receptor de citocinina e é necessário para o desenvol vimento vascular Em mutantes wol os quais são defectivos na sinalização por citocinina as células do protofloema e do protoxilema não conseguem se desenvolver sugerindo que a sinalização por citocinina é necessária para a especificação dos tipos celulares pelas células procambiais De maneira similar os genes AXR3 são membros da família gênica AUXAIA de reguladores transcricionais que são rapidamente induzidos pela auxina AXR3 é ne cessário para a sinalização por auxina e o desenvolvimen to do protoxilema é bloqueado nos mutantes axr3 Assim a sinalização por auxina é necessária para o desenvolvi mento do protoxilema Por causa da dificuldade em se estudar a diferencia ção do xilema em tecidos com múltiplos tipos celulares muito da compreensão atual do processo originase do estudo da xilogênese em culturas celulares de Zinnia ele gans em suspensão No embrião maduro o sistema vascular consiste em células procambiais A Em aproximadamente 25 dias após a germinação o protofloema linhas tracejadas e o protoxilema imaturos linhas pontilhadas desenvolvemse Em aproximadamente 275 dias após a germinação o protofloema maduro linhas contínuas desenvolvese mas o protoxilema ainda está imaturo linhas pontilhadas Em plântulas de 3 dias de idade a maior parte do protofloema e do protoxilema está plenamente diferenciada com o desenvolvimento seguindo em direção à raiz B C D Figura 1831 Plantação de alta densidade e produtividade da cultura Variedades modernas de milho são plantadas em alta den sidade Tradicionalmente americanos nativos cultivavam milho em pequenas colinas ou montes o espaçamento entre as plantas era superior a 1 metro As plantas eram baixas e com frequência pro duziam múltiplas e pequenas espigas Híbridos modernos ao con trário são plantados mecanicamente em fileiras densas com pouco espaço entre elas em geral 74000 a 94000 plantas por hectare Embora a produtividade por planta não tenha aumentado drasti camente por muitos anos nos híbridos comerciais a produtividade total continuou a aumentar bastante por causa do melhor desem penho de plantas em alta densidade Como mostrado nesta ima gem do estado de Nova Iorque variedades modernas de milho têm folhas eretas que auxiliam as plantas a capturarem a energia solar sob condições de adensamento Cortesia de T Brutnell Figura 1832 Diferenciação e padronização vascu lar em embriões e plântulas de Arabidopsis De Busse e Evert 1999 Taiz18indd 543 Taiz18indd 543 27102016 155741 27102016 155741 544 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento As culturas celulares de Z elegans em suspensão podem ser induzidas a realizar xilogênese As culturas celulares de Z elegans em suspensão deri vadas das células do mesofilo podem ser induzidas a se diferenciar diretamente a partir de células maduras do parênquima em elementos traqueais xilema Três está gios de desenvolvimento na xilogênese de Z elegans foram identificados cada um associado a estados fisiológicos mudanças morfológicas e padrões de expressão gênica es pecíficos O estágio I consiste na desdiferenciação das células do mesofilo e na aquisição de competência para redi ferenciaremse em elementos traqueais A desdiferen ciação envolve muitos dos mesmos genes envolvidos na resposta a lesões em plantas Durante o estágio II iniciam a síntese a padronização e a deposição de material de parede secundária A au tofagia ver Capítulo 22 tornase ativa nesse período contribuindo para a autólise celular No estágio III completase a deposição do espessa mento da parede secundária e acontece a lignificação Simultaneamente a membrana vacuolar rompese o que leva à completa autólise do protoplasto incluindo a membrana plasmática Ao final do processo perma nece somente um tubo oco consistindo em uma ca mada externa granular uma camada média de parede primária e uma camada interna com parede secundá ria lignificada Figura 1833 A xilogênese envolve uma sinalização química entre as células vizinhas A auxina e a citocinina são necessárias para o início da xilogênese nas culturas celulares de Z elegans e os brassi nosteroides atuam em estágios posteriores promovendo a lignificação e a morte celular programada Outros agentes sinalizadores estão sem dúvida envolvidos Por exem plo elementos de vasos formados nas culturas celulares em suspensão têm paredes terminais fechadas ver Figura 1833AE ao contrário de elementos de vasos formados in vivo que têm as paredes terminais abertas Essa dis crepância sugere que o desenvolvimento normal de ele mentos traqueais envolve a sinalização entre as células su periores e inferiores de uma fila Um exemplo conhecido de tal sinalização entre os elementos traqueais é o fator similar a proteoglicanas xilogênio que medeia a diferen ciação do xilema nas culturas celulares de Z elegans em suspensão O xilogênio normalmente acumulase no me ristema no procâmbio e no xilema das plântulas dessa es pécie e está concentrado nas extremidades apicais das pa redes celulares dos elementos traqueais em diferenciação Figura 1833F A distribuição polar de xilogênio sugere um papel na comunicação célulacélula durante a forma ção dos vasos que é específica para as paredes terminais A B C D E F Elemento traqueal Elemento traqueal diferenciandose 1 2 3 20 μm Figura 1833 Formação do xilema em Z elegans e na cultura de células A As paredes celulares do xilema de Z elegans têm três camadas principais 1 uma matriz granular externa 2 uma parede celular primária e 3 uma parede celular secundária BE Sequência mostrando a diferenciação dos elementos traqueais de Z elegans em culturas celulares do mesofilo em suspensão F Lo calização do xilogênio em uma plântula de 14 dias de idade A de Lacayo et al 2010 arte de Sabrina Fletcher BE de NovoUzal et al 2013 F de Motose et al 2004 Taiz18indd 544 Taiz18indd 544 27102016 155742 27102016 155742 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 545 Crescimento e diferenciação da raiz As primeiras plantas terrestres não tinham raízes em vez disso utilizavam estruturas superficiais similares a rizomas caules subterrâneos para ancoragem e absor ção As raízes evoluíram independentemente ao menos duas vezes estando presentes em todos os grupos de plantas vasculares terrestres O eixo de desenvolvimento da raiz pode ser dividido em três zonas fundamentais a zona meristemática a zona de alongamento e a zona de diferenciação Figura 1834 Células tecidos e órgãos especializados incluindo pelos endoderme elementos condutores do xilema e floema e primórdios da raiz la teral alcançam a maturidade na zona de diferenciação A formação da estria de Caspari na endoderme foi descri ta no Capítulo 14 O desenvolvimento da epiderme da raiz segue três padrões básicos Os pelos são importantes para a absorção de água e nutrientes Eles também têm um papel mecânico para auxiliar a ancoragem das plantas no solo A maioria das espécies vegetais incluindo a maioria das pteridófitas e DNA EGL3 GL3 TTG1 A B Célula cortical Célula epidérmica Célula com pelo Célula com pelo Célula sem pelo Célula sem pelo GL2 GL2 WER WER EGL3 GL3 TTG1 JKD JKD JKD JKD JKD JKD WER CPC SCM SCM SCM CPC CPC Pelo Centro quiescente Zona de diferenciação Zona de alongamento Zona de oscilação Zona meristemática Coifa Primórdio da raiz lateral 1 2 3 4 5 6 1 Em células sem pelos WER forma um complexo transcricional com TTG1 GL3 e EGL3 para ativar o gene GL2 que resulta no destino de uma célula sem pelo 2 O complexo transcricional WER induz a expressão do gene CPC 3 A proteína CPC movese para dentro do presuntivo pelo celular e impede WER de formar um complexo transcricional 4 As células no córtex liberam um sinal dependente do gene JKD que ativa a proteína SCM no presuntivo pelo celular 5 A SCM ativada reprime WER 6 Na ausência da atividade de WER o GL2 não é expresso o que leva à especificação do pelo da raiz Figura 1834 Locais de início das raízes laterais e dos pelos nas raízes de Arabidopsis A Corte longitudinal da raiz mostrando zo nas de sobreposição de desenvolvimento A divisão celular ocorre na zona meristemática e a expansão e o alongamento celulares ocor rem na zona de alongamento A região de transição entre as zonas meristemáticas e de alongamento zona de oscilação também está indicada A diferenciação celular ocorre na zona de diferenciação marcada pela formação de pelos por tricoblastos B A especificação do pelo da raiz em Arabidopsis envolve vários genes TTG1 TRANS PARENT TESTA GLABRA1 GL3 GLABRA3 GL2 GLABRA2 EGL3 ENHANCER OF GLABRA3 WER WEREWOLF CPC CAPRICE JKD JACKDAW SCM SCRAMBLED Taiz18indd 545 Taiz18indd 545 27102016 155742 27102016 155742 546 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento dicotiledôneas assim como muitas monocotiledôneas apresenta o Tipo I de desenvolvimento de pelos no qual toda célula epidérmica da raiz pode potencialmente se diferenciar em um pelo Figura 1835A Nas demais es pécies a epiderme consiste em uma mistura de células algumas com o potencial de formar pelos tricoblastos e outras que não têm essa capacidade atricoblastos Essas espécies enquadramse em duas categorias com base na localização do pelo da raiz Nas plantas do Tipo II que incluem as plantas vasculares primitivas Lycopo dium Selaginella e Equisetum a família das angiosper mas basais Nymphaeaceae ninfeias e algumas mo nocotiledôneas os pelos emergem das células menores produzidas por uma divisão assimétrica no meristema da raiz Figura 1835B O Tipo III de desenvolvimento de pelos é encontrado exclusivamente em Brassicaca ceae Em Arabidopsis por exemplo a epiderme da raiz consiste na alternância de filas de células que são tri coblastos ou atricoblastos Figura 1835C Portanto o destino da célula tricoblástica do Tipo III é especificado no meristema A identidade do tricoblasto nos meristemas de raízes de Arabidopsis é determinada pela interação de fatores de transcrição Os fatores de transcrição WEREWOLF WER TRANSPARENT TESTA GLABRA1 TTG1 GLABRA3 GL3 e ENHANCER OF GLABRA3 EGL3 formam um complexo que promove a expressão de GL2 e CAPRICE CPC no atricoblasto ver Figura 1834B Nos tricoblastos CPC desloca WER do complexo de fatores transcricionais de modo que GL2 não é expresso Além disso a expressão de WER é suprimida nas células tricoblásticas via sinali zação por um receptor tipo quinase SCRAMBLED SCM A identidade do tricoblasto também é promovida pelo JA CKDAW JKD um fator de transcrição do tipo dedo de zinco e por pequenos peptídeos de sinalização chamados fatores de crescimento do meristema da raiz De acordo com uma hipótese uma célula epidérmica da raiz desen volvese em um tricoblasto porque ela tem mais área de superfície em contato com duas células corticais de modo que há mais peptídeos de sinalização para se ligarem ao receptor SCM ver Figura 1834B Cada célula do pelo da raiz tem uma extensão longa similar a um dedo que geralmente cresce da base termi nal da célula epidérmica ver Figura 1835 As células estendemse por crescimento apical e estão associadas a gradientes de cálcio similares aos dos tubos polínicos em crescimento ver Capítulo 21 A saliência que forma o pelo nascente na base da célula epidérmica está correlaciona da com o afrouxamento e a acidificação da parede celular Contudo já que a acidificação exógena não muda a po sição da saliência outros fatores endógenos devem estar envolvidos A auxina e outros hormônios regulam o desenvolvimento do pelo da raiz Um transportador de auxina ABCB4 em Arabidopsis exerce um papel na emergência do pelo por meio da ma nutenção das concentrações intracelulares de auxina O ABCB4 é um transportador de auxina reversível loca lizado nos tricoblastos Em concentrações baixas de au xina o ABCB4 funciona com um carregador de influxo importando auxina e promovendo o crescimento do pelo Assim que a concentração intracelular de auxina atinge um limiar ABCB4 muda para o modo de efluxo dimi nuindo assim a importação de auxina e moderando o crescimento do pelo radicular O ABCB4 portanto pro move e regula o comprimento do pelo O carregador de efluxo de auxina PIN2 está localizado nos tricoblastos e nos atricoblastos Em paralelo o transportador de auxina Tipo I Tipo II Tipo III Célula do pelo da raiz Célula epidérmica Divisão celular assimétrica A B C Figura 1835 Três padrões da diferenciação do tricoblasto A Tipo I no qual todas as células epidérmicas têm o potencial para se tornar tricoblastos B Tipo II no qual os tricoblastos resultam de uma divisão celular assimétrica C Tipo III no qual tricoblastos e atricoblastos ocorrem em filas alternadas de células De Bibikova e Gilroy 2003 Taiz18indd 546 Taiz18indd 546 27102016 155743 27102016 155743 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 547 AUX1 do tipo simporte está localizado nos atricoblastos que têm concentrações mais altas de auxina do que os tricoblastos Os mutantes aux1 e pin2 têm pelos menores e os mutantes abcb4 têm pelos mais longos comparados com as plantas selvagens Nas raízes tratadas com etileno as células diferencia das em pelos de raízes não recobrem a junção das células corticais e produzem pelos em locais anormais Figura 1836 Plântulas cultivadas na presença de inibidores de etileno tais como o íon Ag assim como mutantes insen síveis ao etileno mostram uma redução na formação do pelo Essas observações sugerem que o etileno atua como um regulador positivo na diferenciação de pelos de raízes Tem sido demonstrado que o ácido jasmônico também in tensifica o crescimento do pelo porém os brassinosteroi des inibem esse crescimento possivelmente pela inibição das respostas da auxina mediante aumento da expressão de AUXAIA A formação e a emergência da raiz lateral dependem de sinais endógenos e exógenos Nas gimnospermas e em muitas eudicotiledôneas os primórdios da raiz lateral iniciam nas células do periciclo adjacentes aos polos do xilema Entretanto nas gramíne as os primórdios da raiz lateral formamse nas células do periciclo e da endoderme adjacentes aos polos do floema Na maioria das plantas as divisões anticlinais nas células do periciclo precedem as divisões periclinais Essas célu las dos primórdios das raízes laterais continuam a divisão celular e a expansão celular até que a nova raiz lateral sur ja através das camadas de células corticais e epidérmicas Figura 1837 A raiz lateral contém todos os tipos celulares da raiz primária e o sistema vascular da raiz lateral é contínuo com o da raiz primária As raízes laterais iniciam na zona de diferenciação da raiz primária ver Figura 1834A Ar Etileno Periciclo Célula cortical Epiderme Endoderme Estelo A B Epiderme Parênquima cortical Endoderme I II III IV V VI VII Periciclo Sistema vascular Inicial do parênquima cortical e endoderme Inicial da coifa e epiderme Centro quiescente Coifa Figura 1836 Promoção da formação de pelos da raiz pelo eti leno em plântulas de alface Plântulas de 2 dias de idade foram tra tadas com ar à esquerda ou 10 ppm de etileno à direita por 24 horas antes do registro da foto Notase a profusão dos pelos nas raízes de plântulas tratadas com etileno De Abeles et al 1992 cortesia de F Abeles Figura 1837 Desenvolvimento da raiz lateral A Corte longitudinal da raiz Divisões celu lares anticlinais no periciclo iniciam a formação da raiz lateral B Estágios de desenvolvimento da raiz lateral O estágio I consiste em uma única camada do periciclo Durante o estágio II as células do periciclo dividemse periclinalmente para formar as camadas internas e externas Nos estágios III e IV o primórdio da raiz lateral tem uma forma de cúpula e as divisões peri clinais e anticlinais continuam No estágio V as células corticais afrouxamse de modo que o primórdio da raiz lateral possa se expandir entre as células da raiz primária No estágio VI o primórdio da raiz lateral resgata os tecidos da raiz primária camadas de células da epiderme do parênquima cortical e da endoderme No estágio VII o estelo diferenciase as células epi dérmicas separamse e o primórdio da raiz lateral emerge De Petricka et al 2012 Taiz18indd 547 Taiz18indd 547 27102016 155743 27102016 155743 548 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Enquanto os meristemas apicais das raízes primárias ge ralmente são determinados devido a uma combinação de fatores genéticos e ambientais ver Tópico 1811 na inter net aqueles das raízes laterais são indeterminados e essas raízes também podem formar ramificações aumentando bastante a área de superfície total do sistema de raízes Regiões de emergência da raiz lateral correspondem a regiões de atividade máxima da auxina Os primórdios das raízes laterais mais jovens em geral estão localizados próximos ao meristema apical Contu do o local de emergência da raiz lateral pode variar de acordo com fatores endógenos e exógenos O sinal ou sinais que determina o local dos futuros primórdios das raízes laterais e inicia as primeiras divisões anticlinais ainda não foi determinado Oscilações em auxina pH Ca2 e outros sinais ocorrem na zona de alongamento da raiz primária ver Figura 1834A Essas oscilações e seus sinais a jusante poderiam potencialmente explicar o pa drão regular das raízes laterais normalmente observado baseado na iniciação periódica dos primórdios da raiz lateral Os locais da emergência da raiz lateral têm sido correlacionados com regiões de atividade alta de auxina Figura 1838 A e B Estudos genéticos têm identificado vários genes que fazem parte da rede reguladora para a iniciação da raiz lateral Por exemplo mutações no gene SHATTERPROOF alteram a ramificação periódica da raiz e mutações em genes envolvidos na comunicação célulacélula alteram o espaçamento das raízes laterais SOLITARYROOT SLR AIA14 é um repressor transcricional de genes responsivos à auxina que é importante para as divisões celulares peri clinais nos primórdios da raiz lateral e é necessário para sua emergência Mutantes de sinalização da auxina tais como tir1afb axr1 e muitos mutantes auxaia afetam a iniciação da raiz lateral e portanto têm um número redu zido de raízes laterais ou nenhuma raiz lateral A auxina derivada da parte aérea é importante para a iniciação da raiz lateral ao passo que a auxina derivada da raiz é ne cessária para a emergência da raiz lateral Um dos locais previsíveis onde as raízes laterais emer gem que não é baseado na padronização periódica está no ponto onde a raiz se curva Seguindo os estímulos 650 700 750 800 850 B A C Luminescência UDA6 min 0 6 Raiz 1 Raiz 2 12 18 24 Horas ZO Tempo Figura 1838 Os primórdios de raiz lateral em Arabidopsis desenvolvemse em lo cais onde a raiz se curva Sítios de préramificação formamse na zona de oscilação imediatamente abaixo da zona de diferenciação A Expressão do gene da luciferase acionado pelo promotor DR5 sensível à auxina em uma raiz de Arabidopsis Os níveis de auxina flutuam ao longo do tempo como indicado pela seta tracejada O asterisco indica o sítio de préramificação ZO zona de oscilação B Os níveis de auxina medidos pela luminescência em duas raízes de Arabidopsis oscilam em um período de cerca de 6 horas UDA unidades digitais análogas C Os máximos de auxina ao longo da raiz áreas em azulclaro correspondem aos locais de curvatura formação da raiz lateral e emergência da raiz lateral Os locais de formação de raízes laterais estão indicados pelas setas De Van Norman et al 2013 Taiz18indd 548 Taiz18indd 548 27102016 155743 27102016 155743 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 549 gravitrópicos ou curvatura mecânica no laboratório os primórdios da raiz lateral formamse e emergem no lado externo da curva no local da curvatura Figura 1838C O estímulo da curvatura induz um aumento do Ca2 e resulta em um aumento localizado na auxina que leva à iniciação da raiz lateral Ao contrário da auxina o etileno inibe o desenvolvimento da raiz lateral As raízes laterais e as partes aéreas têm um ângulo no ponto de inserção gravitrópico O ângulo no qual órgãos gravitrópicos são mantidos com respeito à gravidade é conhecido como ângulo no ponto de inserção gravitrópico Por convenção uma raiz pri mária crescendo verticalmente para baixo tem um ângulo de 0 grau enquanto o da raiz primária crescendo vertical mente para cima é de 180 graus Assim que tenha desen volvido uma zona de alongamento a raiz lateral tornase competente para responder à gravidade Entretanto seu ângulo no ponto de inserção gravitrópico é diferente ao da raiz primária É comum para raízes laterais responsivas à gravidade crescerem em ângulos não verticais entre 0 e 180 ver Fi gura 1838 Em geral se um ramo responsivo à gravidade raiz ou caule é mecanicamente deslocado para cima ou para baixo de seu ângulo gravitrópico ele terá crescimen to trópico para mudar de volta àquele ângulo no ponto de inserção gravitrópico Isso significa que raízes laterais com ângulos nos pontos de inserção não gravitrópicos podem ser negativamente gravitrópicas isto é crescer contra o vetor da gravidade Por outro lado ramos de caules não verticais podem ser positivamente gravitrópicos e crescer para baixo a favor do vetor da gravidade Figura 1839 Essa observação fornece uma demonstração simples de que a base mecanística para a manutenção do crescimen to não vertical responsivo à gravidade não pode basearse somente em diferenças na competência gravitrópica entre órgãos primários e laterais Deve haver outro mecanismo não identificado que pode impulsionar o crescimento para cima nas raízes laterais e o crescimento para baixo nas partes aéreas laterais Figura 1839 O ângulo no ponto de inserção nos ramos das árvores cria padrões diferentes na arquitetura da árvore RESUMO As sementes necessitam de reidratação e algumas vezes de trata mentos adicionais para germinar Durante a germinação e o esta belecimento as reservas nutritivas mantêm a plântula até ela ser autotrófica os tropismos auxiliarem a orientação das raízes e das partes aéreas os sistemas vasculares e os pelos diferenciaremse e as raízes laterais serem formadas Estrutura da semente A anatomia da semente varia amplamente em relação aos tipos e às distribuições de recursos nutritivos armazenados e à natu reza da sua casca Figura 181 Taiz18indd 549 Taiz18indd 549 27102016 155743 27102016 155743 550 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Dormência da semente A dormência da semente originase do próprio embrião ou dos tecidos adjacentes tais como o endosperma e a casca da se mente Figura 182 Sementes que não se tornam dormentes podem exibir germina ção precoce e vivípara Figuras 183 184 Os hormônios primários que regulam a dormência da semente são o ácido abscísico e as giberelinas Figura 185 Liberação da dormência A luz quebra a dormência em muitas sementes pequenas Algumas sementes necessitam de frio ou pósmaturação para quebrar a dormência Figura 186 Nitrato óxido nítrico e fumaça podem quebrar a dormência Germinação da semente A germinação acontece em três fases relacionadas com a absor ção de água Figuras 187 188 Mobilização das reservas armazenadas A camada de aleurona dos cereais responde às giberelinas secretando enzimas hidrolíticas incluindo αamilase para o endosperma circundante disponibilizando o amido para o em brião Figura 189 As giberelinas secretadas pelo embrião também intensificam a transcrição do mRNA da αamilase a qual inicia a degradação do amido O receptor de giberelina GID1 promove a degradação de re guladores negativos da produção de αamilase incluindo as proteínas DELLA regulando para cima assim as proteínas GA MYB e a transcrição da αamilase Figuras 1810 1811 O ácido abscísico inibe a transcrição da αamilase Crescimento e estabelecimento da plântula Em concentrações ideais a auxina promove o crescimento do caule e do coleóptilo e inibe o crescimento da raiz Entretanto acima de concentrações ideais a auxina pode inibir o cresci mento do caule e do coleóptilo Figuras 1812 1813 Tropismos crescimento em resposta a estímulos direcionais A redistribuição lateral de auxina permite que as plantas exibam gravitropismo Figura 1814 A polarização da auxina necessita de energia e é independente da gravidade Figuras 1815 1816 Estatólitos em estatócitos servem como sensores da gravidade nas coifas raízes Figuras 1817 1818 A maior parte da auxina na raiz é derivada da parte aérea Fi gura 1819 Uma raiz horizontal deslocada redireciona a auxina para o lado inferior inibindo o crescimento nesse local O gravitropismo é possibilitado nos caules e em órgãos simila res a caules nas eudicotiledôneas pelos estatólitos na bainha amilífera Figuras 1820 1821 pH e íons cálcio Ca2 atuam como mensageiros secundários na sinalização que ocorre durante o gravitropismo Figura 1822 Fototropismo Como no gravitropismo o fototropismo envolve a redistribui ção lateral de auxina Figura 1823 A primeira etapa na curvatura fototrópica ocorre dentro de mi nutos de iluminação quando a fototropina1 fosforila o transpor tador de auxina ABCB19 para inibir o transporte em direção à raiz Figura 1824 O redirecionamento lateral de auxina no ápice da parte aérea inicia em menos de 30 minutos e a curvatura inicia após cerca de 2 horas Figura 1824 Fotomorfogênese A transição das plântulas da escotomorfogênese desenvolvi mento no escuro ie subterrâneo para a fotomorfogênese desenvolvimento na presença de luz ocorre no primeiro ins tante de luz Figura 1825 Em partes aéreas estioladas as giberelinas e os brassinosteroi des inibem a fotomorfogênese Figura 1826 Fitocromo auxina e etileno regulam a abertura do gancho e a expansão celular lateral Figuras 1827 1828 Evitação da sombra O fitocromo um pigmento vermelho e vermelhodistante sen sibiliza as plantas a mudanças na qualidade da luz e medeia o crescimento em direção a ótimas condições de luz Figuras 1829 1830 O aumento da tolerância ao adensamento ie redução das respostas à evitação da sombra aumentou a produtividade das culturas de milho Figura 1831 Diferenciação do sistema vascular A auxina e a citocinina medeiam o desenvolvimento do sistema vascular Figura 1832 Culturas celulares Zinnia elegans em suspensão têm sido utili zadas para estudar a regulação da diferenciação dos elementos traqueais in vitro Figura 1833 Crescimento e diferenciação da raiz Pelos das raízes são células epidérmicas especializadas que al cançam a maturidade na zona de diferenciação do eixo da raiz Figuras 18341836 As raízes laterais iniciam no periciclo e emergem através das células corticais e epidérmicas Figura 1837 As raízes laterais emergem nas regiões de atividade intensa de auxina e carotenoides Figuras 1838 1839 As raízes laterais e as partes aéreas podem crescer a favor e contra o vetor de gravidade de acordo com seus ângulos nos pontos de inserção gravitrópicos Taiz18indd 550 Taiz18indd 550 27102016 155743 27102016 155743 Capítulo 18 Dormência e Germinação da Semente e Estabelecimento da Plântula 551 Leituras sugeridas Baldwin K L Strohm A K and Masson P H 2013 Gravity sensing and signal transduction in vascular plant primary roots Am J Bot 100 126142 Bewley J D Bradford K J Hilhorst H W M and Nonogaki H 2013 Seeds Physiology of Development Germination and Dormancy 3rd ed Springer New York Casal J J 2013 Photoreceptor signaling networks in plant responses to shade Annu Rev Plant Biol 64 403427 FinchSavage W E and LeubnerMetzger G 2006 Seed dormancy and the control of germination New Phytol 171 501523 Graeber K Kakabayashi K Miatton E LeubnerMetzger G and Soppe W J J 2012 Molecular mechanisms of seed dormancy Plant Cell Environ 35 17691786 Lacayo C I Malkin A J Holman HY N Chen L Ding SY Hwang M S and Thelen M P 2010 Imaging cell wall architecture in single Zinnia elegans tracheary elements Plant Physiol 154 121133 Lia YC Rena JP Cho MJ Zhou SM Kim YB Guo HX Wong J H Niu HB Kim HK Morigasaki S et al 2009 The level of expression of thioredoxin is linked to fundamental properties and applications of wheat seeds Mol Plant 2 430441 Migliaccio F Tassone P and Fortunati A 2013 Circumnutation as an autonomous root movement in plants Am J Bot 100 413 NovoUzal E FernándezPérez F Herrero J Gutiérrez J GómezRos L V Ángeles Bernal M Díaz J Cuello J Pomar F and Ángeles Pedreño M 2013 From Zinnia to Arabidopsis Approaching the involvement of peroxidases in lignification J Exp Bot 64 34993518 Palmieri M and Kiss J Z 2007 The role of plastids in gravitropism In The Structure and Function of Plastids R R Wise and J K Hoober eds Springer Berlin pp 507525 Petricka J J Winter C M and Benfey P N 2012 Control of Arabidopsis root development Annu Rev Plant Biol 63 563590 Sawchuk M G Edgar A and Scarpella E 2013 Patterning of leaf vein networks by convergent auxin transport pathways PLOS Genet 9 113 MATERIAL DA INTERNET Tópico 181 A evolução das sementes As mudanças na anatomia da semente desde de pteridófitas extintas até as an giospermas estão descritas Tópico 182 O crescimento da plântula pode ser dividido em dois tipos epígeo e hipógeo Exemplos do estabeleci mento de plântulas epígeas versus hipógeas estão ilustrados Tópico 183 As sementes exibem dormência primária e secundária A dormência secundária pode ser observada na natureza nos ciclos de dormência de sementes de espécies anuais de dicotiledônicas indesejáveis Tópico 184 A fase III da germinação pode ser um proces so de uma ou duas etapas A fase III da germinação pode ser um processo de uma etapa em que a radícula emerge imedia tamente após a ruptura da casca da semente ou pode envolver duas etapas em que o endosperma acaba enfraquecendo an tes que a radícula possa emergir Tópico 185 Tigmotropismo gravitropismo e circunutação são sinais integrados A síndrome wavy root demonstrada pela primeira vez por Charles Darwin no The Power of Move ment in Plants é um bom exemplo da integração da sinalização do gravitropismo do tigmotropismo e da circunutação Tópico 186 As raízes exibem fototropismo negativo A luz azul medeia o fototropismo negativo nas raízes Tópico 187 A luz azul causa a reorientação dos microtú bulos corticais na direção longitudinal Após a exposição dos hipocótilos à luz azul unilateral novos microtúbulos são formados em menos de um minuto sendo orientados longitu dinalmente e em paralelo ao eixo do hipocótilo Tópico 188 O fitocromo e o criptocromo contribuem para o fototropismo A ligação molecular entre PHYA e PHOT1 é PHYTOCHROME KINASE SUBSTRATE 1 PKS1 Tópico 189 A evitação da sombra é regulada por crip tocromos auxinas e brassinosteroides Além do criptocro mo auxina e brassinosteroides são necessários para o alonga mento do hipocótilo nas plântulas sob uma condição de baixa luz azul Tópico 1810 As respostas do fitocromo demonstram va riação ecotípica Estudos das respostas à luz em Arabidopsis e milho revelaram uma imensa variação ecotípica tanto na fi siologia de suas respostas quanto nas famílias gênicas dos fi tocromos Tópico 1811 A manutenção da atividade do meristema é crucial para o estabelecimento da plântula Pequenos pep tídeos sinais CLAVATA CLE19 e CLE40 são expressos nas raízes e promovem a manutenção do meristema Taiz18indd 551 Taiz18indd 551 27102016 155743 27102016 155743 552 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Van Norman J M Xuan W Beeckman T and Benfey P N 2014 Periodic root branching in Arabidopsis requires synthesis of an uncharacterized carotenoid derivative Proc Natl Acad Sci USA 11113 E1300E1309 DOI 101073pnas1403016111 Van Norman J M Zhang J Cazzonelli C I Pogson B J Harrison P J Bugg T D H Chan K X Thompson A J and Benfey P N 2013 To branch or not to branch The role of prepatterning in lateral root formation Development 140 43014310 Taiz18indd 552 Taiz18indd 552 27102016 155743 27102016 155743 19 E mbora a embriogênese e o estabelecimento da plântula desempe nhem papéis fundamentais na polaridade básica e nos eixos de cresci mento da planta muitos outros aspectos da forma vegetal refletem processos de desenvolvimento que ocorrem após o estabelecimento da plântula Para a maioria das plantas a arquitetura do caule depende fundamentalmente da produção regulada de órgãos laterais determinados como folhas bem como da formação e crescimento de sistemas de ramos indeterminados Os siste mas de raízes embora geralmente escondidos da visão têm níveis compará veis de complexidade que resultam da formação regulada e da emergência de raízes laterais indeterminadas ver Capítulo 18 Além disso o crescimento secundário é a característica definidora do crescimento vegetativo de perenes lenhosas proporcionando a sustentação estrutural que permite às árvores crescerem em altura Neste capítulo são considerados os mecanismos mo leculares que dão suporte a esses padrões de crescimento Como a embrio gênese a organogênese vegetativa e o crescimento secundário dependem de diferenças locais nas interações e na retroalimentação reguladora entre hormônios que desencadeiam programas complexos de expressão gênica que governam aspectos específicos do desenvolvimento de órgãos Desenvolvimento da folha Morfologicamente a folha é o mais variável de todos os órgãos vegetais Filoma é o termo coletivo para todo tipo de folha em uma planta incluindo estruturas que se desenvolveram a partir de folhas Os filomas abrangem as folhas vegetativas fotossintéticas o que em geral se entende por fo lhas as escamas protetoras de gemas as brácteas folhas associadas a inflorescências ou flores e os órgãos florais Em angiospermas a parte principal da folha vegetativa é expandida em uma estrutura plana o limbo ou lâmina O aparecimento de uma lâmina plana nas espermatófitas da metade para o final do Devoniano foi um eventochave na evolução foliar A lâmina plana maximiza a captura de luz e também cria dois domínios fo liares distintos adaxial superfície superior e abaxial superfície inferior Figura 191 Vários tipos de folhas desenvolveramse com base em sua es trutura foliar adaxialabaxial ver Tópico 191 na internet Na maioria das folhas a lâmina foliar está fixada ao caule por um pedún culo denominado pecíolo No entanto algumas espécies possuem folhas sésseis com a lâmina foliar fixada diretamente ao caule ver Figura 191B Na maioria das monocotiledôneas e em certas eudicotiledôneas a base da Crescimento Vegetativo e Organogênese Taiz19indd 553 Taiz19indd 553 27102016 154534 27102016 154534 554 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento folha é expandida em uma bainha ao redor do caule Mui tas eudicotiledôneas têm estípulas pequenas emergên cias dos primórdios foliares localizadas no lado abaxial da base foliar As estípulas protegem as folhas jovens em desenvolvimento e são sítios de síntese de auxina durante o desenvolvimento inicial da folha As folhas podem ser simples ou compostas ver Fi guras 191B e C Uma folha simples tem uma lâmina ao passo que uma folha composta tem duas ou mais lâminas os folíolos fixados a um eixo comum ou raque Algu mas folhas como as folhas adultas de algumas espécies de Acacia carecem de uma lâmina e em seu lugar possuem um pecíolo achatado simulando uma lâmina o filódio Em algumas plantas os próprios caules apresentamse achatados como lâminas e são chamados de cladódios como em Opuntia Cactaceae A discussão inicia pelo desenvolvimento da folha com a produção dos primórdios foliares Após examinase a for mação da lâmina em folhas simples que envolve a expansão marginal de tecidos foliares a diferenciação em domínios adaxial e abaxial bem como a morfogênese ao longo do eixo proximaldistal As folhas compostas são produzidas por variações dessas rotas de desenvolvimento Finalmente dis cutese a respeito das redes gênicas e dos sinais hormonais que controlam o desenvolvimento das células especializadas da epiderme e do sistema vascular Estabelecimento da polaridade foliar Todas as folhas e as folhas modificadas começam como pe quenas protuberâncias denominadas primórdios nos lados do meristema apical do caule MAC ver Capítulo 17 To dos os MACs em plantas superiores compartilham uma es trutura comum um domínio central frequentemente cupu liforme circundado por vários primórdios emergentes que podem ser primórdios foliares ou no caso de um meristema de inflorescência primórdios florais As células centrais do meristema apical são consideradas indiferenciadas e pluri potentes Todavia como foi visto no Capítulo 17 as células do MAC são organizadas em três camadas de tecidos mais ou menos estáveis L1 L2 e L3 embora em algumas es pécies como o milho Zea mays não exista a L3 Essas ca madas de tecidos podem ser posteriormente demarcadas em Meristema apical A Estrutura da parte aérea e polaridade foliar C Folhas compostas Trifoliolada B Folhas simples Margem Nó Adaxial Abaxial Pecíolo Distal Proximal Gema axilar Basal Apical Lâmina Margem Pecíolo Séssil sem pecíolo Bainha Nervura Nervura mediana Estípula Folíolo Raque Palmada Paripinada Bipinada Tripinada Nervura mediana Figura 191 Visão geral da estrutura foliar A Estrutura da par te aérea mostrando três tipos de polaridade foliar adaxialabaxial distalproximal e nervura medianamargem B Exemplos de folhas simples As variações na estrutura de hipofilos incluem a presença ou a ausência de estípulas e pecíolos e bainhas foliares C Exem plos de folhas compostas Taiz19indd 554 Taiz19indd 554 27102016 154534 27102016 154534 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 555 três zonas histológicas zona central ZC zona periférica ZP e zona medular ZM Figura 192A e B Em grande parte a informação da posição determina o destino das células no MAC As taxas mais altas de divi são celular no meristema da inflorescência de Arabidopsis por exemplo são encontradas no primórdio P e no ini cial do primórdio I seguidas pela ZP e pela ZC Figura 192C A posição também determina os padrões de sina lização intracelular e intercelular Conforme discutido no Capítulo 17 as diferentes zonas histológicas exibem pa drões distintivos de expressão gênica que mantêm o MAC em crescimento como uma estrutura estável Os sinais hormonais exercem papéis fundamentais na regulação da emergência dos primórdios foliares Conforme discutido no Capítulo 17 o transporte polar de auxina na camada L1 do MAC é essencial para a emergên cia dos primórdios foliares e é responsável pela filotaxia padrão de emergência foliar a partir do caule ver Figura 1732 Quando cultivados na presença de inibidores do transporte de auxina os ápices caulinares não conseguem formar primórdios a adição de auxina ao MAC provoca a indução de primórdios no local da aplicação A síntese de auxina via rota de YUCCA ver Capítulo 15 gera gradien tes de concentração de auxina que por sua vez regulam a expressão e a distribuição assimétrica de transportado res PIN de efluxo de auxina para aumentar ou canalizar as correntes localizadas de transporte polar de auxina Mais adiante neste capítulo a canalização da auxina será discutida com mais detalhes Outros hormônios como citocinina gi berelinas e brassinosteroides também desempenham papéis fundamentais na manutenção da estrutura e da atividade do MAC As distribuições de auxina cito cinina e giberelinas no MAC são mostra das na Figura 192D Recentemente foi demonstrado que a iniciação dos primórdios foliares depende da luz de uma maneira independente da fotossíntese os ápices do tomateiro e de Arabidopsis cessam a produção de novos primórdios foliares quando as plantas são cultivadas no escuro Essa cessação está correlacionada com o decrés cimo da síntese de auxina e a perda da localização polar de PIN1 no MAC No entanto uma vez que a iniciação do órgão em ápices cultivados no escuro pode ser restaurada somente após a aplicação de auxina e citocinina é possível que a citocinina esteja envolvida em uma rota de iniciação foliar dependente da luz O fitocromo B tem sido implica do como o fotorreceptor envolvido na resposta à luz ver Capítulo 16 à medida que ele regula a síntese de auxina e os níveis gerais desse hormônio na planta Além dos sinais hormonais foi demonstrado que o estresse mecânico no MAC altera as disposições dos mi crotúbulos assim como a distribuição de PIN1 o que pode afetar a iniciação dos primórdios foliares ver Tópico 192 na internet Um sinal do meristema apical do caule inicia a polaridade adaxialabaxial Já que os primórdios foliares se desenvolvem a partir de um grupo de células no flanco do MAC as folhas possuem re lações de posição inerentes a esse meristema o lado adaxial de um primórdio foliar é derivado de células adjacentes ao MAC enquanto o lado abaxial é derivado de células mais distantes Estudos microcirúrgicos realizados na década de A B Auxina Citocinina Giberelina Transporte de auxina Esgotamento de auxina Degradação de GA C D Flor P I ZP ZC ZM L1 L3 L2 Taxa do ciclo celular Baixa Alta Figura 192 Corte longitudinal do meriste ma da inflorescência de Arabidopsis e diagramas mostrando sua organização funcional A Foto micrografia do meristema da inflorescência de Arabidopsis mostrando a localização da expres são do gene CLAVATA3 CLV3 mancha marrom ver Capítulo 17 B Zonação anatômica do me ristema da inflorescência mostrando a zona cen tral ZC a zona periférica ZP o primórdio floral P a inicial do primórdio floral I as camadas L1 L3 a flor e a zona medular ZM C Variações espaciais na taxa de divisão celular indicada pela barra colorida mostrando taxas mais altas nos primórdios florais D Distribuição proposta dos três principais hormônios auxina citocinina e gi berelinas bem como os sítios do transporte de auxina esgotamento de auxina e degradação de giberelina GA De Besnard et al 2011 Taiz19indd 555 Taiz19indd 555 27102016 154534 27102016 154534 556 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento 1950 demonstraram que é necessário algum tipo de comu nicação entre o MAC e o primórdio foliar para o estabele cimento da polaridade adaxialabaxial Por exemplo uma incisão transversal isolando o MAC da inicial do primór dio I fez a inicial se desenvolver radialmente sem formar qualquer tecido adaxial Figura 193A A folha resultan te era cilíndrica e continha apenas tecidos abaxiais ela foi abaxializada Contudo duas incisões marginais que não impediram a comunicação entre o MAC e a inicial do pri mórdio levaram ao desenvolvimento da simetria adaxial abaxial normal Figura 193B Refinamentos posteriores desses experimentos cirúrgicos usando técnica de ablação a laser e microdissecação produziram resultados similares sugerindo que um sinal do MAC é necessário para a espe cificação ou a manutenção da identidade adaxial Todavia a natureza desse sinal permanece um enigma Genes ARP promovem a identidade adaxial e reprimem o gene KNOX1 As ideias sobre a base molecular da identidade adaxial e abaxial vieram da análise dos mutantes de perda de fun ção phantastica phan em bocadeleão Antirrhinum ma jus Figura 194A Desde então os mutantes phan têm sido encontrados em outras espécies incluindo Arabidopsis e tabaco Os mutantes phan produzem folhas com a sime tria adaxialabaxial alterada variando de folhas abaxiali zadas semelhantes a acículas que não produzem lâmina até folhas com lâminas exibindo um mosaico de caracteres adaxial e abaxial Figura 194B O gene PHAN de Antirrhinum e seus ortólogos como ASYMMETRIC LEAVES1 AS1 em Arabidopsis codificam fatores de transcrição da classe MYB referidos como da família ARP ASYMMETRIC LEAVES1 AS1 ROUGH SHEATH2 RS2 e PHAN Os genes ARP pelo menos em parte ajudam a manter a repressão dos genes KNOX1 KNOTTED1LIKE HOMEOBOX na folha em desenvol vimento Figura 195A A regulação para baixo down regulation dos genes KNOX nos primórdios foliares que ocorre inicialmente em resposta à acumulação focalizada de auxina nos sítios de iniciação foliar é necessária para o desenvolvimento adaxial e essencial para a padroniza ção normal adaxialabaxial da folha em muitas espécies A importância dessa regulação para baixo é exemplificada pelas folhas anormais de mutantes phan e as1 bem como de plantas com mutações do gene KNOX que impedem a regulação para baixo normal da expressão do gene KNOX em folhas Em Arabidopsis no entanto as mutações em AS1 isoladamente não afetam a polaridade abaxialadaxial e portanto outros fatores parecem estar envolvidos Visto que os genes ARP são expressos uniformemente nos pri mórdios foliares assumese que seu papel na especifica ção do destino adaxial depende da interação com parceiros proteicos Uma grande parte do funcionamento da proteína KNOX1 revelase mediada por seus efeitos inibidores so bre os níveis de giberelina no MAC ver Capítulo 17 Fi gura 1731 Enquanto atuam para inibir a biossíntese da giberelina e promover sua inativação os fatores de trans crição KNOX também ativam o gene biossintético da ci tocinina ISOPENTENYL TRANSFERASE7 IPT7 que au menta os níveis de citocinina O desenvolvimento foliar adaxial requer os fatores de transcrição HDZIP III O desenvolvimento adaxial também depende funda mentalmente de um grupo de fatores de transcrição co nhecidos como proteínas HDZIP III assim chamadas A B e sa sa m e sa m P1 P1 P2 Incisão transversal única Duas incisões marginais I I P2 MAC MAC A B Figura 193 Experimento microcirúrgico demonstrando a in fluência do MAC sobre o desenvolvimento adaxialabaxial do pri mórdio foliar P na batata Solanum tuberosum A Uma inicial do primórdio I isolada do MAC por uma incisão transversal cresce radialmente e contém apenas tecidos abaxiais B Uma inicial do primórdio I que não foi isolada completamente do MAC mostra simetria adaxialabaxial normal De Sussex 1951 Figura 194 Efeitos de mutantes phan na morfologia foliar em Antirrhinum majus A Parte aérea vegetativa de uma planta do tipo selvagem com folhas normais B Parte aérea vegetativa de um mutante phan com folhas estreitas e semelhantes a acículas sa e em mosaico m De Waites e Hudson 1995 Taiz19indd 556 Taiz19indd 556 27102016 154535 27102016 154535 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 557 devido à presença de um homeodomínio de ligação ao DNA e um domínio de dimerização zíper de leucina Os fatores de transcrição HDZIP III também são dis tinguidos por um domínio putativo de ligação a lipídeo esterol sugerindo que sua atividade poderia ser regu lada por tipos de moléculas sinalizadoras atualmente desconhecidas em plantas Esses fatores de transcrição também representam um motivo com sequência con servada que medeia interações proteínaproteína for necendo uma possibilidade adicional para a regulação de sua atividade A expressão dos genes HDZIP III como PHABU LOSA PHB e PHAVOLUTA PHV em geral é limitada aos domínios adaxiais dos primórdios foliares ver Figura 195A Quando esses genes são expressos anormalmente por toda a folha como ocorre em alguns mutantes phb e phv os tecidos abaxiais adquirem características adaxiais Por exemplo em mutante nos quais PHB é expresso ec topicamente nos domínios abaxiais da folha as gemas axilares normalmente limitadas ao lado adaxial da base foliar agora se formam em ambos os lados Inversamente as mutações que bloqueiam o funcionamento dos genes PHB e PHV em seus domínios de expressão normais ada xiais levam à perda de caracteres adaxiais mas somente se a atividade de ambos os genes for bloqueada Juntos esses resultados sugerem que PHB e PHV atuam de forma redundante para promover as identidades adaxiais em te cidos onde eles são expressos Lâmina Pecíolo Zona dos hipofilos Meristema limítrofe MAC Proximal KNOXI CUCs PRS BOPs AS2 AS12 KAN PRS KLU YAB WOX1 AS1 YABBYs KANADIs ETTARF4 HDZIPIIIs HDZIPIII miR166 ARF34 Adaxial Lado adaxial Margem foliar Abaxial Lado abaxial Distal A Polaridade foliar B Crescimento da margem foliar Cresci mento laminar Abaxial Adaxial MAC Figura 195 Redes de genes que regulam a polaridade foliar A Regulação da polaridade proximaldistal Diversos genes en volvidos na padronização proximaldistal interagem com genes específicos na rede gênica abaxialadaxial B Redes de genes en volvidos no crescimento da margem foliar e na polaridade adaxial abaxial MAC meristema apical do caule Ver texto para discus são A de Townsley e Sinha 2012 B de Fukushima e Hasebe 2013 Taiz19indd 557 Taiz19indd 557 27102016 154535 27102016 154535 558 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento A expressão dos genes HDZIP III é antagonizada por miR166 nas regiões abaxiais da folha Uma vez que os genes HDZIP III promovem a aquisição de uma identidade adaxial naqueles tecidos onde são ex pressos por alguma razão sua expressão pode ser supri mida nas regiões abaxiais da folha em desenvolvimento Buscando explicar essa expressão restrita várias análises têm envolvido uma classe de pequenos RNAs reguladores conhecidos como microRNAs ou miRs Um microRNA inibe a expressão de seu genealvo mediante pareamento de bases com uma sequência complementar no transcrito do gene desencadeando assim a degradação do mRNA ou bloqueando sua tradução ver Capítulo 2 Foi demons trado que a expressão de miR166 nas regiões abaxiais dos primórdios foliares reduz os níveis de transcritos de PHB e PHV permitindo desse modo padrões de desenvolvimen to abaxial normais Figura 195B O antagonismo entre HDZIP III e miR166 exerce múltiplos papéis nos diferentes processos de padronização incluindo a diferenciação do sistema vascular o desenvol vimento da endoderme na raiz e a manutenção do MAC O antagonismo entre KANADI e HDZIP III é um determinantechave da polaridade foliar adaxialabaxial Os fatores de transcrição na família KANADI desempe nham um papel central na especificação da identidade celular abaxial Os genes KANADI parecem ter funções sobrepostas com os genes YABBY discutidos a seguir com a perda de identidade abaxial mais drástica sendo ob servada quando as mutações de perda de função dos dois tipos de genes estão combinadas Inversamente a forma ção anormal de tecidos abaxiais é observada quando os genes KANADI são superexpressos Embora não esteja totalmente esclarecido como os fatores de transcrição KA NADI promovem a identidade abaxial os embriões jovens deficientes na atividade de KANADI exibem mudanças na distribuição polar dos transportadores PIN de efluxo da auxina que precedem qualquer manifestação de mudanças no desenvolvimento A sugestão de que o desenvolvimen to abaxial está intimamente acoplado ao transporte polar de auxina é reforçada pela observação de que os mem bros da família de genes do AUXIN RESPONSE FACTOR FATOR DE RESPOSTA À AUXINA ARF3 e ARF4 são requeridos para o estabelecimento normal do destino aba xial ver Figura 195B e Capítulo 15 Os genes KANADI e os genes HDZIP III exercem papéis antagônicos na pa dronização adaxialabaxial tanto nas folhas quanto na estrutura vascular ver Figura 195B A família de genes YABBY de fatores de transcrição denominada em alusão ao lagostim de água doce austra liano parece atuar de maneira redundante com os genes KANADI Mutantes dos genes YABBY figuraram entre os primeiros mutantes da polaridade foliar descobertos em Arabidopsis O primeiro membro identificado dessa família de genes CRABS CLAW CRC foi definido pelo fenótipo de seu mutante de perda de função em Arabidopsis em que a organização dos carpelos partes da flor é perturbada A atividade mais geral dos genes YABBY de Arabidopsis é revelada quando as mutações que afetam vários membros dessa família são combinadas Esses mutantes múltiplos têm órgãos florais e órgãos vegetativos semelhantes a fo lhas defeituosos nos quais os caracteres abaxiais foram substituídos por caracteres adaxiais sugerindo que há redundância funcional entre os membros da família de genes YABBY A atividade de promoção abaxial dos ge nes YABBY é sustentada mais adiante pelos fenótipos de plantas em que os genes YABBY são superexpressos Tais plantas exibem formação ectópica de tecidos abaxiais e em algumas circunstâncias perda do MAC A despeito de sua ação redundante com genes KA NADI a função dos genes YABBY é mais enigmática e pa rece estar associada predominantemente ao crescimento No milho por exemplo os genes YABBY são expressos no domínio foliar adaxial e portanto considerase que seu papel nessa espécie seja o de promover o crescimento da lâmina em vez da abaxialização As interações entre tecidos adaxiais e abaxiais são requeridas para o crescimento da lâmina Conforme descrito anteriormente primórdios abaxiali zados produzidos cirurgicamente isolando primórdios oriundos do meristema apical não conseguem formar lâminas foliares ver Figura 193 Do mesmo modo em mutantes phan os primórdios foliares sem tecidos ada xiais desenvolvemse em folhas semelhantes a acículas Juntas essas observações sugerem que o desenvolvimento da lâmina requer tecidos adaxiais e abaxiais Na verdade as folhas em mosaico às vezes produzidas pelos mutantes phan têm saliências laminares denominadas cristas da lâ mina formadas especificamente nos limites dos domínios adaxial e abaxial Figura 196 Tem sido proposto que o crescimento lateral normal da lâmina foliar é induzido por interações entre tipos de tecidos adaxiais e abaxiais distin tos De acordo com esse modelo a função primordial de PHAN é permitir o desenvolvimento de tecidos com uma identidade adaxial após o que a justaposição dos dois tipos de tecidos desencadeia programas de crescimento lateral O crescimento da lâmina é dependente da auxina e regulado pelos genes YABBY e WOX Em Arabidopsis a expressão dos genes YABBY marca o do mínio abaxial e as regiões marginais de folhas primordiais ver Figura 195A Os genes YABBY são regulados para cima upregulated pelos fatores de transcrição KANA DI ARF3 e ARF4 inversamente os fatores de transcrição YABBY promovem a expressão dos genes KAN1 e ARF4 formando alças de retroalimentação positiva Na ausência de atividade dos genes YABBY os primórdios foliares esta belecem polaridade adaxialabaxial mas não conseguem iniciar o crescimento da lâmina Essas descobertas indi cam que os genes YABBY medeiam a indução da atividade de crescimento relacionada à polaridade adaxialabaxial Os fatores de transcrição YABBY regulam positivamen te um membro da família de genes WOX PRS PRESSED Taiz19indd 558 Taiz19indd 558 27102016 154535 27102016 154535 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 559 FLOWER que é expresso na margem da folha e promo ve o crescimento da lâmina ver Figura 195B Os fatores de transcrição PRS e WOX1 funcionam em cooperação e o mutante duplo prswox1 exibe um fenótipo de folha es treita em Arabidopsis similar ao fenótipo foliar de mutan tes phan O crescimento da lâmina dependente de PRS e de WOX1 é em parte mediado por um sinal sinais móvel até agora não identificado processado por KLU uma citocro mo P450monoxigenase ver Figura 195B KLU promove a atividade de divisão celular em órgãos aéreos incluindo as folhas e um mutante de perda de função do gene KLU pro duz órgãos menores A auxina parece ser outro sinal atuan te na formação da lâmina independente de KLU Mutantes múltiplos de perda de função dos genes YUCCA YUC da biossíntese da auxina exibem desenvolvimento defeituoso da lâmina levantando a possibilidade de que a auxina par ticipe na rede reguladora do crescimento dirigido da folha A polaridade proximaldistal da folha também depende de expressão gênica específica Além da polaridade adaxialabaxial o desenvolvimento da folha também exibe polaridade ao longo de seu com primento denominada polaridade proximaldistal Os primórdios foliares em desenvolvimento podem ser divi didos longitudinalmente em quatro zonas principais que se estendem a partir do meristema meristema limítrofe zona dos hipofilos pecíolo e lâmina ver Figura 195A A polaridade proximaldistal tornase evidente à me dida que o primórdio começa a crescer para fora e para longe do MAC O meristema limítrofe embora não con siderado parte da folha é importante para a iniciação foliar normal A iniciação das folhas a partir da zona periférica requer a criação de limites do meristema para o órgão zo nastampão que separam esses dois grupos de células com programas de expressão gênica e morfologias diferentes O próprio meristema limítrofe expressa um conjunto úni co de fatores de transcrição que participam na repressão local da proliferação celular um prérequisito para o de senvolvimento de órgãos separados fisicamente Os genes CUC CUPSHAPED COTYLEDON 1 e 2 em Arabidopsis codificam fatores de transcrição NAC NAM ATAF12 CUC2 específicos da planta que regulam a formação dos cotilédones ver Capítulo 17 Figura 1727 Mais adiante no desenvolvimento esses genes CUC também controlam a especificação dos limites dos órgãos durante a iniciação foliar Como geralmente acontece no caso de genes regu lando funções de limites os mutantes duplos cuc1cuc2 exi bem fusões de órgãos e cessação do crescimento Como no desenvolvimento dos cotilédones durante a embriogênese há interdependência entre a expressão dos genes CUC e a iniciação do primórdio foliar dependente da auxina A zona dos hipofilos ZH desempenha um papel im portante nas folhas que desenvolvem estípulas ou formam bainhas ver Figura 191 Nesses casos as células fundado ras que originam o primórdio foliar recrutam células adi cionais para o primórdio por um mecanismo que em Arabi dopsis é dependente da expressão de ortólogos do gene PRS da família WOX As células recrutadas para se tornarem es típulas ou bainha são provenientes dos flancos do primórdio A região do primórdio foliar destinada a se tornar o pecíolo é caracterizada pela expressão dos genes BOP Bla de on Petiole que codificam ativadores transcricionais ne cessários para estabelecer a identidade do pecíolo na por ção proximal da folha em Arabidopsis ver Figura 195A O mutante duplo bop1bop2 carece de distinção exata en tre lâmina foliar e pecíolo e os dois mutantes individuais mostram desenvolvimento laminar no que seria o pecíolo Os genes BOP1 e BOP2 são expressos no domínio adaxial onde atuam de forma redundante para suprimir a emer gência laminar na região do pecíolo Cristas da lâmina MAC Adaxial A Padronização adaxialabaxial Expansão da lâmina Maturação Abaxial MAC B C Não determinada Abaxial Figura 196 Desenvolvimento foliar em relação aos limites adaxialabaxial em tipos diferentes de folhas Os diagramas mostram esboços de cortes transversais de primórdios foliares no local do estabeleci mento da padronização adaxialabaxial à esquerda no estágio inicial de expansão da lâmina ao centro e na folha madura à direita A Folha bifacial convencional como no tipo selvagem de Arabidopsis B Mutante phan de bocadeleão An tirrhinum majus e mutantes do ortólogo de PHAN do tabaco Nicotiana sylvestris C Mutante milkweed pod1 do milho Ob serve as expansões nas superfícies onde os tecidos adaxial e abaxial entram em conta to De Fukushima e Hasebe 2013 Taiz19indd 559 Taiz19indd 559 27102016 154535 27102016 154535 560 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Nas folhas compostas a desrepressão do gene KNOX1 promove a formação dos folíolos As folhas compostas evoluíram independentemente mui tas vezes a partir de formas foliares simples A despeito das variações amplas na forma e na complexidade de fo lhas compostas os mecanismos de desenvolvimento que levam à sua formação convergiram repetidamente Me diante retardo do processo de diferenciação os primór dios foliares individuais podem redistribuir as redes de regulação gênica usadas pelo MAC durante a iniciação foliar para formar os primórdios dos folíolos resultando no desenvolvimento da folha composta Figura 197 De modo semelhante ao que acontece durante a iniciação de primórdios foliares no MAC as proteínas PIN1 focalizam o fluxo de auxina levando à formação de máximos locali zados de auxina nos flancos dos primórdios Figura 198 Os genes KNOX1 são componentes importantes da rede de regulação envolvida no desenvolvimento de folhas compostas ver Figura 198 Os genes CUC são necessá rios para a desrepressão dos genes KNOX As citocininas atuam a jusante das proteínas KNOX na promoção do de senvolvimento dos folíolos Por exemplo a superexpressão do gene da biossíntese das citocininas IPT7 nos primór dios foliares do tomateiro provoca um aumento no núme ro de folíolos Inversamente a superexpressão do gene da degradação das citocininas CKX3 resulta em um decrés cimo no número de folíolos Um papel paralelo dos genes KNOX e CUC na formação de serrações foliares é discutido no Tópico 193 na internet PF PF P2 P2 P1 P1 P4 P4 P3 P3 100 μm Meristema 1 2 3 4 Expressão de KNOX1 Expressão de CUC Fluxo de auxina Pico de resposta da auxina Giberelina GA Inicial do primórdio Primórdio foliar Folíolo Primórdios dos folíolos GA Os genes KNOX1 que são reprimidos nos primórdios de folhas simples tornamse desreprimidos nos primórdios de folhas compostas Os níveis de giberelina decrescem Os genes CUC são expressos no limite distal do folíolo incipiente e estimulam o fluxo de auxina dirigido por PIN1 Os níveis de citocinina aumentam O crescimento dos folíolos suprime a expressão dos genes KNOX1 Os níveis de giberelina aumentam Figura 197 Imagem ao microscópio eletrônico de varredura do ápice caulinar do tomateiro mostrando uma folha composta em desenvolvimento Os primórdios 1 até 4 P1P4 são mostrados O primeiro e o segundo seta pares de folíolos PF são visíveis em P4 De Kang e Sinha 2010 Figura 198 Desenvolvimento de folhas compostas Os estágios iniciais de desenvolvimento de fo lhas simples e compostas são similares Os genes KNOX1 são reprimidos no primórdio inicial 1 e sub sequentemente reativados 2 mantendo assim o primórdio em um estado indiferenciado A seguir os primórdios dos folíolos são iniciados em um processo que se assemelha à iniciação dos primórdios foliares envolvendo o fluxo de auxina mediado por PIN1 3 e 4 De Hasson et al 2010 Taiz19indd 560 Taiz19indd 560 27102016 154535 27102016 154535 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 561 Diferenciação de tipos celulares epidérmicos Além dos parênquimas paliçádico e esponjoso espe cializados para fotossíntese e trocas gasosas a epider me também exerce papéis vitais no funcionamento da folha A epiderme é a camada mais externa de células do corpo primário da planta incluindo as estruturas ve getativa e reprodutiva A epiderme geralmente consiste em uma única camada de células derivada da cama da L1 ou protoderme Em algumas espécies como os membros das Moraceae e certos representantes das Be goniaceae e Piperaceae a epiderme tem duas até várias camadas de células derivadas de divisões periclinais da protoderme Existem três tipos principais de células epidérmicas encontradas em todas as angiospermas células funda mentais pavement cells tricomas e célulasguarda As células fundamentais células epidérmicas relativamen te não especializadas podem ser consideradas como o destino do desenvolvimentopadrão da protoderme Os tricomas são extensões unicelulares ou multicelulares da epiderme da parte aérea que podem assumir formas es truturas e funções distintas incluindo a proteção contra o ataque de insetos e patógenos a redução da perda de água e o aumento da tolerância a condições de estresse abiótico As célulasguarda são pares de células do estômato e cir cundam o ostíolo elas estão presentes nas estruturas fo tossintéticas da parte aérea As célulasguarda regulam as trocas gasosas entre a parte aérea e a atmosfera mediante mudanças de turgor fortemente reguladas em resposta à luz e a outros fatores ver Capítulo 10 Outras células epidérmicas especializadas como litocistos células buli formes células silicosas e células suberosas Figura 199 são encontradas apenas em certos grupos de plantas e não são tão bem estudadas A Células buliformes milho B Folha de monocotiledônea Ammophila sp D Epiderme foliar de gramínea Célula silicosa Célula suberosa Células fundamentais C Litocisto Ficus Cistólito Células buliformes Célulasguarda Figura 199 Exemplos de células epidérmicas especializa das A Células buliformes do milho B Folha enrolada do fenodasareias Ammophila sp O processo de enrolamento e desenrolamento de folhas de gramíneas é governado por mudanças de turgor nas células buliformes C Litocisto de uma folha de Ficus contendo um cistólito composto de car bonato de cálcio depositado sobre um pedúnculo celulósico fixado à parede celular superior D Epiderme foliar do trigo Triticum aestivum com pares de células silicosas e suberosas distribuídos entre células fundamentais Taiz19indd 561 Taiz19indd 561 27102016 154535 27102016 154535 562 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento A formação das células fundamentais a viapadrão de desenvolvimento das células epidérmicas foi discutida no Capítulo 14 ver Figura 1415 Aqui será descrito o desen volvimento de dois tipos de células epidérmicas especiali zadas célulasguarda e tricomas que têm sido estudados intensivamente como sistemasmodelo para a formação de padrões e a citodiferenciação O destino das célulasguarda é fundamentalmente determinado por uma linhagem epidérmica especializada As folhas em desenvolvimento exibem um gradiente do ápice para a base com a divisão celular predominando na base foliar e a diferenciação ocorrendo perto do ápice Em Arabidopsis a diferenciação das célulasguarda tam bém segue essa tendência mas é essencialmente gover nada pela linhagem celular estomática Figura 1910 Na protoderme em desenvolvimento que originará a epi derme foliar é estabelecida uma população de células mãe de meristemoides CMMs Cada CMM dividese assimetricamente a assim chamada divisão de entrada para originar duas célulasfilhas morfologicamente dis tintas uma célula fundamental da linhagem estomá tica CFLE maior e um meristemoide menor ver Figura 1910 A CFLE pode diferenciarse em uma célula fun damental ou tornarse CMM e estabelecer linhas satéli tes ou secundárias O meristemoide pode passar por um número variável de divisões amplificadoras assimétricas originando três CFLEs com o meristemoide finalmente diferenciandose em uma célulamãe de célulasguarda CMCG que é reconhecível por sua forma arredondada A seguir a CMCG passa por uma divisão simétrica for mando um par de célulaguarda circundando uma aber tura o ostíolo Embora essa linhagem seja chamada de linhagem estomática a capacidade dos meristemoides e das CFLEs de passar por divisões repetidas significa que ela é de fato responsável pela geração da maioria das célu las epidérmicas nas folhas Após as divisões de amplificação do meristemoide as CFLEs resultantes podem diferenciarse em células fun damentais que constituem o tipo celular mais abundante na epiderme de uma folha madura ou elas podem se di vidir assimetricamente divisões de espaçamento para originar um meristemoide secundário A orientação da divisão nas células CFLEs dividindose assimetricamente é importante para a aplicação da regra do espaçamento de uma célula segundo a qual os estômatos devem estar separados por pelo menos uma célula para maximizar as trocas gasosas entre a folha e a atmosfera A padronização estomática incorreta resulta quando os genes que contro lam estágios essenciais na linhagem são mutados 1 Uma célula protodérmica é encarregada da linhagem estomática quando se torna uma célulamãe de meristemoide CMM 2 As CMMs passam por uma divisão assimétrica e produzem um meristemoide menor vermelho e uma célula fundamental da linhagem estomática maior CFLE 3 Os meristemoides podem passar por divisões assimétricas adicionais 4 Os meristemoides podem diferenciarse em uma célulamãe de célulaguarda CMCG e a CFLE forma uma célula fundamental branco 5 Uma CMCG dividese simetricamente uma vez formando um par de célulasguarda verde 6 Uma CFLE pode voltar a ser uma CMM e passar por uma divisão assimétrica criando um novo meristemoide Célula protodérmica Célulamãe de meristemoide Meristemoide CFLE Entrada Espaçamento Amplificação Amplificação Outros destinos célula fundamental ou tricoma SPCH SCRM SPCH SCRM bHLHs bHLHs MUTE SCRM bHLHs FAMA SCRM bHLHs Célulamãe de célulaguarda Célula guarda Célula fundamental 1 2 3 4 5 6 Figura 1910 Desenvolvimento estomático em Arabidopsis Três fatores de transcrição relacionados SPCH MUTE e FAMA for mam heterodímeros com SCRM e são necessários para a produção de meristemoides CMCGs e célulasguarda Eles são igualmente necessários para as rotas de amplificação e espaçamento não mos tradas De Lau e Bergmann 2012 Taiz19indd 562 Taiz19indd 562 27102016 154536 27102016 154536 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 563 Dois grupos de fatores de transcrição bHLH governam as transições do destino celular estomático Os diversos estágios no desenvolvimento estomático des tacam três transições específicas do estado celular 1 CMM para meristemoide 2 meristemoide para CMCG e 3 CMCG para célulasguarda maduras Cada uma dessas transições está associada com e requer a expressão espe cífica de um dos três fatores de transcrição hélicealçahé lice básicos bHLH basic helixloophelix SPEECHLESS SPCH MUTE e FAMA denominado segundo a deusa romana do rumor ver Figura 1910 SPCH governa a for mação da CMM e a divisão de entrada assimétrica dessas células bem como as divisões subsequentes amplificadoras assimétricas e as divisões de espaçamento MUTE conclui o comportamento da célulatronco promovendo a diferen ciação dos meristemoides em CMCGs e FAMA promove a divisão e a diferenciação celular terminal das CMCGs em célulasguarda Além disso duas proteínas relacionadas a bHLH zíper de leucina bHLHLZ bHLH leucine zipper SCREAM SCRM E SCRM2 têm sido identificadas como parceiras de SPCH MUTE e FAMA Os peptídeos sinais regulam a padronização estomática mediante interação com receptores de superfície celular As quinases do tipo receptor com repetições ricas em leu cina LRRRLKs leucinerich repeat receptorlike kinases são proteínas transmembrana de uma só passagem com um domínio extracelular de ligação ao ligante e um domínio quinase intracelular para sinalização a jusante A família ERECTA ERf de receptores do tipo quinase RLKs tem três membros ERECTA ERL1 e ERL2 todos controla dores da padronização exata e da diferenciação dos estôma tos Por exemplo ERECTA expresso fortemente nas células protodérmicas mas indetectável depois disso restringe a divisão de entrada assimétrica nas CMMs Figura 1911 Uma proteína do tipo receptor TOO MANY MOU THS TMM também é necessária para a padronização estomática TMM é expressa dentro da linhagem estomá tica e parece proporcionar especificidade à família gênica ERECTA mais amplamente expressa ver Figura 1911 As proteínas do tipo receptor carecem de domínio quina se Cterminal e portanto são consideradas incapazes de transduzir sinais sozinhas Como a ERf a proteína do tipo receptor TMM inibe a proliferação da linhagem estomáti ca e orienta as divisões de espaçamento em folhas A família de proteínas EPIDERMAL PATTERNING FACTORLIKE EPFL é um grupo recentemente identi ficado de 11 pequenos peptídeos secretados ricos em cis teína que regulam o desenvolvimento estomático Dois membros fundadores da família EPF1 e EPF2 são fatores específicos da linhagem estomática e reprimem o desen volvimento estomático em estágios específicos quando os genes ERECTA estão sendo expressos De acordo com os modelos atuais EPF2 e EPF1 são secretados por CMMs meristemoides e CMCGs respectivamente e são perce bidos por receptores da família ERECTA nas células vizi nhas Como consequência o receptor de ERECTA inibe o desenvolvimento estomático ver Figura 1911 Dessa ma neira o par EPF2ERECTA regula o número e a densidade de estômatos Pareamentos diferentes entre peptídeos de EPFL e receptores da família ERECTA regulam aspectos distintos da padronização estomática enquanto a TMM aparentemente modula a rota de sinalização Um fato inesperado no cenário mencionado é a desco berta de que o mesofilo também contribui para a padroni zação estomática Um dos peptídeos de EPFL STOMAGEN um regulador positivo da densidade estomática é produ zido pelo mesofilo subjacente e liberado para a epiderme Experimentos têm mostrado que a depleção de STOMA GEN resulta em um decréscimo do número de estôma tos indicando que seu funcionamento é importante para o desenvolvimento estomático normal A superexpressão do STOMAGEN do fenótipo indutor de estômatos ou sua aplicação exógena requer a TMM levando à proposta de que ela pode atuar como um receptor do STOMAGEN Contudo o mecanismo pelo qual o STOMAGEN estimula o desenvolvimento estomático ainda é desconhecido As triagens screens genéticas levaram à identificação de reguladores positivos e negativos da iniciação dos tricomas O desenvolvimento dos tricomas tem sido exaustivamente estudado nas folhas em roseta de Arabidopsis Os tricomas de Arabidopsis são unicelulares e ramificados com uma estrutura tricorne distintiva Figura 1912 EPF2 ERECTA Extracelular Citoplasma Domínio proteico TMM do tipo receptor Domínio receptor do tipo quinase Célula protodérmica Produção de meristemoides Domínio transmembrana Figura 1911 Peptídeo de EPF2 sinalizando negativamente re gula a densidade e a padronização estomática EPF2 é sintetizado e secretado por célulasmães de meristemoides e meristemoides ini ciais A presença de EPF2 extracelular é detectada pelo receptor do tipo quinase ERECTA de células protodérmicas Em conjunto com a proteína TMM do tipo receptor o complexo EPF2ERECTA ativa uma cascata de sinalização intracelular que reprime a produção de novos meristemoides De Lau e Bergmann 2012 Taiz19indd 563 Taiz19indd 563 27102016 154537 27102016 154537 564 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Os tricomas de Arabidopsis desenvolvemse a partir de células protodérmicas simples A primeira mudança reco nhecível de uma célula protodérmica até uma célula de tri comas incipiente é um aumento no tamanho nuclear devido à iniciação da endorreduplicação replicação do genoma nuclear na ausência de divisões nucleares ou celulares ver Capítulo 2 A morfogênese de células do tricoma é caracte rizada por uma excrescência inicial seguida por dois even tos sucessivos de ramificação resultando na forma tricorne A iniciação dos tricomas ocorre na base da folha em desenvolvimento onde em geral são separados por três ou quatro células protodérmicas que não se desenvolvem em tricomas Esse espaçamento regular sugere a existên cia de campos de desenvolvimento entre tricomas vizi nhos esses campos inibem a iniciação de tricomas nas células protodérmicas intermediárias À medida que a folha se expande novos tricomas são iniciados na base foliar os tricomas formados anteriormente são depois separados por divisões celulares das células epidérmicas intermediárias Triagens genéticas de mutantes afetando o desenvol vimento de tricomas levaram à descoberta de genes de regulação da padronização de tricomas especialmente a densidade e o espaçamento de tricomas Figura 1913 Os mutantes geralmente enquadramse em duas classes Uma classe apresenta menos tricomas ou nenhum o que indica a ausência de proteínas que são reguladores posi tivos da formação de tricomas ver Figura 1913B Esses genes incluem TRANSPARENT TESTA GLABRA1 TTG1 GLABRA1 GL1 e GLABRA3 GL3 TTG1 codifica uma proteína com domínios WD40 repetidos um motivo de 40 aminoácidos com triptofano conservado W e resíduos de aspartato D que em geral atuam como domínios de interação proteínaproteína GL1 codifica um fator de transcrição relacionado ao MYB e GL3 codifica um fator de transcrição do tipo bHLH GL1 GL3 e TTG1 funcio nam juntas como um complexo proteico GL1GL3TTG1 que regula a expressão de outros genes A segunda classe de mutantes da padronização de tri comas tem mais tricomas ou tricomas espaçados de modo irregular agrupamentos de tricomas portanto os genes correspondentes codificam proteínas que atuam como re guladores negativos do desenvolvimento de tricomas ver Figura 1913C e D Esses reguladores negativos incluem TRYPTICON TRY que codifica uma proteína MYB ca A B C D Figura 1912 Tricoma de Arabidopsis mostrando o típico padrão de ramificação tricorne Figura 1913 Padronização de trico mas em Arabidopsis A Planta do tipo selvagem com tricomas distribuídos mais ou menos regularmente nas superfícies foliares B Planta mutante gl1 sem trico mas C Planta mutante try exibindo pe quenos agrupamentos de tricomas seta branca D Mutante duplo trycpc com agrupamentos de até 40 tricomas De Balkunde et al 2010 Taiz19indd 564 Taiz19indd 564 27102016 154537 27102016 154537 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 565 rente de um domínio de ativação transcricional TRY é ex presso nos tricomas em desenvolvimento e movese para as células vizinhas onde inativa o complexo GL1GL3 TTG1 pela substituição de GL1 Figura 1914 A inativa ção do complexo GL1GL3TTG1 impede a formação de tricomas nas células vizinhas e assim estabiliza o espaça mento regular de tricomas na epiderme foliar GLABRA2 atua a jusante do complexo GL1GL3TTG1 para promover a formação dos tricomas GLABRA2 GL2 foi originalmente identificado como um gene que quando mutado causava tricomas abortados com expansão celular aberrante GL2 que é ativado em células de tricomas pelo complexo GL1GL3TTG1 codifica um fator de transcrição com homeodomínio de zíper de leuci na ver Figura 1914 Considerase que a expressão de GL2 represente a etapa limitante da taxa de formação dos trico mas Em plantas do tipo selvagem altos níveis da atividade do promotor de GL2 têm sido observados na folha inteira em estágios iniciais de desenvolvimento foliar contudo mais tarde essa atividade é limitada aos tricomas em de senvolvimento e às células que circundam os tricomas em estágio inicial Análises amplas dos padrões da expressão gênica indicam que um grande número de genes é regulado a jusante de GL2 durante a diferenciação dos tricomas Enquanto GL2 promove a formação de tricomas na epiderme foliar nas raízes ele tem o efeito oposto Nas raízes os mutantes gl2 formam pelos ectópicos indicando que o produto gênico atua como um supressor do desen volvimento dos pelos nas raízes O ácido jasmônico regula o desenvolvimento de tricomas foliares em Arabidopsis O ácido jasmônico e seus compostos derivados funcio nam como moléculas sinalizadoras fundamentais na formação de tricomas em Arabidopsis a adição de ácido jasmônico causa um aumento no número de tricomas foliares em Arabidopsis Em Arabidopsis as proteínas do domíniojasmonato ZIM JAZ reprimem a formação dos tricomas mediante ligação a GL3 e GL1 parceiroschave do complexo de ativação Igualmente o ácido jasmônico participa na iniciação dos tricomas mediante degradação de proteínas JAZ suprimindo desse modo as interações de proteínas JAZ com fatores bHLH e MYB que ativam a transcrição de ativadores de tricomas ver Figura 1914 Padrões de venação nas folhas O sistema vascular da folha é uma rede complexa de ner vuras interconectadas As nervuras consistem em dois tipos de tecidos condutores principais xilema e floema bem como em elementos não condutores como as células de parênquima e de esclerênquima A organização espa cial do sistema vascular da folha seu padrão de venação é específica para a espécie e para o órgão Os padrões de venação enquadramse em duas categorias gerais vena ção reticulada encontrada na maioria das eudicotiledône as e venação paralela típica de muitas monocotiledôneas Figura 1915 A B TTG1 GL1 TRY TRY GL3 TTG1 GL1 GL3 GL2 Diferenciação de células dos tricomas Tricoma Epiderme foliar JAZ AJ Figura 1914 Papel de GLABRA2 GL2 na formação de tricomas foliares As células que formam tricomas expressam fortemente os genes GL2 e TRY setas pretas A proteína GL2 atua como um regu lador positivo da diferenciação de células dos tricomas A proteína TRY movese para células epidérmicas adjacentes seta azul onde inibe a formação de tricomas De Qing e Aoyama 2012 Figura 1915 Dois padrões básicos de venação foliar em angiospermas A Venação reticulada em Prunus serotina uma eudicotiledônea B Venação paralela em Iris sibirica uma monocotiledônea Taiz19indd 565 Taiz19indd 565 27102016 154537 27102016 154537 Figura 1811 Modelo composto para a indução de síntese de αamilase nas camadas da aleurona em cevado pela GA Uma rota independente de Ca2 induz a transcrição do gene da αamilase uma rota independente de cálcio está envolvendo a secreção de αamilase Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 567 Iniciação da folha Procâmbio A B Procâmbio 1 1 1 2 3 3 3 5 7 7 5 Floema Xilema Lacuna foliar Traço foliar Indivíduo de pepino intacto Gema apical A Folha jovem Folha madura Cotilédone O caule foi decapitado e as folhas e as gemas acima do local da lesão foram removidas para reduzir a auxina endógena Imediatamente após a remoção foi aplicada uma pasta de lanolina no caule acima do local da lesão Lesão Cordões vasculares Nó Auxina na pasta de lanolina B Indivíduo de pepino decapitado e com lesão Taiz19indd 567 Taiz19indd 567 27102016 154537 27102016 154537 568 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento correspondendo à direção presumida do fluxo de auxina A extremidade superior de corte do feixe vascular portan to atua como fonte de auxina enquanto a extremidade inferior de corte atua como dreno de auxina Essas descobertas e observações similares em outros sistemas tal como a enxertia de gemas levaram à hipó tese de que à medida que flui pelos tecidos a auxina es timula e polariza seu próprio transporte Esse transporte gradualmente tornase canalizado para fileiras de células que assumem a condução a partir das fontes de auxina essas fileiras de células podem então diferenciarse for mando o sistema vascular Coerente com essa ideia a aplicação localizada de auxina como nos experimentos sobre lesão já descritos induz a diferenciação vascular em cordões estreitos que levam para longe do sítio de aplicação e não em áreas am plas de células A nova estrutura vascular em geral desen volvese em direção aos cordões vasculares e unese com eles resultando em uma rede vascular conectada Por essa razão é possível prever que um traço foliar em desenvol vimento atue como uma fonte de auxina e que a estrutura vascular do caule atue como um dreno de auxina Estudos recentes sobre venação têm apoiado esse modelo fonte dreno ou modelo da canalização para o fluxo de auxina em nível molecular O transporte basípeto de auxina a partir da camada L1 do primórdio foliar inicia o desenvolvimento do procâmbio do traço foliar Como foi visto no Capítulo 18 a canalização com frequência é acompanhada pela redistribuição de transportadores de efluxo de auxina PIN1 Além disso a distribuição de PIN1 pode ser usada para predizer a direção do fluxo de auxina dentro de um tecido A Figura 1919A mostra o MAC de um tomateiro expressando a proteína PIN1 de Arabidopsis fu sionada à proteína fluorescente verde GFP green fluorescent protein Com base na orientação das proteínas PIN1 a auxi na é direcionada para um ponto de convergência na camada L1 da inicial do primórdio foliar P0 Por outro lado a auxi na é direcionada no sentido basípeto na iniciação da nervura mediana traço foliar do primórdio foliar P1 emergente A Figura 1919B mostra um modelo para a formação da nervura mediana em Arabidopsis A canalização de au xina em direção ao ápice do primórdio foliar P1 na ca mada L1 via transportadores PIN1 provoca a uma acu mulação desse hormônio no ápice O efluxo de auxina a partir dessa região de alta concentração desse hormônio tornase canalizado via proteínas PIN1 no sentido basí peto em direção ao traço foliar mais antigo diretamente abaixo dela Isso induz a diferenciação do procâmbio no sentido basípeto A estrutura vascular existente orienta o crescimento do traço foliar Experimentos microcirúrgicos têm mostrado que o feixe vascular existente no caule é necessário para o desenvol vimento direcional do procâmbio do traço foliar A Figu ra 1920A mostra a distribuição de PIN1 no ápice de um tomateiro expressando a PIN1 de Arabidopsis fusionada à GFP O traço foliar que emerge da inicial do primórdio fo liar P0 conectouse ao traço foliar existente do primórdio foliar abaixo dele conforme representação diagramática na Figura 1920C No entanto se o P3 for removido cirur gicamente o traço foliar do P0 conectase em vez disso ao feixe vascular do primórdio foliar no outro lado do cau le P2 Figura 1920B e D Esses resultados sugerem que ou o feixe vascular existente está servindo como um dre no de auxina e portanto facilitando a canalização desse MAC P0 P1 Procâmbio Tecido vascular Auxina B A P0 P1 Figura 1919 Fluxo de auxina mediado por PIN1 durante a for mação da nervura mediana A Corte longitudinal de um meris tema vegetativo de tomateiro expressando AtPIN1GFP verde As setas vermelhas à esquerda indicam a direção do movimento de auxina seguindo ao local da inicial do primórdio foliar I1 estrela branca As setas vermelhas à direita indicam o fluxo de auxina em direção ao primórdio foliar emergente P1 As setas brancas mos tram o movimento basípeto de auxina que inicia a diferenciação da nervura mediana B Diagrama esquemático do fluxo de auxina pelas camadas L1 L2 e L3 do tecido e da diferenciação da nervura mediana durante a formação dos primórdios foliares Inicial do pri mórdio P0 primórdio P1 A de Bayer et al 2009 Taiz19indd 568 Taiz19indd 568 27102016 154538 27102016 154538 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 569 hormônio ou ele está produzindo um sinal diferente que orienta o desenvolvimento do traço foliar O floema primário é o primeiro tecido vascular a for marse das células procambiais sua diferenciação começa no feixe vascular abaixo e prossegue no sentido acrópeto para o primórdio foliar A diferenciação do xilema primá rio por outro lado ocorre depois é descontínua e prosse gue no sentido acrópeto para o primórdio foliar e basípeto em direção ao feixe vascular abaixo As nervuras foliares hierarquicamente superiores diferenciamse em uma ordem previsível A ordem hierárquica da vascularização foliar tem sido mais bem estudada em Arabidopsis Em geral o desen volvimento e a padronização das nervuras avançam no sentido basípeto Figura 1921A seta preta Em outras palavras a venação costuma estar em um estágio mais avançado de desenvolvimento no ápice de uma folha em formação do que em sua base Durante a formação das nervuras as células do me ristema fundamental diferenciamse em células do pré procâmbio um estado intermediário estável entre células fundamentais e células procambiais que é carac terizado em Arabidopsis pela expressão do fator de trans crição ATHB8 As células préprocambiais são isodia métricas aproximadamente cúbicas e pela forma não se distinguem das células do meristema fundamental As di visões celulares do préprocâmbio são paralelas à direção de crescimento do cordão vascular resultando nas células alongadas características do procâmbio Figura 1921B O padrão de formação das nervuras segue um curso estereotípico em Arabidopsis O primeiro procâmbio que se forma no primórdio foliar o traço foliar representa a futura nervura primária ou nervura mediana O pré procâmbio secundário do primeiro par de nervuras se cundárias com alças seta alaranjada na Figura 1921B desenvolvese para fora da nervura mediana O prépro câmbio do segundo par de alças da nervura secundária avança no sentido basípeto ou acrópeto O terceiro e os outros pares de alças da nervura secundária avançam para fora da nervura mediana em direção à margem foliar e reconectamse com outros cordões em extensão setas pretas na Figura 1921A O procâmbio diferenciase a partir do préprocâmbio simultaneamente ao longo do cordão procambial linhas verdes na Figura 1921A A diferenciação do xilema ocorre cerca de quatro dias mais tarde e pode desenvolverse con tinuamente ou como ilhas descontínuas ao longo do cordão vascular setas de cor violetapurpúrea na Figura 1921A A diferenciação exata dos tecidos vasculares den tro das nervuras depende da polaridade adaxialabaxial normal da folha Os quatro círculos mostrados na Figura 1921C representam a diferenciação vascular na presença e na ausência de polaridade adaxialabaxial O círculo verde à esquerda representa o cordão procambial indiferencia do Sob condições de polaridade adaxialabaxial normal o xilema desenvolvese no lado adaxial e o floema no lado abaxial Todavia se a folha tornase adaxializada como nos mutantes phan as células do xilema circundam o floema enquanto nos mutantes abaxializados como os P2 C D A B P2 P3 P0 P0 Estrutura vascular do P3 removida 50 μm 50 μm P0 P0 P3 P2 Figura 1920 O feixe vascular preexis tente orienta o desenvolvimento basípeto do traço foliar A e C No controle meris tema expressando AtPIN1GFP verde de Arabidopsis o traço foliar recéminiciado 1 cresce em direção ao traço foliar e co nectase com ele associado com P3 direta mente abaixo B e D Quando a estrutura vascular do P3 é removida cirurgicamente linha vermelha tracejada o traço foliar do P0 conectase em vez disso ao traço foliar do P2 no outro lado do caule De Bayer et al 2009 Taiz19indd 569 Taiz19indd 569 27102016 154538 27102016 154538 570 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento da família de genes KANADI as células do floema circun dam as células do xilema A canalização da auxina regula a formação das nervuras de ordens superiores Do mesmo modo que atua durante o desenvolvimento de traços foliares a PIN1 regula também a canalização da auxina durante a formação de nervuras foliares de ordens superiores A PIN1 na camada epidérmica da folha em desenvolvimento direciona a auxina para os pontos de convergência ao longo da margem foliar Figura 1922A Esses pontos de convergência correspondem aos locais onde serrações ver Tópico 193 na internet e hidatódios discutidos a seguir podem desenvolverse À medida que a concentração de auxina aumenta nessas regiões o efluxo desse hormônio induz o fluxo de auxina mediado pela PIN1 a distanciarse dos pontos de convergência em direção à nervura primária Isso por sua vez causa a di ferenciação do préprocâmbio ao longo do trajeto do fluxo de auxina formando finalmente uma nervura foliar se cundária Em folhas de Arabidopsis a formação da nervura terciária pode resultar em alças que conectam as nervuras primária e secundária Novamente essa formação da ner vura terciária é orientada pela canalização mediada por proteínas PIN1 Figura 1922B A despeito das evidências abundantes correlacio nando a distribuição de PIN1 na folha com a canalização da auxina e a formação das nervuras os mutantes pin1 surpreendentemente têm fenótipos moderados Figu A B C Préprocâmbio secundário Cordões procambiais Cordões vasculares Xilema Floema Desenvolvimento vascular total no sentido basípeto Nervuras terciárias e secundárias de ordens superiores Préprocâmbio Procâmbio Procâmbio Padrão de venação normal Padrão de venação adaxializada Padrão de venação abaxializada PC PC PC PC PC PC Gradiente de concentração de auxina altobaixo A B Fluxo de auxina mediado por PIN1 Figura 1921 A Desenvolvimento do padrão de venação em folhas jovens B Formação de células procambiais a partir de uma célula do préprocâmbio C Padrão de venação radial em folhas Da esquerda para a direita cordão procambial padrão de venação normal padrão de venação em mutantes adaxializados padrão de venação em mutantes abaxializados De Lucas et al 2013 Figura 1922 Modelo de formação de nervuras foliares de ordens superiores em Arabidopsis A A auxina acumula se em pontos de convergência PCs nas margens foliares onde as proteínas PIN1 direcionam o transporte desse hormônio A canalização do transporte polar de auxina leva à diferenciação do procâmbio de nervuras secundárias B As nervuras terciárias podem formar se quando a auxina tornase desviada por proteínas PIN1 associadas à nervura mediana Tais nervuras terciárias podem formar alças que se conectam às nervu ras secundárias As setas vermelhas indi cam a direção do fluxo de auxina media do por PIN1 De Petrášek e Friml 2009 Taiz19indd 570 Taiz19indd 570 27102016 154538 27102016 154538 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 571 ra 1923 Por exemplo o mutante duplo foliar pin1pin6 mostrado na Figura 1923B tem uma forma alterada e um padrão de venação defeituoso mas a estrutura hierárqui ca básica das nervuras ainda está intacta indicando que outros fatores também contribuem para a canalização da auxina Por exemplo outros transportadores de auxina como ABCB19 que ajuda as estreitas correntes de auxina canalizadas mediante exclusão desse hormônio das célu las vizinhas e AUX1LAXpermeases que criam drenos de captação que aumentam o fluxo da auxina ver Capí tulo 17 podem ser capazes de manter a canalização na ausência de PIN1 A biossíntese localizada da auxina é fundamental para os padrões de venação de ordens superiores Uma causa adicional de acumulação da auxina na margem foliar além da canalização pela PIN1 baseiase na bios síntese localizada desse hormônio Conforme discutido anteriormente neste capítulo a interface adaxialabaxial desencadeia a expressão dos genes YUCCA YUC Con siderase que a produção da auxina nas margens foliares estimule a expansão da lâmina A acumulação da auxina é concentrada nas regiões dos hidatódios ao longo da mar gem foliar onde os genes YUCCA são expressos Figura 1924A Os hidatódios são poros especializados associa dos com as extremidades das nervuras na margem foliar a partir dos quais a seiva do xilema pode exsudar na pre sença de pressão de raiz ver Capítulo 4 A Figura 1924B ilustra muito bem a canalização da auxina a partir de seu sítio de síntese na região do hidatódio para seu dreno uma nervura em desenvolvimento A importância da síntese da auxina para a venação foliar é drasticamente demonstrada pelos fenótipos de mutantes do gene YUCCA em Arabidopsis Ao contrário do que é visto no fenótipo moderado do mutante duplo pin1pin6 ver Figura 1923B o padrão de venação normal é quase inteiramente eliminado nos mutantes quádru plos yuc1yuc2yuc4yuc6 em que a biossíntese da auxina é substancialmente reduzida ver Figura 1923C As pou cas nervuras remanescentes sugerem que auxina residual está sendo sintetizada por uma rota biossintética diferente ou que uma rota independente da auxina pode direcionar uma formação limitada de nervuras C A B Tipo selvagem pin1pin6 yuc1yuc2yuc4yuc6 A B 1 mm 150 μm Figura 1923 As mutações que afe tam o transporte ou a biossíntese de auxina alteram os padrões de venação foliar A Folha do tipo selvagem TS B Mutante duplo pin1pin6 Embora o pa drão de venação do mutante seja defei tuoso ele retém a hierarquia normal das nervuras C Mutante quádruplo yuc1 yuc2yuc4yuc6 Na ausência de biossín tese significante de auxina o padrão de venação é altamente reduzido A e B de Sawchuk et al 2013 C de Cheng et al 2006 Figura 1924 Biossíntese de auxina em hidatódios de folhas de Arabidopsis indicada pela expressão do gene repórter GUS governado pelo promotor DR5 res ponsivo à auxina A Uma folha de Arabidopsis que foi clareada para revelar o corante azul B Fluxo e canali zação de auxina a partir do hidatódio em direção à ner vura foliar em desenvolvimento De Aloni et al 2003 Taiz19indd 571 Taiz19indd 571 27102016 154538 27102016 154538 572 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Com base na abundância de evidências colhidas de outros estudos podese reconstruir o processo de forma ção de nervuras como segue 1 A auxina é sintetizada pelas proteínas YUCCA e acu mulase nas regiões dos hidatódios 2 O efluxo da auxina a partir da margem induz a forma ção de PIN1 e a orientação polar em células próximas promovendo o fluxo da auxina para longe de seu sítio de síntese 3 Os exportadores ABCB intensificam a canalização mediante exclusão da auxina de praticamente todas as partes excetuando uma estreita zona que leva ao desenvolvimento da nervura foliar enquanto os transportadores da captação de AUX1LAX criam drenos que aumentam os fluxos da auxina 4 A auxina é captada pelas células da nervura em de senvolvimento até que esteja completamente diferen ciada a nervura mantém o fluxo da auxina Ramificação e arquitetura da parte aérea A arquitetura da parte aérea e da inflorescência das plantas floríferas é determinada em grande parte pelos padrões de ramificação estabelecidos durante o desenvolvimento pós embrionário As primeiras plantas vasculares apresenta vam ramificação dicotômica junto ao MAC produzindo dois caules iguais Essa condição persiste atualmente em algumas espécies de grupos vasculares inferiores Figura 1925 e de angiospermas como certos cactos A arquitetura da parte aérea das espermatófitas ao contrário é caracterizada por repetições múltiplas de um módulo básico denominado fitômero que consiste em um entrenó um nó uma folha e um meristema axilar Figura 1926 As modificações de posição tamanho e forma do fitômero individual bem com variações na regulação da emergência da gema axilar proporcionaram a base morfo lógica da notável diversidade da arquitetura da parte aérea nas espermatófitas Ramos vegetativos e da inflorescên cia assim como os primórdios florais produzidos pelas in florescências são derivados dos meristemas axilares ini ciados nas axilas das folhas Durante o desenvolvimento vegetativo os meristemas axilares da mesma forma que os meristemas apicais iniciam a formação dos primórdios foliares resultando nas gemas axilares Essas gemas ou ficam dormentes ou desenvolvemse em ramos laterais dependendo de sua posição ao longo do eixo do caule do A B 50 μm A A Figura 1925 Vascularização dicotômica na planta vascular primitiva Psilotum nudum a imagem mostra esporângio A Par te aérea mostrando a ramificação dicotômica B Ápice do caule mostrando o estabelecimento de dois MACs durante a formação de ramos A meristema apical do caule B de Takiguchi et al 1996 MAC Folha Fitômero Nó Entrenó Coifa Meristema axilar Cotilédone Hipocótilo Figura 1926 Representação esquemática de um fitômero o módulo básico da organização da parte aérea nas espermatófitas Taiz19indd 572 Taiz19indd 572 27102016 154538 27102016 154538 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 573 estágio de desenvolvimento da planta e de fatores ambientais Durante o desenvolvimento reprodu tivo os meristemas axilares iniciam a formação dos ramos da inflorescência e das flores Por isso o hábito de crescimento de uma planta depende não apenas dos padrões de formação dos meristemas axilares mas também da identidade do meriste ma e de suas características de crescimento sub sequente A iniciação dos meristemas axilares envolve muitos dos mesmos genes da iniciação foliar e da emergência da lâmina A biossíntese o transporte e a sinalização da auxi na são necessários para a iniciação dos meristemas axilares o que é demonstrado pelo fato de que os mutantes defeituosos nessas rotas não conseguem formar novos meristemas axilares A iniciação dos meristemas axilares envolve três etapas princi pais posicionamento correto das células iniciais delineamento dos limites dos meristemas e esta belecimento do meristema apropriado Conforme já discutido neste capítulo o transporte de auxina mediado por PIN1 ajuda a determinar os sítios dos primórdios foliares e também é importante para a forma ção dos meristemas axilares Não surpreende que as evidências genéticas indi quem uma considerável sobreposição nas redes gênicas envolvidas na iniciação dos primórdios foliares serrações nas margens foliares e meristemas axilares Por exemplo mutações nos genes LATERAL SUPPRESSOR LAS do to mateiro Solanum lycopersicum Figura 1927 e Arabidop sis causam um bloqueio completo na formação das gemas axilares durante a fase vegetativa do desenvolvimento resultados similares foram observados no arroz Oryza sativa Coerente com essa constatação demonstrouse que mRNA de LAS acumulase nas axilas dos primórdios foliares onde novos meristemas axilares se desenvol vem Figura 1928 Os padrões de expressão dos genes LAS são semelhantes aos dos genes CUC que conforme discutido anteriormente regulam a formação dos meris temas do caule embrionário e especificam os limites dos órgãos laterais Outros dois genes que são requeridos para a formação de gemas axilares normais em Arabidopsis são REGULATOR OF AXILLARY MERISTEM FORMATION ROX da proteína bHLH e REGULATOR OF AXILLARY MERISTEMS RAX do fator de transcrição MYB Auxina citocininas e estrigolactonas regulam a emergência das gemas axilares Uma vez formados os meristemas axilares podem entrar em uma fase de crescimento altamente restrito dormên cia ou podem ser liberados para formar ramos axilares A decisão de ir ou não ir é determinada pela progra mação do desenvolvimento e por respostas ambientais mediadas por fitormônios que atuam como sinais locais e de longa distância As interações das rotas de sinalização hormonal coordenam as taxas de crescimento relativo de ramos diferentes e o ápice do caule que por fim determi nam a arquitetura da parte aérea Os principais hormônios envolvidos são auxina citocininas e estrigolactonas ver Capítulo 15 Todos os três tipos de hormônios são pro duzidos em quantidades variáveis na raiz e na parte aé rea mas sua translocação permite que eles exerçam efeitos muito distante de seus sítios de síntese Figura 1929 A auxina é sintetizada predominantemente em folhas jovens e no ápice do caule ela é transportada em direção A Tipo selvagem B Mutante ls Figura 1927 O mutante do tomateiro lateral suppressor ls mostra de feitos na formação das gemas axilares A Uma planta do tipo selvagem B O mutante ls As gemas axilares não se formam na maioria das axilas foliares Cortesia de Klaus Theres Iniciais das gemas axilares P1 P4 P3 P2 MAC Figura 1928 Acumulação do mRNA dos LATERAL SUPPRESSOR nas regiões das gemas axilares de um ápice de Arabidopsis P1P4 primórdios foliares De Greb et al 2003 Taiz19indd 573 Taiz19indd 573 27102016 154538 27102016 154538 Figura 1929 Transporte de longo distância de três hormônios que regulam a ramificação da parte aérea auxinas citocininas e estrigolactonas A auxina é produzida predominantemente nas folhas jovens em expansão e é transportada no sentido basipeto por transporte polar mediado por PIN As estrigolactonas e as citocininas são sintetizadas principalmente na raiz e podem apresentar translocação acortada para a parte aérea via xilema Esses hormônios podem também ser sintetizados em tecidos da parte aérea adjacentes às gemas axilares De Domagalska e Leyser 2011 xina produzida no ápice do caule inibe o crescimento das gemas axilares Em plantas com dominância apical forte os mutantes com diminuição do transporte de auxina em direção à raiz exibem autonomia da ramificação e o tratamento do ápice do caule com inibidores do transporte de auxina resulta em aumento da ramificação A ação de auxina ao caule no ponto de excisão apical inibe o crescimento ao passo que a aplicação de inibidores do transporte de auxina ao caule libera as gemas axilares abaixo da dominância apical Figura 1930A Os floricultores tiram proveito desse fenômeno quando beliscam criásmetos com dominância apical forte para produzir espécies moitas cuplifromes de inflorescências As estrigolactonas atuam em combinação com a auxina e restauram a dominância apical Mutantes de Arabidopsis com defeito na biossíntese max1 more axillary growth max3 ou max4 ou na sinalização de estrigolactonas max2 mostram aumento da ramificação sendo decapitado Figura 1930B A exibição do caule com defeito na biossíntese sobe uma raiz do tipo selvagem restaura a dominância apical indicando que a estrigolactona pode se mover da raiz Figura 1930 O crescimento das gemas axilares é inibido por auxina e estrigolactonas A Experimento fisiológico clássico demonstrando o papel da auxina na dominância apical Gemas decapitadas a gema axilar livre da dominância apical A aplicação de auxina na extremidade cortical impede o crescimento da gemas A aplicação de um inibidor do transporte polar de auxina por ou para o caule provoca o crescimento das gemas abaixo do local da aplicação B Experimentos de referência realizados com mutantes defeituosos na biossíntese de estrigolactonas ou na sinalização que aumentam a ramificação A exibição de raízes dos mutantes da biossíntese de estrigolactonas max1 max3 ou max4 às raízes do selvagem restauram a ramificação ao quais eles de nutre não para o tipo selvagem A exibição de raízes dos mutantes de siluação de estrigolactonas max2 sobre os quais também impediu o crescimento de gemas demonstrando que max2 poderia produzir sinal nas raízes embora elas não possam responder ao cele O hormônio inibidor também ser produzido no caule pois a exibição de caule também sobre as raízes de estrigolactonas max1 max3 ou max4 não aumentou o número de ramos De Domagalska e Leyser 2011 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 575 Auxina Inibidor do transporte de auxina A Coto Planta intacta Decapitado Decapitado mais AIA Inibidor PAT B Tipo selvagem Mutante max2 Caule de max2 raiz de tipo selvagem Mutante max134 Caule de max134 raiz de tipo selvagem Caule de tipo selvagem raiz de max2 Caule de tipo selvagem raiz de max134 Caule de max134 raiz de max2 Taiz19indd 575 Taiz19indd 575 27102016 154539 27102016 154539 576 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento para a parte aérea No entanto a estrigolactona derivada da raiz não é requerida para a repressão das gemas pois os caules do tipo selvagem enxertados nas raízes deficientes de estrigolactona têm dominância apical normal Esse re sultado sugere que as estrigolactonas que reprimem o cres cimento das gemas geralmente provêm do interior do caule Os genes que regulam a biossíntese e a recepção das estrigolactonas são conservados nas plantas superio res As estrigolactonas são produzidas nos plastídios do caroteno por três enzimas de plastídios de ação sequen cial que devem estar localizadas na mesma célula D27 uma carotenoide isomerase e CCD7 e CCD8 que são dio xigenases de clivagem do carotenoide ver Capítulo 15 O produto um apocarotenoide denominado carlactona pode moverse entre as células mas deve passar por duas etapas de oxigenação para produzir uma estrigolactona bioativa As etapas da oxigenação são catalisadas por um citocromo citosólico P450 As estrigolactonas são percebidas por um complexo proteico contendo uma proteína hidrolase com dobra e uma proteína Fbox D14 e MAX2 respectivamente Figura 1931 O mecanismo de sinalização aparenta si milaridade com o mecanismo de sinalização da giberelina ver Figuras 1533 e 1534 e envolve proteínasalvo para degradação por ubiquitinação As citocininas antagonizam os efeitos das estrigolactonas A aplicação direta de citocinina nas gemas axilares esti mula seu crescimento sugerindo que as citocininas estão envolvidas na quebra da dormência apical Coerente com Alvo Alvo Alvo Ubiquitinação D14 hidrolase com α βdobra Cullin PSK Skp MAX2A Fbox Cullin PSK Skp MAX2A Fbox 1 A hidrolase αβdobra D14 ligase e reage com a estrigolactona mudando sua conformação para a forma ativa D14 2 D14 interage com a proteína Fbox MAX2 e outros parceiros do complexo ubiquitina ligase SCFMAX2 3 Proteínasalvo são reconhecidas pelo complexo D14SCFMAX2 e ubiquitinadas 4 D14 hidrolisa a estrigolactona e libera os produtos da hidrólise D14 desligase do complexo SCFMAX2 e retorna à sua conformação original o que lhe permite responder a um novo sinal da estrigolactona D14 hidrolase com αβdobra Ubiquitina O O O O O Estrigolactona O O OH Figura 1931 Modelo de sinalização de ubiquitina ligase de estrigolactona De Janssen e Snowden 2012 MAX2A DAD2 PSK Skp e Cullin são componentes do complexo ubiquitina ligase SCFMAX2 essa hipótese após a decapitação de ervilhas a expressão de dois genes da biossíntese da citocinina IPT1 e IPT2 au menta no segundo caule nodal sugerindo que a auxina do ápice do caule normalmente reprime esses genes Isso foi confirmado pela incubação de segmentos de caule com e sem auxina a expressão de IPT1 e IPT2 persistiu somente em segmentos incubados sem auxina Além disso a apli cação do ácido 235triiodobenzoico TIBA inibidor do transporte de auxina ao redor do entrenó provocou o au mento da expressão de IPT1 e IPT2 abaixo do sítio de apli cação demonstrando que esses genes normalmente são reprimidos pela auxina transportada para baixo a partir do ápice do caule Desse modo parece que as citocininas envolvidas na quebra da dormência apical são sintetizadas localmente no nó e não transportadas a partir da raiz A Figura 1932 apresenta um modelo simplificado para as interações antagônicas entre citocinina e estrigolactona A auxina mantém a dominância apical por estimulação da sín tese da estrigolactona pelo gene MAX4 Em eudicotiledône as a estrigolactona então ativa o gene para BRANCHED1 BRC1 um fator de transcrição que suprime o crescimento das gemas axilares Além da ativação de BCR1 a estrigolac tona também inibe a biossíntese da citocinina mediante re gulação negativa dos genes IPT A citocinina ao contrário inibe a ação de BRC1 e impede a biossíntese da estrigolactona induzida pela auxina No arroz o homólogo de BRC1 FINE CULM1 FC1 é o alvo da sinalização da estrigolactona en quanto no milho TEOSINTE BRANCHED1 TB1 é o gene primário que regula a ramificação Esse gene é responsável Taiz19indd 576 Taiz19indd 576 27102016 154539 27102016 154539 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 577 por uma característica importante envolvida na domestica ção do milho transformando o teosinto progenitor do milho e altamente ramificado em um fenótipo moderno com uma desejável ramificação mais reduzida Figura 1933 O sinal inicial para o crescimento das gemas axilares pode ser um aumento na disponibilidade de sacarose para a gema Evidências recentes indicam que a própria sacarose pode servir como sinal inicial no controle do crescimento da gema Figura 1934 Em indivíduos de ervilha o cresci mento da gema axilar é iniciado cerca de 25 horas após a decapitação Isso representa 24 horas antes de qualquer declínio detectável no nível de auxina no caule adjacente à gema axilar sugerindo que um decréscimo na auxina proveniente da extremidade ocorre muito lentamente para iniciar o crescimento da gema Estudos usando sacarose marcada com 14C ao contrá rio demonstraram que a concentração desse açúcar deri vada da folha no caule adjacente à gema começa a diminuir em menos de 2 horas após a decapitação Esse declínio é motivado pela absorção de açúcares pela gema axilar Por tanto depois da decapitação o crescimento da gema no caule inferior é iniciado antes do esgotamento da auxina mas após o esgotamento da sacarose no caule adjacente à gema Como consequência da decapitação o fornecimento de carbono endógeno às gemas axilares aumenta no limite de tempo suficiente para induzir a emergência da gema A dominância apical é portanto regulada pela forte ativi dade de dreno da extremidade em crescimento que limita a disponibilidade de açúcar para as gemas axilares Con tudo o crescimento sustentado das gemas requer o esgo tamento da auxina igualmente no caule adjacente à gema A integração de sinais ambientais e hormonais de ramificação é necessária para a eficácia biológica fitness das plantas Em alguns casos a planta pode ajustar seu padrão de ra mificação do caule em resposta às condições ambientais Dois exemplos clássicos são a resposta de evitação à som bra e a resposta à deficiência de nutrientes Ambas as res postas envolvem as rotas reguladoras supradescritas A B Teosinto Zea mays ssp parviglumis Milho Zea mays ssp mays Auxina MAX4 Estrigolactona Crescimento da gema axilar BRC1 IPT Citocinina Figura 1932 Rede hormonal de regulação da dominância api cal A auxina do ápice do caule promove a síntese de estrigolactona na área nodal via gene MAX4 Em eudicotiledôneas a estrigolac tona exerce regulação para cima sobre o gene BRANCHED1 BRC1 e regulação para baixo sobre genes IPT BRC1 inibe o crescimento das gemas axilares A estrigolactona também inibe a biossíntese de citocinina que de outra forma impediria a produção de BRC1 De ElShowk et al 2013 Figura 1933 Comparação de teosinto Zea mays ssp parviglumis e milho moderno Zea mays ssp mays À esquerda fotografia cedida por Paul Gepts Taiz19indd 577 Taiz19indd 577 27102016 154539 27102016 154539 578 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento As plantas evitam a sombra intensificando o alonga mento do caule e suprimindo a ramificação A evitação da sombra envolve a sinalização do fitocromo B em resposta ao decréscimo da razão das luzes RFR que resulta quando a luz solar é filtrada pelas folhas verdes contendo clorofila ver Capítulo 18 Estudos genéticos em Arabidopsis têm mostrado que o fitocromo B requer rotas de sinalização de auxina e de estrigolactona bem como genes BRC1 e BRC2 específicos de gemas para inibir o crescimento de gemas axilares sob condições de sombra A resposta à deficiência de nutrientes é mediada por estrigolactonas As plantas bem nutridas são bastante ra mificadas ao passo que as plantas crescendo sob condi ções nutricionais pobres tendem a ser pouco ramificadas O envolvimento das estrigolactonas nessa resposta de ramificação presumivelmente relacionase do ponto de vista evolutivo ao papel desses hormônios no aumento da obtenção de nutrientes As espécies vegetais micorrízicas secretam estrigolactonas para a rizosfera a fim de pro mover a simbiose e intensificar a captação de nutrientes Os detalhes variam nas diferentes espécies vegetais mas mesmo nas não micorrízicas os níveis de estrigolactonas na parte aérea são elevados sob condições nutricionais po bres O aumento em estrigolactona suprime o crescimento das gemas axilares A ramificação reduzida em resposta à deficiência nutricional é adaptativa pois a planta é capaz de concentrar seus recursos no desenvolvimento do cau le principal e dos ramos existentes em vez de promover o crescimento de ramos adicionais que não podem ser sus tentados pelo suprimento de nutrientes A dormência das gemas axilares em plantas lenhosas é afetada pela estação do ano pela posição e pela idade Em resposta a diversos fatores ambientais e de idade as plantas lenhosas perenes produzem gemas dormentes protegidas por escamas especializadas Figura 1935 Os principais fatores ambientais que influenciam a dormência das gemas abrangem temperatura luz fotoperíodo água e nutrientes A posição da gema e a idade da planta também são fatores importantes O relógio circadiano e os genes do florescimento como FT CO e TFL1 junto com o fitocromo A estão envolvidos no controle da dormência em árvores deciduais em relação às exigências do fotoperíodo e do res friamento Em indivíduos do álamo por exemplo um alvo estabelecido desse sistema regulador é o ciclo celular em gemas Mesmo em plantas herbáceas as rotas que regulam o florescimento em resposta ao fotoperíodo interagem com rotas que regulam o crescimento das gemas axilares Por exemplo mutantes da ervilhadejardim Pisum sativum que ramificam pela ação de estrigolactonas mostram mu danças drásticas na posição e no número de ramos axila X Intacta Decapitada Auxina Auxina Açúcares Açúcares Emergência e crescimento da gema Auxina Açúcares Emergência e crescimento da gema Auxina Açúcares Emergência e crescimento da gema Figura 1934 A dominância apical é regulada pela disponibilida de de açúcares Após a decapitação os açúcares que normalmente fluem em direção à extremidade do caule via floema acumulamse rapidamente nas gemas axilares estimulando seu crescimento Ao mesmo tempo a perda do fornecimento apical de auxina resulta no esgotamento desse hormônio no caule No entanto o esgotamento da auxina é relativamente lento e portanto as gemas em cresci mento localizadas na parte superior do caule são afetadas antes daquelas da parte inferior Neste modelo a auxina está envolvida predominantemente nos estágios finais do crescimento do ramo De Mason et al 2014 Escamas da gema Figura 1935 Gemas axilares dormentes da castanhadaíndia Aesculus hippocastanum protegidas por escamas Taiz19indd 578 Taiz19indd 578 27102016 154540 27102016 154540 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 579 res quando cultivadas sob fotoperíodos diferentes mesmo antes da abertura das flores e os genes do florescimento afetam a ramificação em nós caulinares de Arabidopsis Arquitetura do sistema de raízes Os sistemas de raízes constituem o elo fundamental en tre a parte aérea e a rizosfera proporcionando nutrientes vitais e água para sustentar o crescimento Além disso as raízes ancoram e estabilizam a planta permitindo o cres cimento dos órgãos vegetativos e reprodutivos acima da superfície do solo Uma vez que as raízes funcionam em condições de solo heterogêneo e muitas vezes em modifi cação elas devem ter capacidade de adaptação para garan tir um fluxo estável de água e nutrientes para a parte aérea sob condições diversificadas Pesquisas recentes sobre a estrutura dos sistemas de raízes têm sido conduzidas por avanços em sua avaliação total phenotyping ver Tópico 194 na internet Esses e outros estudos mostraram que as plantas desenvolveram complexos mecanismos de controle que regulam a arquitetura dos sistemas de raízes As plantas podem modificar a arquitetura de seus sistemas de raízes para otimizar a absorção de água e nutrientes A arquitetura do sistema de raízes é a configuração es pacial do conjunto de raízes no solo Mais especificamen te a arquitetura do sistema de raízes referese à disposição geométrica das raízes individuais dentro do sistema nas três dimensões do solo Esses sistemas são compostos de tipos de raízes diferentes as plantas são capazes de modi ficar e controlar os tipos de raízes que produzem os ângu los das raízes as velocidades de crescimento das raízes e o grau de ramificação As variações intra e interespecíficas na arquitetura do sistema de raízes têm sido vinculadas à obtenção de recursos e ao crescimento Conforme ilustra do na Figura 1936 a arquitetura do sistema de raízes va ria amplamente entre as espécies mesmo aquelas vivendo no mesmo hábitat Pés 1 2 3 4 5 6 8 7 9 10 11 12 13 14 15 8 7 6 5 4 3 2 1 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U A GramaazuldoKentucky Poa pratensis B Plantachumbo Amorpha canescens C VaradeourodoMissouri Solidago missourienis D Capimdaíndia Sorghastrum nutans E Compass plant Silphium laciniatum F Capimporcoespinho Stipa spartea G Ásterdourzal Aster ericoides H Prairie cord grass Spartina pectinata I Big blue stem Andropogon gerardii J Pale purple coneflower Echinacea pallida K Prairie dropseed Sporobolus heterolepis L Side oats gramma Bouteloua curtipendula M Falsoeupatório Kuhnia eupatorioides N Switch grass Panicum virgatum O White wild indigo Baptisia leucantha P Little blue stem Andropogon scoparius Q Rosin weed Silphium perfoliatum R Purple prairie clover Petalostemum purpureum S Capimdejunho Koeleria cristata T Cylindric blazing star Liatris cylindracea U Gramadebúfalo Buchloe dactyloides A A B C C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U Figura 1936 Diversidade dos sistemas de raízes em espécies vegetais campestres Taiz19indd 579 Taiz19indd 579 27102016 154540 27102016 154540 580 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento As monocotiledôneas e as eudicotiledôneas diferem na arquitetura de seus sistemas de raízes Antes de examinar as complexidades da arquitetura dos sistemas de raízes é importante compreender como eles estão organizados e como diferem nas monocotiledôneas e nas dicotiledôneas Os sistemas de raízes de monocoti ledôneas e de eudicotiledôneas são mais ou menos simi lares em estrutura consistindo em uma raiz primária de origem embrionária a radícula raízes laterais e raízes adventícias Contudo existem diferenças significantes em seus sistemas de raízes Os sistemas de raízes das mono cotiledôneas em geral são fasciculados e mais complexos do que os das eudicotiledôneas especialmente nos cere ais Por exemplo o sistema de raízes de plântulas do milho consiste em uma raiz primária que se desenvolve da radí cula raízes seminais raízes adventícias que se ramificam a partir do nó escutelar e raízes coronais de origem pós embrionária Figura 1937 As raízes primária e seminais são altamente ramificadas As raízes coronais também chamadas de raízesescora são adventícias derivadas dos nós inferiores do caule Embora não sejam importantes nas plântulas ao contrário das raízes primária e seminais as raízes coronais continuam a se formar se desenvolver e se ramificar durante o crescimento vegetativo Assim o sistema de raízes coronais constitui a grande maioria do sistema de raízes nos indivíduos adultos do milho O sistema de raízes de uma eudicotiledônea jovem con siste na raiz primária ou raiz pivotante e em suas raízes ramificadas À medida que o sistema de raízes amadurece raízes basais surgem da base da raiz pivotante Além disso raízes adventícias podem surgir de caules subterrâneos ou do hipocótilo e podem superficialmente ser consideradas análogas às raízes coronais adventícias de cereais O siste ma de raízes da soja como uma eudicotiledônea represen tativa está exibido na Figura 1938 onde as raízes pivotan te ramificadas basais e adventícias podem ser vistas A arquitetura do sistema de raízes muda em resposta às deficiências de fósforo O fósforo junto com o nitrogênio é o nutriente mineral mais limitante para a produção das culturas vegetais ver Capí tulos 5 e 13 A limitação do fósforo é um problema parti cular em regiões tropicais onde os solos ácidos altamente intemperizados tendem a fixar fortemente esse elemento tornandoo em grande parte indisponível para as raízes Os sistemas de raízes passam por alterações morfológicas bem documentadas em resposta à deficiência de fósforo Essas respostas podem variar um pouco de espécie para espécie mas em geral abrangem uma redução no alongamento da raiz primária um aumento na proliferação e no alongamen to de raízes laterais e um aumento na quantidade de pelos O fósforo sempre na forma de ânion fosfato é imóvel no solo porque se liga fortemente aos óxidos de ferro e alu mínio nas partículas de solos argilosos ou é fixado como fósforo biológico dentro de microrganismos do solo Por tanto especialmente nos solos pobres em fósforo a maior parte desse elemento fica retida nos horizontes camadas superficiais A deficiência de fósforo pode desencadear a captação na camada superior do solo pelas plantas Alguns genótipos de feijoeiro por exemplo respondem à deficiên cia de fósforo produzindo mais raízes laterais adventícias diminuindo o ângulo de crescimento dessas raízes em re lação ao caule de modo que elas são mais superficiais aumentando a quantidade de raízes laterais que emergem da raiz pivotante e aumentando a densidade e o compri mento dos pelos Figura 1939 Essas mudanças na arqui A B Raízes coronais Raízes laterais Raízes seminais Figura 1937 A Sistema de raízes de uma plântula de milho com 14 dias composto de raiz primária derivada da radícula raízes seminais derivadas do nó escutelar raízes coronais de origem pósembrionária que surgem nos nós acima do mesocótilo e raízes laterais B Sistema de raízes de um indivíduo maduro de milho A de Hochholdin ger e Tuberosa 2009 Taiz19indd 580 Taiz19indd 580 27102016 154540 27102016 154540 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 581 tetura do sistema de raízes convergem para dispor mais raízes na camada superior do solo onde se encontra a maior parte do fósforo Essas descober tas e outras similares de genótipos eficientes no uso do fósforo permitiram aos pesquisadores re produzirem atributos da arquitetura dos sistemas de raízes no feijoeiro e na soja para adaptar melhor essas culturas a solos com pouco fósforo Quando são colocadas em solo com supri mentos adequados de fósforo as raízes preci sam ainda solubilizar e absorver o fosfato Essas tarefas são facilitadas por uma gama de proces sos bioquímicos como a liberação de ácidos orgânicos no solo para solubilizar o fosfato de fosfatos de alumínio e de ferro a liberação de fosfatases para solubilizar o fósforo orgânico a acidificação da rizosfera e um aumento da abundância de transportadores de fosfatos na membrana plasmática ver Capítulos 5 e 13 As plantas eficientes no uso do fósforo têm essas adaptações bioquímicas mais acentua Raiz adventícia Raiz basal Raiz ramificada Raiz pivotante Genótipos adaptados Aerênquima Mais raízes adventícias Menor diâmetro das raízes Raízes basais mais superficiais Maior biomassa das raízes Micorrizas Pelos das raízes mais longos e mais densos Mais exsudados ácidos orgânicos prótons fosfatases Laterais mais dispersadas Genótipos não adaptados Camada superior do solo Subsolo Figura 1938 Sistema de raízes da soja mostran do a raiz primária raiz pivotante as raízes ramifica das as raízes basais e as raízes adventícias Cortesia de Leon Kochian Figura 1939 Captação de fósforo na camada superior do solo por genótipos do feijoeiro eficientes no uso desse elemento De Lynch 2007 Taiz19indd 581 Taiz19indd 581 27102016 154540 27102016 154540 582 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento das maximizando sua capacidade de extrair esse ele mento de solos pobres As respostas da arquitetura do sistema de raízes à deficiência de fósforo envolvem redes reguladoras localizadas e sistêmicas Redes reguladoras localizadas e sistêmicas estão envol vidas na adaptação da arquitetura do sistema de raízes à deficiência de fósforo As raízes individuais são capazes de responder localmente a trechos deficientes de fósforo na rizosfera os hormônios desempenham papéis impor tantes na reprogramação local do desenvolvimento das raízes para facilitar a captação mais eficiente de fósforo por aquela parte do sistema de raízes Contudo se uma planta passa por deficiência de fósforo prolongada uma sinalização sistêmica entra em funcionamento A regulação sistêmica de respostas à deficiência de fósforo está resumida na Figura 1940 Ela envolve ini cialmente transporte por longa distância de sinais da raiz para a parte aérea via xilema Os sinais da raiz para a par te aérea podem incluir o próprio íon fosfato bem como açúcares citocininas estrigolactonas e possivelmente outros sinais ainda não identificados A chegada desses sinais de estresse às célulasalvo nas folhasfonte de sencadeia eventos adicionais de sinalização Subsequen temente os sinais de longa distância partindo da parte aérea incluindo siRNAs e miRNAs mRNAs proteínas sacarose e outros sinais não identificados são transpor tados via floema para diversos drenos onde regulam o crescimento da planta e a homeostase do fósforo Esses drenos abrangem os meristemas apicais da raiz e do cau le Por exemplo miR399 um miRNA é induzido e trans portado via floema para a raiz sob condições de estresse por fósforo onde suprime a expressão de uma ubiquitina E2conjugase putativa que é envolvida na degradação de transportadores de fosfato na raiz A supressão da ubi quitinação mediada por miR399 em resposta à deficiência de fósforo resulta na promoção do transporte de fosfato na raiz Além disso genes atuando a jusante da rota de sinalização de miR399 regulam o carregamento de fosfato para o xilema e codificam um transportador de fosfato na membrana plasmática Até agora parece que todos os miRNAs da deficiência de fósforo que são transportados para a raiz via floema es tão envolvidos na regulação dos processos de transporte de fosfato na raiz e não no desenvolvimento da raiz En tretanto é provável que outros sinais móveis no floema ainda não identificados desempenhem um papel na al teração da arquitetura do sistema de raízes Conforme o modelo na Figura 1940 indica a deficiência de fósforo aumenta a abundância de mRNAs de IAA18 e IAA28 es ses mRNAs são transportados para a raiz em tomateiros alterando a sensibilidade à auxina na raiz e a formação de raízes laterais Parte aérea Raiz 5 Transcritos de IAA18 e IAA28 movemse pelo floema e podem inibir o crescimento de raízes laterais 1 Sinais de estresse derivados da raiz Pi citocininas estrigolactonas desencadeados pela deficiência de fósforo são transportados no xilema para a parte aérea afetando seu crescimento e sua arquitetura como a ramificação 4 Sacarose e outros sinais da parte aérea podem regular a iniciação das raízes laterais a formação de aerênquima o desenvolvimento de pelos de raízes e o transporte de fosfato 2 Sinais de longa distância derivados da parte aérea p ex siRNAs mRNAs proteínas e sacarose são transportados via floema das folhasfonte para as folhasdreno e as raízes onde regulam o crescimento o desenvolvimento e a homeostase do fósforo 3 Sinais hormonais podem afetar os padrões de ramificação e a homeostase do fósforo Figura 1940 O mecanismo sensor de fosfato envolve co municação entre a raiz e a parte aérea A deficiência de fosfato no solo resulta no movimento de diversos sinais de estresse no xilema para a parte aérea setas pretas onde alteram o de senvolvimento e desencadeiam mecanismos homeostáticos do fósforo Após sinais adicionais que se originam em folhasfonte se movem via floema para folhasdreno e raízes onde podem afetar o desenvolvimento e respostas ao estresse por fósforo setas purpúreas Pi fosfato De Zhang et al 2014 Taiz19indd 582 Taiz19indd 582 27102016 154541 27102016 154541 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 583 As redes micorrízicas ampliam a arquitetura do sistema de raízes em todos os principais ecossistemas terrestres Conforme foi discutido no Capítulo 5 as micorrizas fún gicas são quase ubíquas na natureza e exercem um papel importante na nutrição mineral de plantas individual mente Além disso estudos recentes têm mostrado que comunidades inteiras de plantas costumam ser ligadas por associações micorrízicas que formam redes nutricionais Uma rede micorrízica é definida como um micélio mi corrízico comum ligando as raízes de duas ou mais plantas Por décadas os cientistas têm se admirado com as evidên cias de que redes micorrízicas podem transferir nutrientes orgânicos e inorgânicos especialmente fosfato entre os sis temas de raízes de indivíduos de resto separados A trans ferência de nutrientes por longas distâncias mediante rotas hifais diretas aparece ocorrer pelo fluxo de massa acionado por gradientes de fontedreno gerados pelas diferenças de nutrientes entre plantas Por seus efeitos na nutrição ve getal as redes micorrízicas facilitam o estabelecimento de plântulas promovem o crescimento vegetativo e acentuam as respostas das plantas ao estresse biótico e abiótico em uma ampla gama de ecossistemas Em nível de ecossiste ma as redes micorrízicas exercem um papel importante na ciclagem do carbono de nutrientes e da água Nos últimos anos o uso de técnicas moleculares tem esclarecido a natureza e a amplitude das redes micorrízicas entre árvores florestais e entre plantas de estratos inferiores e de estratos superiores nas comunidades Por exemplo as sequências de DNA microssatélite repetições curtas em série têm sido empregadas como marcadores moleculares para estudar a topologia espacial de genetas colônias clo nais de fungos micorrízicos no gênero Rhizopogon Em uma floresta do abetodedouglas Pseudotsuga menziesii a maior parte das árvores em uma parcela de 30 x 30 m estava inter conectada por uma rede micorrízica complexa de Rhizopon vesiculosus e R vinicolor A árvore mais altamente conectada estava ligada a outras 47 árvores por oito genetas de R ve siculosus e três genetas de R vinicolor A interconectividade das árvores dessa floresta ilustra a surpreendente complexi dade de fluxo de nutrientes em ecossistemas florestais que necessitará ser considerada em estudos futuros dos efeitos das mudanças climáticas na produtividade florestal Crescimento secundário Todas as gimnospermas e a maioria das eudicotiledône as incluindo arbustos lenhosos e árvores assim como espécies herbáceas grandes desenvolvem meristemas laterais responsáveis pelo crescimento radial crescimento em largura de caules e raízes O crescimento que resulta dos meristemas laterais é denominado crescimento se cundário Figura 1941 ver também Figura 15 Dois ti pos de meristemas laterais estão envolvidos no crescimen to secundário o câmbio vascular que produz o sistema vascular secundário e o câmbio suberoso ou felogênio que produz a periderme o conjunto de camadas proteto ras externas do corpo vegetal secundário O crescimento secundário via câmbio vascular surgiu repetidamente du rante a evolução de plantas vasculares e muitos grupos extintos exibem tecidos vasculares secundários conspícu os As monocotiledôneas como um grupo carecem de um câmbio vascular razão pela qual não exibem crescimento secundário Os membros das Arecaceae palmeiras de porte arbóreo não possuem câmbio vascular e aumentam seu diâmetro unicamente por meio do meristema de es pessamento primário localizado na capa do meristema logo abaixo dos primórdios foliares que produz tecidos Casca Periderme Célula fusiforme Célula do raio Crescimento Súber Felogênio Raio do floema Floema primário Floema secundário Zona cambial Raio do xilema Xilema secundário Xilema primário Medula Figura 1941 Anatomia de um caule lenhoso A zona do câmbio vascular região vermelha consiste em uma única camada de células cambiais e suas derivadas imediatas em cada lado ela é circundada por camadas externas de células do floema secundário preto e cama das internas de células do xilema secundário verdeclaro O floema primário azulescuro o xilema primário verdeescuro e a medula azulclaro também são mostrados A periderme abrange o felogênio camada celular castanha e o felema células suberosas em marrom A casca inclui todos os tecidos externos ao câmbio vascular A maio ria das espécies arbóreas de gimnospermas e angiospermas contém fileiras de células radiais que exercem um papel no transporte e na armazenagem de nutrientes De Risopatron et al 2010 Taiz19indd 583 Taiz19indd 583 27102016 154541 27102016 154541 584 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento As divisões anticlinais adicionam novas iniciais ao câmbio As divisões periclinais produzem uma inicial e uma célulamãe de xilema ou de floema Câmbio vascular B A Xilema Floema Células do floema Células do xilema Célulamãe de floemacélulasfilhas Iniciais cambiais Célulamãe de xilemacélulasfilhas Gema terminal Escama da gema Gema axilar Cicatriz foliar Cicatrizes deixadas pelas escamas da gema do ano anterior Cresci mento do ano presente Crescimento do ano anterior Crescimento de dois anos anteriores Epiderme Córtex Floema primário Câmbio vascular Xilema primário Câmbio vascular Câmbio suberoso felogênio Córtex Floema primário Súber Floema secundário Xilema secundário Xilema primário Periderme Medula Medula Crescimento primário Crescimento secundário primários adicionais incluindo fei xes vasculares O meristema de es pessamento primário persiste em algumas espécies produzindo tecido parenquimático e feixes vasculares adicionais A transição do crescimento pri mário para o secundário em gim nospermas e eudicotiledôneas é facilmente visível ao longo do eixo caulinar Figura 1942A No choupo por exemplo o crescimento primário ocorre nos oito entrenós superiores aproximadamente 15 cm a partir do MAC A seguir o crescimento primário dá lugar ao crescimento secundário lenhoso que produz xilema e floema secundários As zonas de crescimento primário e secundário separadas espacial e temporalmen te são facilmente discerníveis e desenvolvemse depressa em 12 meses em espécies de crescimento rápido como o choupo O câmbio vascular e o felogênio são os meristemas secundários onde se origina o crescimento secundário O crescimento secundário originase no câmbio vascular um meristema lateral que exibe padrões de crescimento perenes em espécies lenhosas Muitas espécies herbáceas também possuem um câmbio vascular mas sua formação costuma ser condicional p ex em resposta ao estresse ou é de vida muito curta O câmbio vascular consiste em células meristemáti cas iniciais cambiais organizadas em fileiras radiais que formam um cilindro contínuo no interior do caule As ini ciais cambiais dividemse para produzir xilema floema e célulasmãe de raios que por sua vez passam por novas divisões para formar uma zona de células relativamente indiferenciadas que em geral compreendem 6 a 8 fileiras e são conhecidas como zona cambial Após essas células diferenciamse em vários tipos celulares O câmbio vascu lar de todas as espermatófitas modernas existentes é bifa cial isto é ele produz xilema para o interior e floema para o exterior ver Figura 15 Figura 1942 Desenvolvimento do siste ma vascular secundário A O crescimento primário em caules lenhosos ocorre na pri mavera seguido pelo crescimento secundá rio B As orientações dos planos de divisão celular na zona cambial mantêm o balanço apropriado entre crescimento em diâmetro versus circunferência As células cambiais dividemse inicialmente no sentido anticlinal produzindo novas iniciais e aumentando a circunferência do câmbio As mesmas iniciais dividemse também no sentido periclinal produzindo célulasmãe de xilema e floema sempre deixando para trás outra inicial Taiz19indd 584 Taiz19indd 584 27102016 154541 27102016 154541 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 585 Além do crescimento secundário envolvido no floema e no xilema secundários a maioria das eudicotiledôneas lenhosas e gimnospermas desenvolve um câmbio secun dário conhecido como câmbio suberoso ou felogênio que origina a periderme ver Figura 1941 Coletivamente a periderme consiste em felogênio felema e feloderme O fe lema ou súber é um tecido protetor multiestratificado de células mortas com paredes suberizadas formado externa mente ao felogênio A feloderme é um tecido parenqui mático vivo formado para o interior O termo casca com frequência aplicado de modo incorreto à periderme isola damente consiste na verdade em todos os tecidos externos ao câmbio vascular incluindo o floema secundário fun cional o floema secundário não funcional comprimido o floema primário comprimido e a periderme A casca tende a desprenderse facilmente de uma árvore porque o câmbio vascular com suas camadas celulares em divisão é muito mais frágil do que os tecidos secundários de cada lado O grau de atividade do felogênio originando o felema varia entre as espécies arbóreas com a corticeira Quer cus suber representando um exemplo extremo que contém uma camada permanente de felogênio produzindo súber ou felema de maneira indefinida A camada suberosa es pessa provavelmente protege o tronco principal da desi dratação no clima mediterrâneo quente e seco O crescimento secundário desenvolveuse cedo na evolução das plantas terrestres Os vestígios fósseis da atividade de crescimento secundário primitivo podem ser encontrados muito cedo na evolução vegetal possivelmente sendo anteriores às espermatófi tas modernas O crescimento secundário provavelmente é anterior à evolução das gimnospermas e especulase que seja a forma de vida ancestral de todas as angiospermas modernas Por exemplo o gênero Amborella uma planta lenhosa perene é a linhagem mais basal no clado das an giospermas O hábito lenhoso perene foi perdido e readqui rido durante a evolução das espermatófitas com algumas linhagens mostrando formas intermediárias conhecidas como lenhosidade insular O crescimento secundário le nhoso evoluiu em diferentes maneiras e formas que prova velmente são adaptativas na natureza Por exemplo muitas lianas exibem caules achatados resultantes da proliferação diferencial de tecidos do xilema em partes especiais da cir cunferência caulinar Por outro lado os caules de algumas lianas especialmente na família Bignoniaceae mantêm uma forma cilíndrica mas produzem internamente seto res cuneiformes de tecidos parenquimáticos Admitese que essas alterações constatadas predominantemente em lianas facilitem a flexibilidade do caule a cicatrização de lesões associadas com torções e a recuperação da perda de condutividade do xilema associada com torções severas O crescimento secundário a partir do câmbio vascular origina xilema e floema secundários O câmbio vascular exibe dois padrões principais de di visão anticlinal perpendicular à superfície do caule e periclinal paralelo à superfície do caule Figura 1942B As divisões anticlinais adicionam mais células ao câmbio para acomodar a circunferência crescente do caule e são consideradas indicadoras da posição das iniciais cambiais que de resto não se distinguem morfologicamente das outras células da zona cambial O pico da divisão anticli nal costuma ser na primeira para a segunda fileira celular proximal ao floema e geralmente é empregado para iden tificar a posição aproximada do câmbio vascular Em um câmbio bifacial típico as divisões periclinais produzem floema para fora e xilema para dentro no caule lenhoso A proliferação do xilema é desproporcionalmen te maior e muito mais complexa pois ela abrange o ciclo de vida completo das células traqueais em uma questão de dias Além de células de floema e de xilema o câmbio vascular produz as células dos raios células de parênqui ma que servem como condutos para o transporte lateral no caule e para a armazenagem durante condições desfavo ráveis como a dormência no inverno As células dos raios podem estar dispostas em uma unisseriada ou múltiplas multisseriada fileiras formando um tecido que atravessa o floema o câmbio e o xilema ver Figura 1941 Os fitormônios têm papéis importantes na regulação da atividade do câmbio vascular e na diferenciação do xilema e do floema secundários Como com muitos outros processos em plantas os hormô nios exercem papéis importantes na regulação do cresci mento secundário Vários hormônios fornecem indicações e sinais posicionais para o crescimento e a diferenciação de diferentes tipos de células e tecidos Figura 1943 Aqui serão destacados quatro hormônios uma vez que uma quantidade expressiva de evidências experimentais sustenta seu papel na regulação do crescimento secun dário Todavia isso não significa que eles tenham papéis mais significantes do que outros hormônios Embora os movimentos da auxina em árvores não te nham sido amplamente estudados assumese que esse hormônio seja produzido nas folhas e nos meristemas api cais e transportado via transporte polar para o caule e o câmbio vascular Medições das concentrações de auxina do câmbio vascular para o xilema e o floema em diferen ciação tanto em angiospermas quanto em gimnospermas mostraram que o pico do gradiente é localizado nas iniciais cambiais e diminui em direção aos tecidos em diferencia ção O decréscimo é mais acentuado em direção ao floema e muito mais gradual em direção ao xilema Esse gradiente de concentração através da zona cambial levou à especula ção de que o papel da auxina na diferenciação do xilema e do floema tem como base um gradiente morfogênico radial O papel fundamental da auxina também é apoiado por tratamentos exógenos mostrando que a aplicação des se hormônio em árvores decapitadas em que o câmbio vascular se tornou inativo leva à reativação desse meriste ma Mais recentemente a manipulação direta da resposta à auxina em indivíduos transgênicos do choupo mostrou Taiz19indd 585 Taiz19indd 585 27102016 154541 27102016 154541 586 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento que a sensibilidade a esse hormônio é crucial para as di visões periclinais e anticlinais no câmbio e afeta o cresci mento e a diferenciação de células do xilema As giberelinas também desempenham um papel im portante e distinto no crescimento secundário Como as auxinas as giberelinas bioativas exibem um gradiente de concentração através da zona formadora do lenho mas di ferentemente da auxina o pico é deslocado na direção do xilema em desenvolvimento O tratamento exógeno com giberelinas de plântulas decapitadas carentes de auxina re sultou na ativação das divisões das células cambiais Contu do as células em divisão perdem sua forma típica e não con seguem se diferenciar em xilema A aplicação simultânea de auxina e giberelinas impediu as anormalidades constatadas no tratamento apenas com giberelina Além disso essa aplicação simultânea estimulou a divisão cambial em uma magnitude não observada nos tratamentos com giberelina e auxina isoladamente sugerindo que os dois hormônios atuam de maneira sinérgica ver Figura 1943 O traçado do perfil metabólico e a expressão de vários genes da rota biossintética das giberelinas indicam que o metabolismo desses hormônios nos tecidos formadores do lenho também envolve o transporte de seus precursores Esses precursores deslocamse do floema lateralmente pelos raios até o xilema em diferenciação onde são então convertidos em formas bioativas ver Figura 1943 Tanto os tratamentos exógenos quanto as manipulações transgênicas indicam que as giberelinas têm um efeito positivo no alongamento de fibras sugerin do um papel desses hormônios na diferenciação e no crescimento das células do xilema A citocinina também tem sido implicada na regulação do crescimento secundário ver Figura 1943 Um decréscimo específico na concentra ção da citocinina na zona cambial de indivíduos transgênicos do choupo prejudica expressiva mente o crescimento radial e a divisão celular no câmbio Esse resultado correlacionase com a ex pressão na zona cambial de um gene que codifica o receptor da citocinina e o regulador de resposta primária envolvido na sinalização desse hormô nio Isso sugere que a citocinina é um regulador importante da proliferação de células no câmbio O etileno é mais um hormônio que tem sido fortemente implicado como tendo um papel regu lador no crescimento secundário Foi constatado que a concentração do precursor do etileno áci do 1aminopropano1carboxílico ACC é alta na zona cambial mas diferentemente do que ocorre com a auxina e a giberelina nenhum gradiente foi detectado Tratamento com etileno e experimentos de enriquecimen to com ACC demonstraram que o etileno é um regulador positivo da atividade cambial do crescimento radial e da formação do xilema secundário Esses resultados tam bém são coerentes com os obtidos mediante manipulação transgênica de biossíntese e resposta ao etileno no chou po O etileno exerce um papel importante na formação do lenho de tensão um tipo especializado de lenho de reação em angiospermas formado em resposta à curva tura ou à inclinação do caule A expressão dos genes de biossíntese e de sinalização do etileno é elevada na zona formadora do lenho de tensão indivíduos transgênicos de choupo insensíveis ao etileno não conseguem produzir le nho de tensão Os genes envolvidos na manutenção na proliferação e na diferenciação de célulastronco regulam o crescimento secundário Como outros processos de desenvolvimento em plantas o crescimento secundário envolve várias etapas fundamentais Ele pode ser dividido em três estágios de desenvolvimento Manutenção do microambiente das células iniciais ou do nicho das célulastronco Inicial das célulastronco vasculares Iniciaçãoespecificação da célulatronco Célulastronco vasculares Procâmbiocâmbio Manutenção da célulatronco Proliferação celular Precursor do floema Auxina Auxina AHP6 Precursor do xilema Citocinina Citocinina Giberelina Brassinos teroide Diferenciação celular Célula companheira Elemento de tubo crivado Proto xilema Metaxi lema Diferenciação celular Determinação do destino celular Figura 1943 Hormônios estão envolvidos na regula ção de estágios fundamentais do desenvolvimento do sis tema vascular secundário ARABIDOPSIS HISTIDINE PHOS PHOTRANSFER PROTEIN AHP6 atua como um inibidor da sinalização da citocinina que restringe o domínio de ativi dade desse hormônio permitindo assim a diferenciação do protoxilema de uma maneira espacialmente específica Taiz19indd 586 Taiz19indd 586 27102016 154541 27102016 154541 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 587 Proliferação e crescimento das células derivadas das célulastronco Diferenciação da célula em divisão em diferentes tipos celulares tecidos e órgãos Por essa razão não surpreende que os padrões de desen volvimento e crescimento durante o crescimento secundá rio sejam governados por processos e genes similares aos que regulam o desenvolvimento do MAC Essa semelhan ça tem ajudado na elucidação molecular dos mecanismos de crescimento secundário Desses processos talvez a manutenção do nicho das célulastronco seja o mais bem estudado No MAC de Arabidopsis os fatores de transcrição KNOX1 tais como SHOOT MERISTEMLESS STM e BREVIPEDICELLUS BP são envolvidos na manutenção da identidade das cé lulastronco Os ortólogos dos genes STM e BP no choupo conhecidos como ARBORKNOX 1 e 2 desempenham pa péis similares no câmbio A superexpressão dos dois genes em plantas transgênicas leva ao retardo da diferenciação e ampliação da zona cambial A proliferação das células em divisão no MAC costuma ser regulada por genes como AINTEGUMENTA o qual é um fator de transcrição do tipo AP2 envolvido na regulação do tamanho de órgãos em Arabidopsis pela ativação da pro liferação celular No álamo constatouse que um ortólogo do gene AINTEGUMENTA é altamente expresso nas células que exibem elevada proliferação celular na zona cambial O melhor exemplo de similaridade entre a regulação do MAC e do câmbio está sem dúvida na etapa de dife renciação Os fatores de transcrição HDZIP III e KANA DI exercem papéis importantes na definição da polaridade adaxial e abaxial da folha emergente Essa polaridade pro voca a diferenciação do xilema no lado adaxial da nervura foliar e do floema no lado abaxial ver Figura 195 Os ge nes HDZIP III e KANADI também regulam a padroniza ção dos feixes vasculares primários assim como a diferen ciação dos tecidos vasculares secundários posteriormente no desenvolvimento provavelmente por meio de seus efei tos no transporte polar de auxina Os três estágios de desenvolvimento considerados an teriormente também requerem separação espacial Isso é alcançado pelos fatores de transcrição que definem os limi tes do desenvolvimento Uma classe de fatores de transcri ção envolvidos na regulação do MAC é LATERAL ORGAN BOUNDARIES LBD Os genes LBD ajudam a estabelecer o meristema limítrofe já discutido neste capítulo que se para as células indiferenciadas no MAC dos tecidos em di ferenciação do primórdio foliar Constatouse que os mem bros da família LBD desempenham um papel semelhante no crescimento secundário separando a zona cambial do floema e do xilema secundários em diferenciação Os fatores ambientais influenciam a atividade do câmbio vascular e as propriedades do lenho As plantas são sésseis e necessitam de respostas consis tentes às condições desfavoráveis para sobrevivência ver Capítulo 24 Isso é especialmente importante para plantas perenes lenhosas como as árvores que podem ocupar um local por centenas e mesmo milhares de anos Um desafio distinto que as árvores enfrentam é a sazonalidade do cli ma que representa riscos à sua sobrevivência durante pro longadas sazonais condições desfavoráveis ou letais como as encontradas nos meses de inverno nas regiões tempera das e boreais Para suportar o estresse por desidratação e congelamento durante os meses de inverno as árvores al ternam entre períodos de crescimento ativo e de dormência A transição anual do crescimento ativo para a dormência no câmbio resulta na formação de anéis de crescimento que re gistram o total do crescimento lateral da árvore a cada ano Os mecanismos moleculares que controlam o crescimen to do câmbio durante os ciclos de crescimentodormência são pouco compreendidos Fitormônios como a auxina e as giberelinas exercem papéis importantes na reativação e na cessação do crescimento no câmbio A sazonalidade de crescimento também impõe um desafio significante quanto ao uso à armazenagem e à re ciclagem de nutrientes O nitrogênio é o macronutriente mais abundante em plantas Embora todas as espécies ve getais tenham mecanismos para reciclar armazenar e re mobilizar o nitrogênio durante a estação de crescimento a ciclagem sazonal desse elemento é uma marca distintiva do hábito de vida perene Por exemplo o nitrogênio das folhas em senescência é armazenado na forma de proteí nas de reserva da casca BSPs bark storage proteins em vacúolos pequenos do parênquima do floema casca inter na Essas proteínas são sintetizadas no início do outono mas são rapidamente mobilizadas durante a primavera à medida que o crescimento é reiniciado Os mecanismos de sinalização envolvidos ainda não estão esclarecidos mas podem envolver o transporte de sinais hormonais prove nientes do MAC Fisiologicamente o lenho tem funções de transpor te de armazenagem e mecânicas Portanto a resposta a diversos fatores ambientais reflete mudanças que me lhor ajustam essas funções Essas três funções também são refletidas nos principais tipos de células encontrados no xilema Por exemplo em uma angiosperma típica as funções de transporte mecânicas e de armazenagem são realizadas pelos vasos pelas fibras e pelas células do pa rênquima respectivamente A proporção desses três tipos de células muda drasticamente em resposta a fatores de estresse diferentes e reflete conversões compensatórias que reforçam uma função ou outra A função mecânica do lenho é altamente reforçada durante a formação do lenho de reação ver Figura 151D e E O lenho de reação formase quando os caules são des locados de sua posição vertical Em angiospermas arbóre as o lenho de reação desenvolvese na parte superior do caule e é conhecido como lenho de tensão O lenho de ten são é diferente do lenho desenvolvido sob orientação ver tical pois contém mais fibras ie as células com função mecânica e suas paredes celulares são enriquecidas com celulose altamente cristalina que reforça a função mecâ Taiz19indd 587 Taiz19indd 587 27102016 154542 27102016 154542 588 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento nica Por outro lado déficit hídrico ou estresse osmótico expressivo provoca modificações que sustentam a função de transporte e de algum modo representam o oposto daquelas no lenho de tensão O lenho desenvolvido sob condições de seca costuma mostrar aumento da densidade de vasos e paredes celulares que produzem mais lignina do que celulose Essas mudanças melhoram a função de transporte e retenção de água do xilema RESUMO Após a embriogênese e a germinação o crescimento vegetativo é controlado por processos de desenvolvimento que envolvem interações moleculares e retroalimentação reguladora Esses me canismos criam a polaridade na raiz e no caule permitindo que as plantas produzam órgãos laterais p ex folhas e sistemas de ramificação que formam uma arquitetura vegetativa integral Desenvolvimento da folha O desenvolvimento de lâminas planas em espermatófitas foi um evento evolutivo fundamental desde então a morfologia do filoma diversificouse bastante Figura 191 Estabelecimento da polaridade foliar Além da informação da posição a distribuição de hormônios também afeta a emergência dos primórdios foliares Figura 192 A polaridade adaxialabaxial em um primórdio foliar é estabele cida por um sinal procedente do MAC Figura 193 Os fatores de transcrição ARP interagem com parceiros pro teicos para promover a identidade adaxial e reprimir o gene KNOX1 Figuras 194 195 A identidade adaxial também é sustentada pelos fatores de transcrição HDZIP III que são suprimidos no lado abaxial pelo microRNA miR166 A especificação da identidade abaxial é promovida pelas famí lias de genes KANADI e YABBY e é antagonizada por HDZIP III O crescimento normal da lâmina depende da justaposição de tecidos adaxiais e abaxiais e é regulado pela auxina e pelos ge nes YABBY e WOX Figura 195 Os primórdios foliares também exibem diferenciação proximal distal em um meristema limítrofe zona dos hipófilos pecíolo e lâmina Figura 195 Genes similares e fatores de transcrição governam a formação de folhas compostas Figuras 197 198 Diferenciação de tipos celulares epidérmicos A epiderme é derivada da protoderme L1 e tem três tipos de células principais células fundamentais pavement cells trico mas e célulasguarda dos estômatos bem como outros tipos de células Figura 199 Não apenas as célulasguarda mas a maioria das células epidér micas da folha surge de célulasmãe de meristemoides CMMs células fundamentais de linhagem estomática CFLEs meris temoides e célulasmãe de célulasguarda CMCGs Figura 1910 Os fatores de transcrição hélicealçahélica básicos bHLH go vernam as transições do estado celular de CMMs para meris temoides de meristemoides para CMCGs e de CMCGs para célulasguarda maduras Figura 1910 Células da linhagem estomática e células do mesofilo excretam peptídeos sinais que interagem com receptores transmembrana para regular a padronização estomática Figura 1911 Genes na protoderme regulam a diferenciação e a distribuição dos tricomas Figuras 19121914 O fator de transcrição GL2 é o elemento limitante da taxa de formação dos tricomas O ácido jasmônico regula o desenvolvimento dos tricomas fo liares em Arabidopsis Padrões de venação nas folhas Os padrões de venação foliar indicam a organização espacial da estrutura vascular Figuras 1915 1916 Desencadeadas pela auxina que apresenta transporte descen dente as nervuras foliares são iniciadas separadamente da es trutura vascular estabelecida e crescem para baixo para reen contrála direcionadas pelo sistema vascular no caule Figuras 19171920 Do mesmo modo que o desenvolvimento inicial das nervuras o desenvolvimento das nervuras de ordem superior se processa do ápice para a base e é regulado pela canalização da auxina No entanto o transporte da auxina é menos dependente de PIN1 Figuras 19211923 A biossíntese localizada da auxina leva em consideração o de senvolvimento das nervuras de ordem superior Figura 1924 Ramificação e arquitetura da parte aérea A arquitetura da parte aérea pode ser baseada na ramificação contínua nas partes aéreas iguais ou na repetição de unidades de partes aéreas hierárquicas levando a ramos axilares Figu ras 1925 1926 A iniciação dos ramos envolve alguns dos mesmos genes e hormônios da iniciação e do crescimento das folhas Figuras 19271929 Existem fortes evidências experimentais e empíricas de que a auxina e as estrigolactonas do ápice do caule mantêm a domi nância apical Figuras 1930 1931 Taiz19indd 588 Taiz19indd 588 27102016 154542 27102016 154542 Capítulo 19 Crescimento Vegetativo e Organogênese 589 Leituras sugeridas Balkunde R Pesch M and Hülskamp M 2010 Trichome patterning in Arabidopsis thaliana From genetic to molecular models Curr Top Dev Biol 91 299321 Bayer I Smith R S Mandel T Nakayama N Sauer M Prusinkiewicz P and Kuhlemeier C 2009 Integration of transportbased models for phyllotaxis and midvein formation Genes Dev 23 373384 Besnard F Vernoux T and Hamant O 2011 Organogenesis from stem cells in planta Multiple feedback loops integrating molecular and mechanical signals Cell Mol Life Sci 68 28852906 Byrne M E 2012 Making leaves Curr Opin Plant Biol 15 2430 CañoDelgado A Lee J Y and Demura T 2010 Regulatory mechanisms for specification and patterning of plant vascular tissues Annu Rev Cell Dev Biol 26 605637 Domagalska MA and Leyser O 2011 Signal integration in the control of shoot branching Nat Rev Mol Cell Biol 12 211221 Fukushima K and M Hasebe1 2014 Adaxialabaxial polarity The developmental basis of leaf shape diversity Genesis 52 118 Greb T Clarenz O Schafer E Muller D Herrero R Schmitz G and Theres K 2003 Molecular analysis of the LATERAL SUPPRESSOR gene in Arabidopsis reveals a conserved control mechanism for axillary meristem formation Genes Dev 17 11751187 Hay A and Tsiantis M 2010 KNOX genes Versatile regulators of plant development and diversity Development 137 31533165 As citocininas quebram a dominância apical e promovem a do minância axilar Figuras 1932 1933 A sacarose também serve como um sinal inicial do crescimento da gema axilar Figura 1934 Os sinais ambientais podem anular sinais hormonais padrão para dar forma à arquitetura vegetativa Por exemplo as plan tas perenes lenhosas produzem gemas dormentes em resposta à temperatura e à disponibilidade de água nutrientes e luz Fi gura 1935 Arquitetura do sistema de raízes A arquitetura do sistema de raízes espécieespecífica otimiza a absorção de água e nutrientes Figura 1936 Os sistemas de raízes das monocotiledôneas são compostos em grande parte de raízes seminais e raízes coronais ao passo que os sistemas de raízes das eudicotiledôneas são derivados pre dominantemente da raiz primária pivotante Figuras 1937 1938 A disponibilidade de fósforo pode alterar a arquitetura do sis tema de raízes tanto local quanto sistemicamente Figuras 1939 1940 As relações micorrízicas com sistemas de raízes são ubíquas no ambiente terrestre Crescimento secundário O crescimento em largura é realizado pelo câmbio vascular e pelo felogênio que são meristemas secundários que originam a estrutura secundária da planta Figuras 1941 1942 O crescimento secundário é anterior ao aparecimento das gim nospermas Auxina giberelinas citocininas e etileno regulam a atividade do câmbio vascular e a diferenciação dos tecidos do sistema vascu lar secundário Figura 1943 Os genes regulam o microambiente celular para a manutenção a proliferação e a diferenciação das célulastronco A atividade do câmbio vascular é sensível aos fatores ambientais que em última análise influenciam as propriedades do lenho MATERIAL DA INTERNET Tópico 191 Folhas bifaciais unifaciais e equifaciais As folhas bifaciais unifaciais e equifaciais podem ser distinguidas com base em suas diferenças anatômicas e morfológicas Tópico 192 O estresse mecânico altera a orientação dos microtúbulos e a distribuição de PIN1 no MAC O meriste ma apical pode ser considerado uma célula gigante cuja forma gera padrões de estresse que podem influenciar a localização de PIN1 Tópico 193 As serrações foliares são coordenadas pela ação de uma alça de retroalimentação de CUC2Auxi na Embora as serrações marginais sejam modificadas por mui tos genes os componenteschave são a auxina e o gene CUC2 Tópico 194 Avanços na fenotipagem dos sistemas de raízes Os métodos modernos de captura de imagens dos siste mas de raízes incluem técnicas bidimensionais 2D e tridimen sionais 3D Taiz19indd 589 Taiz19indd 589 27102016 154542 27102016 154542 590 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Heisler M G Hamant O Krupinski P Uyttewaal M Ohno C Jönsson H Traas J and Meyerowitz E M 2010 Alignment between PIN1 polarity and microtubule orientation in the shoot apical meristem reveals a tight coupling between morphogenesis and auxin transport PLOS Biol 810 e1000516 DOI101371journal pbio100051 Lau S and Bergmann D C 2012 Stomatal development A plants perspective on cell polarity cell fate transitions and intercellular communication Development 139 36833692 Lucas WJ Groover A Lichtenberger R Furuta K Yadav S R Helariutta Y He X Q Fukuda H Kang J Brady S M et al 2013 The plant vascular system Evolution development and functions J Integr Plant Biol 55 294388 Mason M G Ross J J Babst B A Wienclaw B N and Beveridge C A 2014 Sugar demand not auxin is the initial regulator of apical dominance Proc Natl Acad Sci USA 111 60926097 Qing L and Aoyama T 2012 Pathways for epidermal cell differentiation via the homeobox gene GLABRA2 Update on the roles of the classic regulator J Integr Plant Biol 54 729737 Risopatron J P M Sun Y and Jones B J 2012 The vascular cambium Molecular control of cellular structure Protoplasma 247145161 Townsley B T and Sinha N R 2012 A new development Evolving concepts in leaf ontogeny Annu Rev Plant Biol 63 535562 Yang F Wang Q Schmitz G Müller D and Theres K 2012 The bHLH protein ROX acts in concert with RAX1 and LAS to modulate axillary meristem formation in Arabidopsis Plant J 71 6170 Zhang Z Liao H and Lucas W J 2014 Molecular mechanisms underlying phosphate sensing signaling and adaptation in plants J Integr Plant Biol 56 192220 Taiz19indd 590 Taiz19indd 590 27102016 154542 27102016 154542 20 A maioria das pessoas aguarda ansiosamente a estação da primavera e a profusão de flores que ela traz Alguns planejam cuidadosamen te suas férias de forma a coincidir com estações específicas de florescimento Citrus ao longo da Blossom Trail no sul da Califórnia tulipas na Holanda Em Washington DC e no Japão as florações das cerejeiras são festejadas com animadas cerimônias Com a progressão da primavera para o verão do verão para o outono e do outono para o inverno as plantas nativas florescem em seu devido tempo O florescimento na época correta do ano é crucial para o sucesso reprodutivo da planta plantas de polinização cruzada devem flo rescer em sincronia com outros indivíduos de suas espécies e também com seus polinizadores em uma época do ano ideal para o desenvolvimento da semente Embora a forte correlação entre o florescimento e as estações seja de conhecimento comum o fenômeno abrange questões fundamentais que se rão consideradas neste capítulo Como as plantas acompanham o curso das estações do ano e das horas do dia Que sinais ambientais influenciam o florescimento e como eles são per cebidos Como os sinais ambientais são transduzidos para efetuar as alterações de desenvolvimento associadas ao florescimento No Capítulo 19 foi discutido o papel dos meristemas apicais da raiz e do caule no crescimento e no desenvolvimento vegetativo A transição para o florescimento envolve grandes alterações no padrão de morfogênese e diferenciação celular no meristema apical do caule Por fim como será visto esse processo leva à produção dos órgãos florais sépalas pétalas estames e carpelos O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral Taiz20indd 591 Taiz20indd 591 27102016 101950 27102016 101950 592 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Evocação floral integração de estímulos ambientais Uma decisão particularmente importante no desenvolvi mento durante o ciclo de vida vegetal é quando a planta irá florescer O processo pelo qual o meristema apical do caule se torna incumbido da formação de flores é deno minado evocação floral O atraso nessa incumbência de florescer aumentará as reservas de carboidratos que esta rão disponíveis para mobilização gerando mais e melho res sementes para a maturação Atraso no florescimento entretanto também aumenta potencialmente o risco de a planta ser predada morta por estresse abiótico ou supera da por outras plantas antes que se reproduza Nesse sen tido as plantas desenvolveram uma gama extraordinária de adaptações reprodutivas por exemplo ciclos de vida anuais versus perenes Plantas anuais como a tasneira Senecio vulgaris po dem florescer poucas semanas após a germinação Con tudo árvores podem crescer por 20 anos ou mais antes de começarem a produzir flores Ao longo do reino vegetal diferentes espécies florescem em um espectro amplo de idades indicando que a idade ou talvez o tamanho da planta seja um fator interno que controla a passagem para o desenvolvimento reprodutivo O caso no qual o florescimento ocorre estritamente em resposta a fatores de desenvolvimento internos e não de pende de qualquer condição ambiental particular é referi do como regulação autônoma Em espécies que exibem uma exigência absoluta de um conjunto específico de estímulos ambientais para florescer o florescimento é considerado uma resposta obrigatória ou qualitativa Se for promovido por certos estímulos ambientais mas também puder ocorrer na ausência deles a resposta ao florescimento é facultativa ou quantitativa Uma espécie com uma resposta facultativa como Arabidopsis depende de sinais tanto ambientais como autônomos para promover o crescimento reprodutivo O fotoperiodismo e a vernalização são dois dos mais importantes mecanismos subjacentes às respostas sazo nais O fotoperiodismo ver Capítulo 16 é uma respos ta ao comprimento do dia ou da noite a vernalização é a promoção do florescimento pelo frio prolongado Outros sinais como qualidade da luz temperatura do ambiente e estresse abiótico também são estímulos externos impor tantes para o desenvolvimento vegetal A evolução dos sistemas de controle interno autôno mo e externo percepção ambiental possibilita à planta re gular o florescimento de forma precisa de modo a ocorrer no momento certo para o sucesso reprodutivo Por exem plo em muitas populações de uma determinada espécie o florescimento é sincronizado o que favorece a polinização cruzada O florescimento em resposta a estímulos ambien tais assegura que as sementes sejam produzidas sob con dições favoráveis particularmente em resposta à água e à temperatura Entretanto isso torna as plantas muito vulne ráveis a mudanças climáticas rápidas como o aquecimento global que podem alterar as redes regulatórias que gover nam a época do florescimento Tópico 201 na internet O ápice caulinar e as mudanças de fase Todos os organismos multicelulares passam por uma série de estágios de desenvolvimento mais ou menos definidos cada um com suas características próprias Nos seres hu manos a fase de recémnascido a infância a adolescência e a idade adulta representam quatro estágios gerais de de senvolvimento sendo a puberdade a linha divisória entre as fases não reprodutiva e reprodutiva De forma similar as plantas passam por distintas fases de desenvolvimento O momento dessas transições depende muitas vezes das condições ambientais permitindo que as plantas se adap tem a um ambiente em mudança Isso é possível porque as plantas produzem continuamente novos órgãos a partir do meristema apical do caule As transições entre as diferentes fases são rigorosa mente reguladas ao longo do desenvolvimento já que as plantas devem integrar a informação do ambiente bem como os sinais autônomos para maximizar seu sucesso reprodutivo As seções seguintes descrevem as principais rotas que controlam essas decisões O desenvolvimento vegetal possui três fases O desenvolvimento pósembrionário nas plantas pode ser dividido em três fases 1 Fase juvenil 2 Fase adulta vegetativa 3 Fase adulta reprodutiva A transição de uma fase para a outra é denominada mu dança de fase A principal distinção entre as fases juvenil e adulta é que esta última possui a capacidade de formar estruturas reprodutivas flores nas angiospermas e cones nas gim nospermas Entretanto o florescimento que representa a expressão da competência reprodutiva da fase adulta com frequência depende de sinais de desenvolvimento e am bientais específicos Portanto a ausência do florescimento não é um indicador confiável da juvenilidade A transição da fase juvenil para a fase adulta com fre quência é acompanhada por mudanças nas características vegetativas como morfologia foliar filotaxia o arranjo das folhas no caule quantidade de espinhos capacidade de enraizamento e retenção das folhas em espécies decíduas como a hera Hedera helix Figura 201 ver também Tópi co 202 na internet Essas mudanças são mais evidentes em perenes lenhosas mas também são aparentes em mui tas espécies herbáceas Diferente da transição abrupta da fase vegetativa adulta para a fase reprodutiva a transição da fase juvenil para a adulta vegetativa em geral é gradual envolvendo formas intermediárias Os tecidos juvenis são produzidos primeiro e estão localizados na base do caule A sequência cronológica das três fases de desenvolvimento resulta em um gradiente espacial de juvenilidade ao longo N de RT Os cones estão presentes nas Coniferales coníferas que constituem um dos agrupamentos das gimnospermas Taiz20indd 592 Taiz20indd 592 27102016 101951 27102016 101951 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 593 do eixo do caule Uma vez que o crescimento em altura é restrito ao meristema apical os tecidos e os órgãos juvenis que são formados primeiro localizamse na base do cau le Nas espécies herbáceas de florescimento rápido a fase juvenil pode durar apenas poucos dias sendo produzidas poucas estruturas juvenis As espécies lenhosas por outro lado possuem uma fase juvenil mais prolongada em alguns casos durando 30 a 40 anos Tabela 201 Nesses casos as estruturas juvenis podem compor uma parte expressiva da planta madura Uma vez que o meristema tenha mudado para a fase adulta somente estruturas vegetativas adultas são pro duzidas culminando no florescimento As fases adulta e reprodutiva são por consequência localizadas nas regiões superior e periférica do caule A obtenção de um tamanho suficientemente gran de parece ser mais importante do que a idade cronológica da planta na determinação da transição para a fase adulta Condições que retardam o crescimento como deficiências minerais intensidade luminosa baixa estresse hídrico des folhamento e temperatura baixa tendem a prolongar a fase juvenil ou mesmo causar reversão para juvenilidade de cau les adultos Por outro lado condições que promovam o cres cimento vigoroso aceleram a transição para a fase adulta Quando o crescimento é acelerado a exposição ao tratamen to correto indutor de flores pode resultar em florescimento Embora o tamanho da planta pareça ser o fator mais importante nem sempre fica claro qual componente es pecífico associado ao tamanho é crítico Em algumas espécies de Nicotiana parece que as plantas necessitam produzir um certo número de folhas para transmitir a quantidade suficiente de estímulo floral para o ápice Uma vez alcançada a fase adulta ela é relativamen te estável mantendose durante a propagação vegetativa ou enxertia Por exemplo estacas retiradas da região basal de indivíduos maduros de hera H helix desenvolvemse em plantas juvenis enquanto aquelas retiradas do ápice se desenvolvem em plantas adultas Quando ramos foram retirados da base de uma bétulaprateada Betula verru cosa e enxertados em portaenxertos de plântulas não apareceram flores nos enxertos nos primeiros dois anos Por outro lado enxertos retirados do topo da árvore adulta floresceram sem restrição O termo juvenilidade tem significados diferentes para espécies herbáceas e lenhosas Os meristemas herbáceos juvenis florescem prontamente quando enxertados em plantas adultas florescentes ver Tópico 203 na internet enquanto os meristemas lenhosos juvenis geralmente não Por isso é dito que os meristemas lenhosos juvenis ca recem de competência para florescer ver Tópico 204 na internet As mudanças de fases podem ser influenciadas por nutrientes giberelinas e outros sinais A transição no ápice do caule da fase juvenil para a fase adulta pode ser afetada por fatores transmissíveis oriun dos do restante da planta Em muitas plantas a exposição a condições de intensidade luminosa baixa prolonga a ju venilidade ou provoca uma volta a ela Uma consequência importante de um regime de luminosidade baixa é uma redução no suprimento de carboidratos ao ápice assim o suprimento de carboidratos especialmente sacarose pode desempenhar um papel na transição entre a juvenilidade e a maturidade O suprimento de carboidratos como fon te de energia e matériaprima pode afetar o tamanho do TABELA 201 Duração do período juvenil em algumas plantas lenhosas Espécie Duração do período juvenil Rosa Rosa chá híbrido 2030 dias Videira Vitis spp 1 ano Macieira Malus spp 48 anos Citrus spp 58 anos Hera Hedera helix 510 anos Sequoiavermelha Sequoia sempervirens 515 anos Sicômoro Acer pseudoplatanus 1520 anos Carvalho Quercus robur 2530 anos Faiaeuropeia Fagus sylvatica 3040 anos Fonte Clark 1983 Folhas juvenis lobadas Folhas adultas ovaladas Fruto Figura 201 Formas juvenil e adulta da hera Hedera helix A forma juvenil possui folhas palmadas lobadas em uma disposição alternada tem hábito de crescimento trepador e não apresenta flo res A forma adulta projetandose para fora à direita possui folhas inteiras ovaladas dispostas em espiral crescimento para cima e flo res que se desenvolvem em frutos Cortesia de L Rignanese Taiz20indd 593 Taiz20indd 593 27102016 101951 27102016 101951 594 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento ápice Por exemplo no crisântemo Chrysanthemum mori folium os primórdios florais não são iniciados até que um tamanho mínimo do ápice seja atingido Em Arabidopsis o suprimento de carboidratos na planta é transmitido pela pequena molécula sinalizadora trealose6fosfato um dissacarídeo Plantas que carecem de trealose6fosfato florescem muito tardiamente mesmo sob condições indu tivas e esse dissacarídeo ativa as rotas de florescimento nas folhas e no ápice caulinar O ápice recebe do resto da planta uma diversidade de fatores hormonais entre outros além de carboidratos e outros nutrientes Evidências experimentais mostram que a aplicação de giberelinas GAs leva à formação de estruturas reprodutivas em plantas jovens de várias famí lias de coníferas O envolvimento das GAs endógenas no controle da reprodução também é indicado pelo fato de que outros tratamentos que aceleram a produção de cones em pinheiros p ex remoção de raízes estresse hídrico e carência de nitrogênio muitas vezes também resultam em um armazenamento de GAs na planta Uma classe importante de moléculas conservadas que controla as transições de fases em plantas é a dos microRNAs Os microRNAs são pequenas moléculas de RNAs não codificantes que têm como alvo transcri tos de mRNAs de outros genes pela homologia de se quências com pequenas regiões interferindo assim em sua função ver Capítulo 2 Em Arabidopsis e muitas ou tras plantas incluindo árvores o microRNA miR156 é a chave para controlar a transição da fase juvenil para a adulta Figura 202 Alguns dos genesalvo do miR156 promovem a transição para o florescimento O nível do miR156 decresce ao longo do tempo e quando ele cai abaixo de um certo limiar os genesalvo são expressos e a mudança de fase tornase possível A superexpressão do microRNA é suficiente para atrasar a mudança de fase em Arabidopsis e em choupos Além do miR156 o microRNA miR172 tem sido implicado em transições de fases em Arabidopsis Os ní veis do miR172 aumentam durante o desenvolvimento enquanto os níveis do miR156 decaem Ao contrário do miR156 cuja abundância é controlada pela idade da plan ta a expressão do miR172 parece estar sob controle foto periódico discutido mais adiante neste capítulo Os alvos do miR172 incluem vários transcritos que codificam fato res de transcrição envolvidos na repressão do florescimen to Desse modo o miR172 promove a mudança de fases do crescimento vegetativo adulto para o reprodutivo Ritmos circadianos o relógio interno Os organismos normalmente estão sujeitos a ciclos diários de luz e escuro e tanto plantas quanto animais em geral exibem um comportamento rítmo associado a essas alte rações Exemplos desses ritmos incluem o movimento das folhas e pétalas posições de dia e noite a abertura e o fechamento estomáticos os padrões de crescimento e es porulação em fungos p ex Pilobolus e Neurospora a hora do dia para emergência de pupas a moscadafruta Dro sophila e os ciclos de atividade de roedores assim como mudanças diárias nas taxas de processos metabólicos como a fotossíntese e a respiração Quando os organismos são transferidos de ciclos diá rios de luzescuro para escuridão ou luz contínua mui tos desses ritmos continuam a ser expressos ao menos por vários dias Sob tais condições uniformes o período do ritmo fica próximo das 24 horas e consequentemente miR156 B A miR156 miR172 miR172 SPL9 SPL10 Morfologia da folha adulta Vegetativo Juvenil Adulto Florescimento Reprodutivo Competência para florescer SPL3 SPL4 SPL5 Proteínas AP2 e tipo AP2 que reprimem o floresci mento Figura 202 Regulação da mudança de fase em Arabidopsis pelos microRNAs A Durante os estágios mais precoces de desenvolvimento o nível do miR156 é muito alto e o nível do miR172 é muito baixo pro movendo a fase de crescimento vegetativo juvenil As folhas juvenis são pequenas e arredondadas e exibem tricomas somente no lado adaxial Ao longo do tempo o nível do miR156 cai e o nível do miR172 aumenta promovendo a transição para a fase vegetativa adulta As folhas adultas vegetativas são maiores e mais alon gadas com tricomas abaxiais B O declínio no nível do miR156 permite a expressão dos genes SPL9 e SPL10 os quais regulam para cima a expressão do miR172 O miR172 regula para baixo seis fatores de transcrição do tipo AP2 que reprimem o florescimento A liberação da repressão combinada com a regulação positiva dos genes promotores de floração SPL35 torna a planta competente para florescer permitindo a transição para o florescimento O declínio no tamanho das folhas adultas reflete uma mudança gradual na alocação de açúcares das folhas para as estruturas reprodutivas em desenvolvimento Taiz20indd 594 Taiz20indd 594 27102016 101951 27102016 101951 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 595 o termo ritmo circadiano do latim circa cerca de e diem dia é aplicado ver Capítulo 16 Como os organismos continuam em um ambiente claro ou escuro constante esses ritmos circadianos não podem ser respostas diretas à presença ou à ausência de luz mas devem ser baseados em um marcapasso interno com frequência denominado oscilador endógeno Um modelo molecular para um osci lador endógeno vegetal foi descrito no Capítulo 16 O oscilador endógeno está acoplado a uma diversida de de processos fisiológicos como movimentos foliares ou fotossíntese e mantém o ritmo Por isso ele pode ser con siderado o mecanismo do relógio e as funções fisiológicas que estão sendo reguladas como os movimentos foliares ou a fotossíntese são às vezes denominadas ponteiros do relógio Os ritmos circadianos exibem características marcantes Os ritmos circadianos surgem de fenômenos cíclicos que são definidos por três parâmetros 1 Período o tempo entre pontos comparáveis dentro do ciclo Geralmente o período é medido como o tempo entre máximos picos ou mínimos vales consecuti vos Figura 203A 2 Fase qualquer ponto no ciclo que seja reconheci do por seu relacionamento com o restante dele Os pontos de fase mais óbvios são as posições de picos e vales O termo fase neste contexto não deve ser confundido com mudança de fases no desenvolvimento do meristema discutido anteriormente Pontos de fase Um ritmo circadiano típico O período é o tempo entre pontos comparáveis no ciclo repetitivo a fase é qualquer ponto no ciclo reconhecível por seu relacionamento com o resto do ciclo a amplitude é a distância entre um pico e um vale Um ritmo circadiano sincronizado a um ciclo de 24 horas de luzescuro LE e sua reversão para o período de curso livre 26 horas neste exemplo após a transferência para o escuro contínuo Suspensão de um ritmo circadiano em luz intensa contínua e a liberação ou o reinício do ritmo após a transferência para o escuro Típica mudança de fases em resposta a um pulso de luz aplicado logo após a transferência para o escuro O ritmo tem sua fase alterada atrasado sem alteração no período A C D B Amplitude Período 12E 12L 26 h 24 h 12E 12L 12E 12L h h 12E 12L 12E 12L 12E 12L h Pulso de luz Ritmo reajustado Luz Figura 203 Algumas características dos ritmos circadianos Taiz20indd 595 Taiz20indd 595 27102016 101951 27102016 101951 596 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento 3 Amplitude geralmente considerada como a distância entre pico e vale A amplitude de um ritmo biológico com frequência pode variar enquanto o período per manece constante p ex na Figura 203B Em condições de constante luminosidade ou escuro os ritmos desviam de um período exato de 24 horas Os ritmos então são desviados em relação ao horário solar seja ganhando ou perdendo tempo dependendo de o pe ríodo ser mais curto ou mais longo do que 24 horas Sob condições naturais o oscilador endógeno é controlado sincronizado por um período verdadeiro de 24 horas por estímulos ambientais sendo os mais importantes deles as transições luzescuro ao entardecer e escuroluz ao amanhecer Figura 203C Esses sinais ambientais são denominados Zeitgebers termo alemão para fornecedores do tempo Quando eles são removidos p ex por transferência ao escuro con tínuo o ritmo é considerado de curso livre e reverte ao período circadiano característico do organismo específico ver Figura 203B Embora sejam gerados internamente os ritmos nor malmente necessitam de um sinal ambiental como a exposição à luz ou a mudança de temperatura para ini ciarem sua expressão Além disso muitos ritmos ficam amortecidos ie a amplitude diminui quando o organis mo está sujeito a um ambiente constante por vários ciclos Quando isso ocorre um Zeitgeber ambiental como uma transferência da luz para o escuro ou uma mudança na temperatura é necessário para reiniciar o ritmo ver Figu ra 203C Observe que o relógio em si não reduz a amplitude apenas é afetado o acoplamento entre o relógio molecular osci lador endógeno e a função fisiológica O relógio circadiano não teria valor para o organismo se não pudesse manter uma contagem acurada de tempo sob as temperaturas flutuantes experimentadas em con dições naturais Na verdade a temperatura tem pouco ou nenhum efeito sobre o período do ritmo de curso livre A característica que permite ao relógio monitorar o tem po em diferentes temperaturas é chamada de compensa ção de temperatura Embora todas as etapas bioquími cas na rota sejam sensíveis à temperatura é provável que suas respostas à temperatura se anulem mutuamente Por exemplo alterações nas taxas de síntese de intermediários poderiam ser compensadas por mudanças paralelas em suas taxas de degradação Assim os níveis de equilíbrio dos reguladores do relógio permaneceriam constantes sob temperaturas diferentes A mudança de fase ajusta os ritmos circadianos aos diferentes ciclos dianoite Nos ritmos circadianos as respostas fisiológicas estão acopladas a um ponto específico no tempo do oscilador endógeno de modo que a resposta ocorre em um momen to em particular do dia Um único oscilador pode estar acoplado a múltiplos ritmos circadianos que podem até mesmo estar fora de fase uns com os outros Como essas respostas permanecem no tempo quando as durações diárias dos períodos de luz e escuro mudam com as estações Os pesquisadores normalmente testam a resposta do oscilador endógeno colocando um organismo em escuro contínuo e examinando a resposta aos curtos pulsos de luz em geral menos do que 1 hora aplicados em diferentes pontos de fase durante o ritmo de curso li vre Quando um organismo está sincronizado a um ciclo de 12 horas de luz e 12 horas de escuro e após lhe é per mitido ter curso livre no escuro a fase do ritmo que coin cide com o período de luz do ciclo sincronizado anterior é chamada de dia subjetivo e a fase que coincide com o período escuro é denominada noite subjetiva Se um pulso de luz é aplicado durante as primeiras horas da noite subjetiva o ritmo é atrasado o organismo interpreta o pulso de luz como o final do dia anterior Figura 203D Por outro lado um pulso de luz aplicado no final de uma noi te subjetiva avança a fase do ritmo dessa vez o organismo interpreta o pulso de luz como o início do dia seguinte Essa é precisamente a resposta que seria esperada se o ritmo fosse capaz de permanecer no tempo local mes mo quando as estações mudassem Essas respostas de mudança de fase possibilitam ao ritmo ser sincronizado a ciclos de aproximadamente 24 horas com diferentes dura ções de luz e escuro e elas demonstram que o ritmo pode ser ajustado às variações sazonais no comprimento do dia Fitocromos e criptocromos sincronizam o relógio O mecanismo molecular pelo qual um sinal luminoso pro voca uma mudança de fase ainda não é conhecido porém estudos em Arabidopsis identificaram alguns dos elemen toschave do oscilador circadiano e suas entradas inputs e saídas outputs ver Capítulo 16 Os níveis baixos e os comprimentos de onda específicos de luz que podem in duzir a mudança de fase indicam que a resposta à luz deve ser mediada por fotorreceptores específicos e não pela taxa fotossintética Por exemplo a sincronização pela luz verme lha dos movimentos foliares rítmicos de dianoite em Sama nea uma leguminosa arbórea subtropical é uma resposta de baixa fluência mediada por fitocromo ver Capítulo 16 A Arabidopsis possui cinco fitocromos que com ex ceção do fitocromo C estão envolvidos na sincronização do relógio Cada fitocromo atua como um fotorreceptor específico para luz vermelha vermelhodistante ou azul Alé m dos fitocromos as plantas percebem a luz por meio de criptocromos CRY e em plantas as proteí nas CRY1 e CRY2 participam na sincronizaç ã o do reló gio pela luz azul como o fazem em insetos e mamí feros ver Capítulo 18 De modo surpreendente as proteínas CRY também parecem ser necessárias para a sincronização normal pela luz vermelha Uma vez que essas proteí nas nã o absorvem a luz vermelha essa exigê ncia sugere que CRY1 e CRY2 podem atuar como intermediá rias na sinalizaç ã o pelo fi tocromo durante a sincronizaç ã o do reló gio Na Drosophila as proteí nas CRY interagem fisicamen te com os componentes do reló gio e assim constituem parte do mecanismo oscilador Contudo esse não parece Taiz20indd 596 Taiz20indd 596 27102016 101951 27102016 101951 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 597 ser o caso em Arabidopsis em que os mutantes duplos cry1 cry2 são deficientes em sincronização mas apresentam rit mos circadianos normais Em plantas tem sido mostrado que CRY2 fotoativado é capaz de ativar o florescimento em resposta à luz azul diretamente pela expressã o au mentada de um genechave no florescimento o FT FLO WERING LOCUS T que será discutido mais adiante neste capítulo Fotoperiodismo monitoração do comprimento do dia Como foi visto o relógio circadiano possibilita aos orga nismos repetir certos eventos moleculares ou bioquímicos em determinadas horas do dia ou da noite O fotoperio dismo ou a capacidade de um organismo de perceber o comprimento do dia torna possível para um evento ocor rer em determinado momento do ano permitindo desse modo uma resposta sazonal Os ritmos circadianos e o fotoperiodismo têm a propriedade comum de responder a ciclos de luz e escuro Precisamente na linha do Equador os comprimentos do dia e da noite são iguais e constantes durante o ano todo À medida que se dá o deslocamento da linha do Equador para os polos os dias tornamse mais longos no verão e mais curtos no inverno Figura 204 As espécies vegetais desenvolveram a capacidade de perceber essas mudanças sazonais no comprimento do dia e suas res postas fotoperiódicas específicas são fortemente influen ciadas pela latitude de origem Os fenômenos fotoperiódicos são observados tanto em animais quanto em plantas No reino animal o compri mento do dia controla atividades sazonais como hiberna ção desenvolvimento de revestimentos de verão e inverno e atividade reprodutiva As respostas das plantas controla das pelo comprimento do dia são numerosas elas incluem a iniciação do florescimento a reprodução assexual a for mação de órgãos de reserva e a indução de dormência As plantas podem ser classificadas por suas respostas fotoperiódicas Várias espécies vegetais florescem durante os dias longos de verão Por muitos anos os fisiologistas vegetais acre ditaram que a correlação entre os dias longos e o floresci mento era uma consequência da acumulação de produtos da fotossíntese sintetizados durante aqueles dias O trabalho de Wightman Garner e Henry Allard conduzido na década de 1920 nos laboratórios do Depar tamento de Agricultura dos EUA USDA em Beltsville Maryland mostrou que essa hipótese estava incorreta Garner e Allard constataram que uma variedade mutan te de tabaco Maryland Mammoth crescia bastante até cerca de 5 m de altura porém não florescia nas condições predominantes do verão Figura 205 Entretanto as plantas floresceram em casa de vegetação durante o inver no sob condições naturais de luz Esses resultados acabaram levando Garner e Allard a testar o efeito de dias artificialmente encurtados cobrindo as plantas cultivadas durante os dias longos do verão com uma tenda à prova de luz do final da tarde até a manhã seguinte Esses dias curtos artificiais provocaram o flo rescimento das plantas Garner e Allard concluíram que o comprimento do dia em vez da acumulação de produtos da fotossíntese é o fator determinante do florescimento Eles puderam confirmar sua hipótese em muitas espécies e condições diferentes Esse trabalho lançou as bases para a subsequente e extensa pesquisa sobre as respostas foto periódicas 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Horas de luz M F J A M Equinócio de março Solstício de junho Equinócio de setembro J J A S O N D Meses do ano 60 50 40 30 30 30 60 60 20 10 0 0 A B Figura 204 A Efeito da latitude sobre o comprimento do dia em diferentes épocas do ano no hemisfério norte O comprimento do dia foi medido no dia 20 de cada mês B Mapamúndi mostran do longitudes e latitudes Taiz20indd 597 Taiz20indd 597 27102016 101951 27102016 101951 598 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Embora muitos outros aspectos do desenvolvimento das plantas também possam ser afetados pelo comprimento do dia o florescimento é a resposta que tem sido mais estu dada Espécies em florescimento tendem a se enquadrar em uma das duas principais categorias de respostas fotoperió dicas plantas de dias curtos e plantas de dias longos Plantas de dias curtos SDPs shortday plants florescem apenas em dias curtos SDPs qualitativas ou têm flores cimento acelerado por dias curtos SDPs quantitativas Plantas de dias longos LDPs longday plants flores cem somente em dias longos LDPs qualitativas ou têm florescimento acelerado por dias longos LDPs quantitativas A distinção essencial entre LDPs e SDPs é que o flo rescimento nas LDPs é estimulado somente quando o comprimento do dia excede uma certa duração chamada de comprimento crítico do dia em cada ciclo de 24 horas enquanto o estímulo do florescimento nas SDPs requer um comprimento do dia menor que essa duração O valor absoluto do comprimento crítico do dia varia amplamente entre as espécies e uma classificação fotoperiódica corre ta só pode ser feita quando o florescimento é examinado para uma gama de comprimentos do dia Figura 206 As LDPs podem medir efetivamente o aumento da duraç ã o dos dias da primavera ou o iní cio do verã o e re tardar o florescimento até que o comprimento crí tico do dia seja atingido Muitas variedades de trigo Triticum aes tivum comportamse dessa maneira As SDPs em geral florescem no outono quando os dias encurtam abaixo de um comprimento crítico do dia como ocorre em muitas variedades de C morifolium Contudo o comprimento do dia isoladamente é um sinal ambíguo pois não pode dis tinguir entre primavera e outono As plantas exibem vá rias adaptações para evitar a am biguidade do sinal do comprimento do dia Uma delas é a presença de uma fase juvenil que impede que a planta res ponda ao comprimento do dia durante a primavera Outro mecanismo para evitar a ambiguidade do comprimento do dia é a ligação da exigência de temperatura a uma respos ta fotoperiódica Certas espécies de plantas como o trigo de inverno não respondem ao fotoperíodo até que tenha ocorrido um período de frio vernalização ou hibernação A vernalizaç ã o será discutida mais adiante neste capí tulo Outras plantas evitam a ambiguidade sazonal pela distinção entre dias em encurtamento e alongamento Essas plantas com dualidade de duraç ã o do dia se enquadram em duas categorias Plantas de dias longoscurtos LSDPs longshortday plants florescem somente após uma sequência de dias longos seguida por dias curtos As LSDPs como Bryo phyllum Kalanchoe e jasmimdanoite Cestrum noctur 6 18 Plantas de dias longos LDPs Plantas de dias curtos SDPs 8 16 10 14 12 12 14 10 16 8 18 6 20 4 22 2 24 h 0 h 100 50 0 Porcentagem de florescimento Comprimento do dia Comprimento da noite Plantas de dias longos florescem quando o comprimento do dia excede ou o comprimento da noite é menor que certa duração crítica em um ciclo de 24 horas Plantas de dias curtos florescem quando o comprimento do dia é menor que ou o comprimento da noite excede certa duração crítica em um ciclo de 24 horas Figura 205 Mutante de tabaco Maryland Mammoth à direita com parado com tabaco do tipo selvagem à esquerda Ambas as plantas foram cultivadas durante o verão em casa de vegetação Estudantes da University of Wisconsin utilizados como escala Cortesia de R Amasino Figura 206 Resposta fotoperió dica em plantas de dias longos e plantas de dias curtos A duraç ã o crí tica varia conforme a espé cie Neste exemplo as SDPs e as LDPs floresceriam em fotoperí odos entre 12 e 14 horas Taiz20indd 598 Taiz20indd 598 27102016 101951 27102016 101951 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 599 num florescem no final do verão e no outono quando os dias estão encurtando Plantas de dias curtoslongos SLDPs shortlongday plants florescem apenas após uma sequência de dias curtos seguida por dias longos As SLDPs como tre vobranco Trifolium repens campainha Campanula medium e echevéria Echeveria harmsii florescem no início da primavera em resposta ao aumento do com primento dos dias Por fim espécies que florescem em qualquer condição de fotoperíodo são referidas como plantas de dias neu tros DNPs dayneutral plants As DNPs são insensíveis ao comprimento do dia O florescimento em DNPs em geral está sob regulação autônoma isto é controle do desenvol vimento interno Algumas espécies de dias neutros como o feijoeiro Phaseolus vulgaris evoluíram próximo à linha do Equador onde o comprimento do dia é constante ao longo do ano Muitas plantas anuais de deserto como pin celdodeserto Castilleja chromosa e verbenadodeserto arenoso Abronia villosa germinam crescem e florescem rapidamente sempre que existe disponibilidade suficiente de água Elas também são DNPs A folha é o sítio de percepção do sinal fotoperiódico O estímulo fotoperiódico em LDPs e SDPs é percebido pe las folhas Por exemplo o tratamento de uma única folha de Xanthium SDP com curtos fotoperíodos é suficiente para causar a formação de flores mesmo quando o resto da planta está exposto a dias longos Assim em resposta ao fo toperíodo a folha transmite um sinal que regula a transição para o florescimento no ápice do caule Os processos regu lados pelo fotoperíodo que ocorrem nas folhas resultando na transmissão do estímulo floral para o ápice do caule são referidos coletivamente como indução fotoperiódica A indução fotoperiódica pode ocorrer em uma folha que tenha sido separada da planta Por exemplo na SDP Perilla crispa um membro da família das mentas uma folha exci sada exposta a dias curtos pode causar florescimento quan do enxertada a uma planta nã o induzida mantida sob dias longos Esse resultado indica que a indução fotoperiódica depende de eventos que ocorrem exclusivamente na folha As plantas monitoram o comprimento do dia pela medição do comprimento da noite Sob condições naturais os comprimentos do dia e da noite configuram um ciclo de 24 horas de luz e escuro Em prin cípio uma planta poderia perceber um comprimento crítico do dia pela medição da duração tanto da luz quanto do es curo Grande parte do trabalho experimental nos primeiros estudos sobre o fotoperiodismo foi dedicada a estabelecer qual parte do ciclo de luzescuro é o fator de controle do flo rescimento Os resultados mostraram que o florescimento das SDPs é determinado primordialmente pela duração do escuro Figura 207A Foi possível induzir o florescimento em SDPs com períodos de luz mais longos que o valor crí tico desde que fossem seguidos por noites suficientemente longas Figura 207B Da mesma forma as SDPs não flores ciam quando dias curtos eram seguidos por noites curtas Experimentos mais detalhados demonstraram que a contagem do tempo do fotoperíodo nas SDPs é uma ques tão de medição da duração do escuro Por exemplo o flo rescimento ocorreu somente quando o período de escuro excedeu 85 horas no cardo Xanthium strumarium ou 10 horas na soja Glycine max A duração do escuro também se mostrou importante nas LDPs ver Figura 207 Essas plantas floresciam em dias curtos desde que o compri mento da noite também fosse curto contudo um regime de dias longos seguidos por noites longas não surtia efeito Quebras da noite podem cancelar o efeito do período de escuro Uma característica que demonstra a importância do pe ríodo de escuro é que ele pode se tornar ineficaz pela inter rupção com uma curta exposição à luz chamada de quebra da noite ver Figura 207A Por outro lado a interrupção de um dia longo com um breve período de escuro não can cela o efeito do dia longo ver Figura 207B Tratamentos de quebra da noite de apenas poucos minutos são efica zes para impedir o florescimento de muitas SDPs incluindo Xanthium e Pharbitis mas exposições muito mais longas são necessárias para promover o florescimento em LDPs Além disso o efeito de uma quebra da noite varia bas tante de acordo com a hora em que é aplicado Tanto para LDPs quanto para SDPs uma quebra da noite mostrou se mais eficaz quando aplicada próxima à metade de um período de escuro de 16 horas Figura 208 A descoberta do efeito da quebra da noite e de sua de pendência do tempo teve várias consequências importantes Ela estabeleceu o papel central do período de escuro e forne ceu um meio de investigação valioso para o estudo da cro nometragem fotoperiódica Como são necessárias apenas pequenas quantidades de luz tornouse possível estudar a ação e a identidade do fotorreceptor sem a interferência dos efeitos da fotossíntese e de outros fenômenos não fotoperió dicos Essa descoberta levou também ao desenvolvimento de métodos comerciais para a regulação do momento do flo rescimento em espécies hortícolas como Kalanchoë crisân temo e poinsétia Euphorbia pulcherrima A cronometragem fotoperiódica durante a noite depende do relógio circadiano O efeito decisivo do comprimento da noite no floresci mento indica que a medição da passagem do tempo no escuro é fundamental na cronometragem fotoperiódica A maioria das evidências disponíveis é favorável ao meca nismo com base em um ritmo circadiano De acordo com a hipótese do relógio a cronometragem fotoperiódica de pende de um oscilador circadiano endógeno do tipo des crito anteriormente neste capítulo ver também Capítulo 16 O oscilador central está acoplado a vários processos fisiológicos que envolvem expressão gênica incluindo o florescimento em espécies fotoperiódicas Taiz20indd 599 Taiz20indd 599 27102016 101951 27102016 101951 600 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento As medições do efeito de uma quebra da noite no florescimento podem ser usadas para investigar o papel dos ritmos circadianos na cronometragem fotoperiódica Por exemplo quando indivíduos de soja que são SDPs são transferidos de um período de 8 horas de luz para um período estendido de escuro de 64 horas a resposta de flo rescimento a quebras da noite mostra um ritmo circadiano Figura 209 LDP Plantas de dias curtos Tratamento de luz Resposta de florescimento Escuro SDP Luz Vegetativo Florescendo Vegetativo Vegetativo Vegetativo Florescendo Vegetativo Vegetativo Florescendo Florescendo Florescendo Florescendo Plantas de dias longos A B 24 h 24 h 24 h Plantas de dias curtos noites longas florescem quando o comprimento da noite excede um período crítico de escuro A interrupção do período de escuro por um breve tratamento de luz uma quebra da noite impede o florescimento Plantas de dias longos noites curtas florescem se o comprimento da noite for mais curto que um período crítico Em algumas plantas de dias longos o encurtamento da noite com uma quebra induz o florescimento Quebra da noite Luz Flash de luz Duração crítica do escuro Escuro Esse tipo de experimento fornece suporte consistente para a hipótese do relógio Se essas SDPs estivessem sim plesmente medindo o comprimento da noite pelo acúmulo de um intermediário em particular durante o período de escuro qualquer período de escuro maior do que o compri mento crítico da noite deveria causar florescimento Con tudo longos períodos de escuro não são indutivos para o florescimento se a quebra da noite for aplicada em um mo mento que não coincida propriamente com certa fase do os cilador circadiano endógeno Essa descoberta demonstra que o florescimento em SDPs requer um período de escuro com duração suficiente e um sinal de amanhecer em um momen to apropriado dentro do ciclo circadiano ver Figura 203 A observação de que a resposta fotoperiódica pode ter sua fase alterada por tratamentos de luz é a evidência adi cional para o papel de um oscilador circadiano na medição do fotoperíodo ver Tópico 205 na internet O modelo de coincidência baseiase em fases oscilantes de sensibilidade à luz Como uma oscilação com um período de 24 horas mede uma duração crítica de escuro de 8 a 9 horas conforme acontece em Xanthium uma SDP Erwin Bünning pro pôs em 1936 que o controle do florescimento pelo foto periodismo é alcançado por uma oscilação de fases com diferentes sensibilidades à luz Essa proposta evoluiu para o modelo de coincidê ncia no qual o oscilador circadia no controla o momento de ocorrê ncia das fases sensí vel e insensí vel à luz Figura 207 Regulação fotoperiódica do florescimento A Efei tos sobre SDPs e LDPs B Efeitos da duração do período de es curo sobre o florescimento O tratamento de SDPs e LDPs com fotoperí odos diferentes mostra claramente que a variá vel crí tica é a duraç ã o do período de escuro Taiz20indd 600 Taiz20indd 600 27102016 101951 27102016 101951 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 601 A capacidade da luz de promover ou inibir o flores cimento depende da fase na qual ela é aplicada Quando um sinal luminoso é administrado durante a fase do ritmo sensível à luz o efeito é de promover o florescimento nas LDPs ou de evitar o florescimento nas SDPs As fases de sensibilidade e insensibilidade à luz continuam a oscilar no escuro Como mostrado na Figura 209 o florescimento nas SDPs é induzido somente quando a exposição à luz a partir de uma quebra da noite ou do amanhecer ocorre após a fase do ritmo sensível à luz ter sido completada Se um experimento similar é realizado com uma LDP o florescimento é induzido apenas quando a quebra da noite ocorre durante a fase do ritmo que é sensível à luz Em outras palavras o florescimento tanto em SDPs como em LDPs é induzido quando a exposição à luz coincide com a fase apropriada do ritmo Essa oscilação continuada das fases sensível e insensível na ausência de sinais de luz de ama nhecer ou entardecer é característica de uma diversidade de processos controlados pelo oscilador circadiano A coincidência da expressão de CONSTANS e luz promove o florescimento em LDPs De acordo com o modelo de coincidência as respostas das plantas floríferas são sensíveis à luz apenas em certos momentos do ciclo dianoite Um componentechave de uma rota reguladora que promove o florescimento de Ara bidopsis em dias longos é um gene chamado CONSTANS CO que codifica uma proteína dedodezinco que por sua vez regula a transcrição de outros genes CO foi ini cialmente identificado em um mutante de Arabidopsis co que era incapaz de exibir uma resposta fotoperiódica de florescimento A expressão de CO é controlada pelo reló gio circadiano com o pico de atividade ocorrendo 12 ho ras após o amanhecer Figura 2010A Estudos genéticos e moleculares mostraram que em Arabidopsis a proteína 2 4 6 8 10 12 14 16 100 50 0 Porcentagem do florescimento máximo Momento da quebra da noite a partir do início do período de escuro h 8 h Período de luz Xanthium SDP período de 16 h de escuro Quebra da noite 1 min de luz vermelha Fuchsia LDP período de 16 h de escuro Quebra da noite 1 h de luz vermelha 8 16 24 32 40 48 56 64 72 100 50 0 Porcentagem de florescimento máximo Momento no qual a quebra da noite foi aplicada h Período de luz Flores cimento Sensibilidade à luz Sensibilidade à luz Figura 208 O momento no qual uma quebra da noite é aplicada de termina a resposta do florescimento Quando aplicada durante um período longo de escuro uma quebra da noi te promove o florescimento em LDPs e o inibe em SDPs Em ambos os casos o maior efeito sobre o flores cimento ocorre quando a quebra da noite é aplicada próxima à metade do período de 16 horas de escuro À LDP Fuchsia foi aplicada uma hora de exposiç ã o à luz vermelha em um período de 16 horas de escuro Xan thium SDP foi exposto à luz vermelha por 1 minuto em um período de 16 horas de escuro Dados para Fuchsia de VincePrue 1975 dados para Xan thium de Salisbury 1963 e Papenfuss e Salisbury 1967 Figura 209 Florescimento rítmico em resposta a quebras da noite Nesse experimento a soja G max uma SDP recebeu ciclos de 8 horas de luz seguidos de perí odos de 64 horas de escuro Uma quebra da noite de 4 horas foi aplicada em vários momentos duran te o longo período de escuro indutivo A resposta do florescimento plotada como uma porcentagem do máximo foi então plotada para cada quebra da noite aplicada Observe que uma quebra da noite aplicada a 26 horas induziu o florescimento má ximo enquan to nã o houve florescimento quando a quebra da noite foi aplicada a 40 horas Alé m disso esse experimento demonstra que a sensibi lidade ao efeito de uma quebra da noite apresenta um ritmo circa diano Esses dados sustentam um modelo no qual o florescimento em SDPs é induzido somente quando o amanhecer ou uma quebra da noite ocorre após completada a fase sensível à luz Nas LDPs a quebra de luz deve coincidir com a fase sensível à luz para que ocor ra o florescimento Dados de Coulter e Hamner 1964 Taiz20indd 601 Taiz20indd 601 27102016 101951 27102016 101951 602 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento CO acumulase em resposta a dias longos e isso acelera o florescimento Figura 2010B Conforme indicado na Figura 2010B uma caracterís tica crítica do mecanismo de coincidência em Arabidopsis LDP é que o florescimento é promovido quando o gene CO é expresso na folha o sítio de percepção do estímu lo fotoperiódico durante o período de luz O aumento no mRNA de CO que ocorre durante os dias curtos não leva a um aumento na proteína CO porque a expressão de CO ocorre inteiramente no escuro Por outro lado durante dias longos a expressão de CO é acompanhada por um aumen to no nível da proteína CO porque pelo menos parte da ex pressão coincide com o período de luz ver Figura 2010B Como consequência dias longos são indutivos para o florescimento de Arabidopsis porque o nível da proteína CO aumenta Dias curtos não são indutivos porque o nível da proteína CO não aumenta na ausência de luz Desse modo uma característica importante do modelo de coin cidência é que precisa haver uma sobreposição coincidên cia entre a síntese do mRNA de CO e a luz do dia de modo que a luz possa permitir que a proteína ativa CO se acumule a um nível que promova o florescimento A osci lação circadiana do mRNA de CO fornece uma explicação para a ligação entre a percepção fotoperiódica e o relógio circadiano Porém como a luz do dia leva à acumulação da proteína CO Uma pista para a função da luz foi fornecida por expe rimentos em que CO foi expresso a partir de um promotor constitutivo Sob essas condições o mRNA de CO foi ex presso continuamente e seu nível permaneceu constante ao longo de todo o ciclo dianoite No entanto a abundân cia da proteína CO continuou a oscilar sugerindo que ela é regulada por um mecanismo póstranscricional O mecanismo póstranscricional é baseado em par te em diferenças nas taxas de degradação de CO na luz versus no escuro Durante o escuro CO é marcada com Dia curto A 6 0 12 18 24 Horas Dia longo Florescimento B phyA cry Arabidopsis Dia curto Florescimento C 6 0 12 18 24 Horas Dia longo Vegetativa D phyA Arroz mRNA de Hd1 Proteína Hd1 mRNA de Hd3a mRNA de CO Proteína CO mRNA de FT mRNA de Hd1 Proteína Hd1 mRNA de Hd3a mRNA de CO Proteína CO mRNA de FT Vegetativa Figura 2010 Base molecular do modelo de coincidência em Arabidopsis A e B e no arroz C e D A Em Arabidopsis em dias curtos há pouca sobreposição entre a expressão do mRNA de CO e a luz do dia A proteína CO não se acumula em níveis suficientes no floema para promover a expressão do estímulo floral transmissível proteína FT e a planta permanece vegetativa B Sob dias longos o pico de abundância do mRNA de CO das 12 às 16 horas sobrepõe se com a luz do dia percebida por phyA e pelo criptocromo cry permitindo que a proteína CO se acumule CO ativa a expressão do mRNA de FT no floema o que causa o florescimento quando a proteína FT é translocada até o meristema apical C No arroz sob dias curtos a falta de coincidência entre a expressão do mRNA de Hd1 e a luz do dia impede a acumulação da proteína Hd1 que age como um repressor do gene que codifica o estímulo floral transmis sível em arroz e FT relativo Hd3a Na ausência do repressor proteico Hd1 o mRNA de Hd3a é expresso e a proteína que o codifica é translocada para o meristema apical onde causa o florescimento D Sob dias longos percebidos pelo fitocromo o pico da expressão do mRNA de Hd1 sobrepõese com o dia permitindo a acumulação da proteína repressora Hd1 Como resultado o mRNA de Hd3a não é expresso e a planta permanece vegetativa De Hayama e Cou pland 2004 Taiz20indd 602 Taiz20indd 602 27102016 101951 27102016 101951 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 603 ubiquitina e rapidamente degradada pelo proteassomo 26S ver Capítulo 2 A luz parece aumentar a estabilidade da proteína CO permitindo que ela se acumule durante o dia Isso explica por que CO promove o florescimento apenas quando a expressã o de seu mRNA coincide com o perí odo de luz No escuro a proteína CO não se acumula porque é rapidamente degradada No entanto a situação é mais complicada do que um simples interruptor luzescuro regulando a reciclagem de CO O efeito da luz na estabilidade de CO depende do fotorreceptor envolvido Fotorreceptores diferentes não apenas contribuem para estabelecer a fase do ritmo circa diano mas mais diretamente eles também afetam a acu mulação da proteína CO e o florescimento Durante a ma nhã a sinalização do phyB parece aumentar a degradação de CO enquanto à noite quando a proteína CO se acu mula em dias longos criptocromos e phyA antagonizam essa degradação e permitem à proteína CO se acumular ver Figura 2010 Tópico 206 na internet Como a proteína CO estimula o florescimento em plantas de dias longos CO um regulador transcricional promove o florescimento por estimulação da expressão de um sinal floral chave o FLOWERING LOCUS T FT Conforme é descrito posteriormente neste capítulo existe atualmente a evidência de que a proteína FT seja o sinal móvel no floema que estimula a evocação de flores no me ristema Uma rota similar é utilizada para promover o flo rescimento em SDPs como discutido a seguir SDPs usam um mecanismo de coincidência para inibir o florescimento em dias longos Estudos de florescimento no arroz SDP mostraram que o mecanismo básico de coincidência para a percepção do fotoperíodo é conservado nesta espécie e em Arabi dopsis Durante a longa história de cultivo do arroz me lhoristas identificaram alelos variantes de vários genes que modificam o comportamento do florescimento Os genes do arroz Headingdate1 Hd1 e Headingdate3a Hd3a codificam proteí nas homó logas a CO e FT res pectivamente de Arabidopsis Em plantas transgênicas a superexpressão de FT em Arabidopsis e de Hd3a no arroz resulta em rápido florescimento independen temente do fotoperíodo demonstrando que tanto FT quanto Hd3a são fortes promotores do florescimento Além disso a expressão de ambos os genes nativos FT e Hd3a é substancialmente elevada durante fotoperío dos indutivos dias longos em Arabidopsis e dias curtos no arroz Figura 2010C Também Hd1 do arroz e CO de Arabidopsis exibem padrões similares de acumulação circadiana de mRNA A diferença entre arroz e Arabidopsis é que no arroz SDP Hd1 atua como um inibidor da expressão de Hd3a Ou seja no arroz a coincidê ncia da expressã o de Hd1 e da sinalização luminosa por meio do fitocromo suprime o flo rescimento inibindo a expressã o de Hd3a Figura 2010D Ao contrário CO promove a expressão de seu gene a ju sante FT em Arabidopsis LDP Assim o florescimento no arroz SDP ocorre apenas quando Hd1 é expresso exclusi vamente no escuro Notavelmente as diferentes respostas ao fotoperíodo de SDPs versus LDPs são em parte devidas aos efeitos opostos desse componente COHd1 do siste ma de percepção fotoperiódico No entanto é importante observar que o fotoperio dismo é altamente complexo Outros mecanismos regu ladores que fazem o ajuste fino das respostas de SDPs e LDPs a mudanças no comprimento do dia certamente estão presentes O fitocromo é o fotorreceptor primário no fotoperiodismo Experimentos de quebra da noite sã o adequados para o estudo da natureza dos fotorreceptores ver Capítulo 16 envolvidos na recepç ã o dos sinais de luz durante a res posta fotoperió dica A inibição do florescimento em SDPs por quebras da noite foi um dos primeiros processos fi siológicos que mostraram estar sob controle do fitocromo Figura 2011 Em muitas SDPs uma quebra da noite tornase eficaz somente quando a dose de luz aplicada for suficiente para saturar a fotoconversão de Pr fitocromo que absorve a luz vermelha em Pfr fitocromo que absorve a luz vermelho distante ver Capítulo 16 Uma exposição subsequente à luz vermelhodistante que fotoconverte o pigmento de volta para a forma fisiologicamente inativa Pr restaura a resposta de florescimento Os espectros de ação para a inibição e a restauração da resposta de florescimento em SDPs são mostrados na Figura 2012 Um pico de 660 nm ponto de máxima absorção do Pr é obtido quando plântulas de Pharbitis cultivadas no escuro são utilizadas para evitar a inter ferência da clorofila Por outro lado os espectros para Xanthium dão um exemplo da resposta em plantas ver des nas quais a presença da clorofila pode causar algu ma discrepância entre o espectro de ação e o espectro de absorção de Pr Esses espectros de ação e a reversi bilidade vermelhovermelhodistante das respostas às quebras da noite confirmam o papel do fitocromo como o fotorreceptor que está envolvido na medição do foto período nas SDPs Outra demonstração do papel crítico do fitocromo no fotoperiodismo em SDPs vem de análises genéticas No arroz o gene PHOTOPERIOD SENSITIVITY5 Se5 codi fica uma proteína similar à HY1 de Arabidopsis Se5 e HY1 são enzimas que catalisam uma etapa na biossíntese do cromóforo dos fitocromos Mutações em Se5 fazem o ar roz florescer extremamente rápido independentemente da duraç ã o do dia Experimentos com quebras da noite em LDPs também mostraram o envolvimento do fitocromo Assim em al gumas LDPs uma quebra da noite com luz vermelha pro move o florescimento e uma exposição subsequente à luz vermelhodistante impede essa resposta ver Figura 2011 Taiz20indd 603 Taiz20indd 603 27102016 101951 27102016 101951 604 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Um ritmo circadiano na promoção do florescimento por luz vermelhodistante foi observado em LDPs de cevada Hordeum vulgare no joio Lolium temulentum e em Arabi dopsis Figura 2013 A resposta é proporcional à irradiâ ncia e à duraç ã o da luz vermelhodistante e é portanto uma resposta à alta irradiâ ncia HIR highirradiance response ver Capítulo 16 Como em outras HIRs phyA é o fitocromo ca paz de mediar a resposta à luz vermelhodistante Coerente com um papel do phyA no florescimento de LDPs mutaç õ es no gene PHYA atrasam o florescimento em Arabidopsis Contudo em algumas LDPs o papel do fitocromo é mais complexo do que em SDPs porque um fotorreceptor de luz azul também participa da resposta Um fotorreceptor de luz azul regula o florescimento em algumas plantas de dias longos Em algumas LDPs como Arabidopsis a luz azul pode pro mover o florescimento Isso sugere a possível participação de um fotorreceptor de luz azul no controle do floresci mento Conforme foi discutido no Capítulo 18 os crip tocromos codificados pelos genes CRY1 e CRY2 são fo torreceptores de luz azul que controlam o crescimento de plântulas de Arabidopsis Como observado anteriormente a proteína CRY tam bém foi implicada na sincronização do oscilador circadia no O papel da luz azul no florescimento e sua relação com os ritmos circadianos foram investigados pelo uso de uma 24 20 16 12 8 4 0 Horas Comprimento crítico da noite R R FR FR R R R FR FR R Planta de dias longos noites curtas Planta de dias curtos noites longas 500 600 700 800 100 50 0 Eficiência relativa da luz Comprimento de onda nm Inibição do flores cimento por uma quebra da noite Reversão da inibição pela quebra da noite Xanthium Xanthium Pharbitis Figura 2011 Controle do flo rescimento por fitocromo pela luz vermelha R red e vermelho distante FR farred Um flash de luz vermelha durante o período de escuro induz o florescimento em uma LDP sendo o efeito reverti do por um flash de luz vermelho distante Essa resposta indica o envolvimento do fitocromo Em SDPs um flash de luz vermelha impede o florescimento sendo o efeito revertido por um flash de luz vermelhodistante Figura 2012 O espectro de ação para o controle do floresci mento por quebras da noite mostra o envolvimento do fitocromo O florescimento nas SDPs é inibido por um curto tratamento de luz quebra da noite aplicado em um período que em outras circuns tâncias seria indutivo Na SDP X strumarium quebras da noite por luz vermelha de 620 a 640 nm são as mais eficazes A reversão do efeito da luz vermelha é máxima a 725 nm Na SDP Pharbitis nil cultivada no escuro a qual é destituída de clorofila e de sua inter ferência com a absorção da luz quebras da noite de 660 nm são as mais eficazes Esse máximo de 660 nm coincide com o máximo de absorção do fitocromo Dados para Xanthium de Hendricks e Sie gelman 1967 dados para Pharbitis de Saji et al 1983 Taiz20indd 604 Taiz20indd 604 27102016 101951 27102016 101951 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 605 construção gênica empregando como generepórter o da luciferase mencionado no Tópico 207 na internet Sob luz branca contí nua a luminescê ncia cí clica tem um período de 247 horas mas sob escuro constante o período pro longase para 30 a 36 horas A luz vermelha ou a azul for necidas individualmente encurta o período para 25 horas Para distinguir entre os efeitos de fitocromo e de um fotorreceptor de luz azul os pesquisadores transformaram mutantes hy1 fitocromodeficientes Eles têm síntese anor mal de cromóforos e portanto são deficientes em todos os fitocromos com a construção gênica da luciferase para de terminar o efeito da mutação no comprimento do período Sob luz branca contínua as plantas hy1 tiveram um período similar àquele do tipo selvagem indicando que pouco ou nenhum fitocromo é exigido para que a luz branca afete o período Além disso sob luz vermelha contínua que seria percebida apenas por phyB o período de hy1 foi significa tivamente aumentado ie ele se assemelhou mais às con dições de escuro constante enquanto o período não foi aumentado por luz azul contínua Esses resultados indicam que tanto o fitocromo quanto o fotorreceptor de luz azul estão envolvidos no controle do período O papel da luz azul na regulação dos ritmos circadia nos e do florescimento também é sustentado por estudos com um mutante de tempo de florescimento de Arabidop sis elf3 florescimento precoce 3 early flowering 3 ver Tópicos 207 e 208 na internet A confirmação de que um fotorreceptor de luz azul está envolvido na percepção de fotoperíodos indutivos em Arabidopsis foi proporciona da experimentalmente demonstrando que mutações em um dos genes do criptocromo CRY2 ver Capítulo 18 provocavam um retardo no florescimento e uma incapaci dade de perceber fotoperíodos indutivos Por outro lado plantas portando um alelo com ganho de funç ã o de CRY2 floresceram muito mais cedo do que o tipo selvagem Além disso os mutantes duplos cry1 cry2 flo resceram um pouco mais tarde do que cry2 em dias longos indicando alguma redundância funcional de CRY1 e CRY2 na promoção do tempo de florescimento em Arabidopsis Além de sua função em sincronizar o relógio circadiano é provável que os criptocromos como o phyA também re gulem o florescimento diretamente estabilizando a proteína CO permitindo que ela se acumule sob condições de dias longos Conforme já salientado a proteína CO atua como um promotor do florescimento em LDPs Vernalização promoção do florescimento com o frio A vernalização é o processo pelo qual a repressão do flores cimento é atenuada por um tratamento de frio dado a uma semente hidratada ie uma semente que foi embebida em água ou a uma planta em crescimento sementes secas não respondem ao tratamento de frio porque a vernalização é um processo metabólico ativo Sem o tratamento de frio as plantas que exigem a vernalização mostram retardo no florescimento ou permanecem vegetativas e não são com petentes para responder a sinais florais como fotoperíodos indutivos Em muitos casos essas plantas crescem como rosetas sem qualquer alongamento caulinar Figura 2014 Nesta seção são examinadas algumas características da exigência de frio para o florescimento incluindo a am plitude e a duração das temperaturas indutivas os sítios de percepção a relação com o fotoperiodismo e um possí vel mecanismo molecular A vernalização resulta em competência para o florescimento no meristema apical do caule As plantas diferem consideravelmente quanto à idade em que se tornam sensíveis à vernalização As anuais de inverno como as formas de inverno dos cereais que são semeadas no outono e florescem no verão seguinte res pondem a baixas temperaturas bastante cedo em seus ci clos de vida Na verdade muitas anuais de inverno podem ser vernalizadas antes da germinação ie emergência da radícula a partir da semente se as sementes tiverem sido embebidas em água e se tornado metabolicamente ati vas Outras plantas incluindo a maioria das bianuais que crescem como rosetas durante a primeira estação após a semeadura e florescem no verão seguinte precisam atin gir um tamanho mínimo antes de se tornarem sensíveis a baixas temperaturas para a vernalização Sensibilidade à luz 12 24 36 48 60 72 20 0 40 60 80 100 Período no qual a luz vermelhodistante foi fornecida h Aumento relativo no número de gemas florais do controle Sensibilidade à luz Figura 2013 Efeito da luz vermelhodistante na indução flo ral em Arabidopsis Aos tempos indicados durante um período de 72 horas contí nuas de luz do dia foram adicionadas 4 horas de luz vermelhodistante Os pontos no gráfico estão plotados nos centros dos tratamentos de 6 horas Os dados mostram um ritmo circadia no de sensibilidade à promoção do florescimento pela luz verme lhodistante linha vermelha Isso sustenta um modelo no qual o florescimento em LDPs é promovido quando o tratamento de luz nesse caso a luz vermelhodistante coincide com o pico de sensi bilidade à luz De Deitzer 1984 Taiz20indd 605 Taiz20indd 605 27102016 101952 27102016 101952 606 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento A amplitude efetiva de temperatura para a vernalizaç ã o vai de um pouco abaixo da temperatura de congelamen to até cerca de 10C com uma faixa ó tima entre 1 e 7C O efeito das temperaturas baixas aumenta com a duraç ã o do tratamento de frio até que a resposta seja saturada A resposta em geral requer várias semanas de exposição a temperaturas baixas mas a duração exata varia amplamen te conforme a espécie e a variedade A vernalização pode ser perdida em consequência da exposição a condições de desvernalização como altas temperaturas Figura 2015 Porém quanto maior for a exposição a baixas temperaturas mais permanente será o efeito da vernalização A vernalização parece ocorrer primariamente no me ristema apical do caule O resfriamento localizado causa o florescimento quando apenas o ápice caulinar é res friado e esse efeito parece ser bastante independente da temperatura experimentada pelo resto da planta Ápices caulinares excisados foram vernalizados com sucesso e onde a vernalização da semente é possível fragmentos de embrião consistindo essencialmente no ápice caulinar são sensíveis a baixas temperaturas Em termos de desenvolvimento a vernalização resul ta na aquisição da competência do meristema para sub meterse à transição floral No entanto conforme o que já foi discutido no capítulo a competência para florescer não assegura que o florescimento vá ocorrer Uma exigê ncia de vernalizaç ã o com frequência é atrelada a uma exigê ncia de um fotoperí odo especí fico A combinação mais comum é uma exigência de tratamento de frio seguida por uma exigência de dias longos uma combinação que leva ao florescimento no começo do verão nas latitudes altas ver Tópico 209 na internet A vernalização pode envolver mudanças epigenéticas na expressão gênica Para a vernalização ocorrer é necessário um metabolis mo ativo durante o tratamento de frio Fontes de energia Arabidopsis anual de inverno sem vernalização Arabidopsis anual de inverno com vernalização Figura 2014 A vernalizaç ã o induz o florescimento nos tipos anuais de inverno de Arabidopsis thaliana A planta à esquerda é uma anual de inverno que não foi exposta ao frio A planta à direi ta é uma anual de inverno geneticamente idêntica que foi expos ta como plântula a 40 dias de temperaturas um pouco acima do congelamento 4C Ela floresceu três semanas após o término do período de frio com cerca de nove folhas no caule primário Corte sia de Colleen Bizzell 8 6 4 2 100 80 60 40 20 0 Porcentagem de sementes que permanecem vernalizadas depois do tratamento de desvernalização Duração do tratamento de frio semanas Figura 2015 A duraç ã o da exposiç ã o a baixas temperaturas au menta a estabilidade do efeito da vernalizaç ã o Quanto mais tempo o centeio de inverno Secale cereale é exposto a um tratamento de frio maior é o número de plantas que permanecem vernalizadas quando o tratamento de frio é seguido por um tratamento de des vernalização Neste experimento as sementes de centeio embebi das em á gua foram expostas a 5C por diferentes períodos e apó s imediatamente submetidas a um tratamento de desvernalizaç ã o por trê s dias a 35C Dados de Purvis e Gregory 1952 Taiz20indd 606 Taiz20indd 606 27102016 101952 27102016 101952 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 607 açúcares e oxigênio são requeridos temperaturas abaixo do congelamento que suprimem a atividade metabólica não são eficazes para a vernalização Além disso a divisão celular e a replicação do DNA também parecem ser neces sárias Em algumas espé cies a vernalizaç ã o provoca uma mudanç a está vel na competê ncia do meristema para formar uma inflorescê ncia Um modelo de como a vernalização afeta estavelmen te a competência é que ocorrem mudanças no padrão de expressão gênica no meristema após o tratamento de frio que persistem na primavera e durante o resto do ciclo de vida As mudanças estáveis na expressão gênica que não envolvam alterações na sequência de DNA e que possam ser passadas para as células descendentes por mitose ou meiose são conhecidas como mudanças epigenéticas Como tal as mudanças epigenéticas na expressão gêni ca são estáveis mesmo depois do sinal nesse caso o frio que as induziu não estar mais presente Mudanças epige néticas da expressão gênica ocorrem em muitos organis mos de leveduras a mamíferos e com frequência exigem divisão celular e duplicação de DNA como é o caso da vernalização O envolvimento da regulação epigenética de um genealvo específico no processo de vernalização foi con firmado em Arabidopsis LDP Em tipos anuais de inverno dessa espécie que requerem tanto vernalização quanto dias longos para que o florescimento seja acelerado um gene que atua como repressor do florescimento foi identi ficado FLOWERING LOCUS C FLC O FLC é fortemen te expresso em regiões apicais do caule nã o vernalizados Após a vernalização esse gene é desligado epigenetica mente pelo resto do ciclo de vida da planta permitindo que ocorra o florescimento em resposta a dias longos Figura 2016 Na próxima geração no entanto o gene é Anual de inverno após 40 dias de frio Anual de inverno sem frio Anual de inverno sem frio mas com uma mutação no FLC mRNA de FLC Figura 2016 As plantas com uma exigência de vernalização são bastante atrasadas no florescimento ou não florescem a menos que pas sem por um período de frio prolon gado À esquerda A vernalizaç ã o bloqueia a expressã o do gene FLOWERING LOCUS C FLC em ecó tipos anuais de inverno de Arabi dopsis que requerem frio À direita Uma planta anual de inverno com uma mutaç ã o em FLC exibe flores cimento rápido sem tratamento de frio Fotos cortesia de R Amasino novamente ligado restaurando a exigência de frio Desse modo em Arabidopsis o estado de expressã o do gene FLC representa um determinante importante da competê ncia dos meristemas Em Arabidopsis tem sido mostrado que FLC atua reprimindo diretamente a expressão do sinal flo ral chave FT nas folhas assim como os fatores de transcri ção SOC1 e FD no meristema apical caulinar A regulaç ã o epigené tica de FLC envolve mudanças estáveis na estrutura da cromatina resultante do remo delação da cromatina ver Capítulo 2 A vernalizaç ã o faz a cromatina do gene FLC perder as modificaç õ es caracterí sticas da histona da eucromatina DNA ati vo transcricionalmente e adquirir modificaç õ es como metilaç ã o de resí duos especí ficos de lisina caracterí sticas da heterocromatina DNA inativo transcricionalmente A conversão do FLC induzida pelo frio de eucromatina em heterocromatina silencia o gene efetivamente Uma faixa de rotas de vernalização pode ter evoluído Muitas plantas que requerem vernalização germinam no outono tirando proveito das condições frescas e úmidas ótimas para seu crescimento A necessidade de vernaliza ção dessas plantas assegura que o florescimento não ocorra até a primavera permitindo que elas sobrevivam vegetati vamente no inverno flores são especialmente sensíveis à geada Uma planta vernalizando deve não apenas detectar a exposição ao frio mas também dispor de um mecanismo que mensure a duração dessa exposição Por exemplo se uma planta é exposta a um curto período de frio no início do outono seguido de um retorno a temperaturas mais quen tes é importante que ela não perceba a breve exposição ao frio como inverno e o subsequente clima quente como pri mavera Dessa forma a vernalização ocorre apenas após a exposição a uma duração de frio suficiente para indicar que uma estação completa de inverno passou Taiz20indd 607 Taiz20indd 607 27102016 101952 27102016 101952 608 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Um sistema similar de medir a duração do frio an tes que as gemas sejam liberadas da dormência opera em muitas plantas perenes que crescem em climas tempe rados O mecanismo que as plantas desenvolveram para medir a duraç ã o do frio nã o é conhecido mas em Arabi dopsis há genes que sã o induzidos apenas apó s a exposiç ã o a um longo período de frio e esses genes sã o cruciais ao processo de vernalizaç ã o Essa rota de vernalização aparenta não ser conservada em todas as plantas floríferas Conforme já discutido FLC é o repressor do florescimento responsável pela necessi dade de vernalização em Arabidopsis O FLC codifica uma proteí na MADS box que é relacionada a proteí nas regulado ras discutidas mais adiante no capí tulo como DEFICIENS e AGAMOUS que estã o envolvidas no desenvolvimento flo ral Em cereais um gene que codifica um tipo diferente de proteína uma proteína contendo dedosdezinco chamada de VRN2 vernalização 2 atua como repressor do floresci mento que cria uma necessidade de vernalização Parece que os principais grupos de plantas floríferas evoluíram em climas quentes e por isso não desenvolve ram um mecanismo para medir a duração do inverno Ao longo do tempo geoló gico as regiões da Terra gradualmente desenvolveram um clima temperado devido à deriva con tinental e a outros fatores Membros de muitos grupos de plantas adaptaramse a esses novos nichos temperados com o desenvolvimento de respostas como a vernalização e a dormência de gemas sendo provável que essas respostas tenham evoluído independentemente em diferentes grupos Sinalização de longa distância envolvida no florescimento Embora a evocação floral ocorra nos meristemas apicais de caules em plantas fotoperiódicas os fotoperíodos indutivos são percebidos pelas folhas Isso sugere que um sinal de longo alcance deve ser transmitido a partir das folhas para o ápice o que tem sido demonstrado experimentalmente por múltiplos experimentos de enxertia em muitas espécies diferentes de plantas A natureza bioquímica desse sinal confundiu por muito tempo os fisiologistas O problema foi finalmente resolvido utilizandose abordagens de genética molecular e o estímulo floral foi identificado como uma proteína Nesta seção são revisados os antecedentes para a descoberta do estímulo floral conhecido como floríge no que serve como um sinal de longa distância durante o florescimento Também serão descritos vários outros sinais bioquímicos que podem servir como ativadores ou como inibidores do florescimento Os estudos de enxertia geraram a primeira evidê ncia de um estí mulo floral transmissí vel A produção em folhas induzidas fotoperiodicamente de um sinal bioquímico transportado para um tecidoalvo dis tante o ápice caulinar onde estimula uma resposta flo rescimento satisfaz um importante critério para um efeito hormonal Na década de 1930 Mikhail Chailakhyan traba lhando na Rússia postulou a existência de um hormônio universal de florescimento que ele denominou florígeno A evidência que apoia o florígeno vem principal mente de experimentos nos quais plantas receptoras não induzidas foram estimuladas a florescer ao receberem uma folha ou um caule de uma planta doadora fotope riodicamente induzida enxertado nelas Por exemplo em P crispa SDP a enxertia de uma folha de uma planta cul tivada sob dias curtos indutivos em uma planta cultiva da sob dias longos nã o indutivos provoca o florescimento nesta ú ltima Figura 2017 Além disso o estímulo floral parece ser o mesmo em plantas com diferentes exigências fotoperiódicas Assim a enxertia de uma folha induzida de Nicotiana sylvestris LDP cultivada sob dias longos no tabaco Maryland Mammoth SDP fez o último florescer sob condições não indutivas dias longos As folhas de DNPs também produziram um estímulo floral transmissível por enxertia Tabela 202 Por exemplo a enxertia de uma única folha de um cultivar de dias neutros de soja Agate no cultivar de dias curtos Biloxi causou N de RT Nessa época União Soviética Figura 2017 Demonstraç ã o por enxertia de um estí mulo floral gerado na folha de P crispa SDP À esquerda O enxerto de uma folha induzida de uma planta cultivada sob dias curtos em um ramo não induzido fez os ramos axilares produzirem flores A folha doadora foi aparada para facilitar a enxertia e as folhas superiores do porta enxerto foram removidas para promover a translocação no floema do enxerto para os ramos receptores À direita A enxertia de uma folha nã o induzida de uma planta cultivada sob dias longos resultou na formaç ã o de ramos apenas vegetativos Cortesia de J A D Zeevaart Taiz20indd 608 Taiz20indd 608 27102016 101952 27102016 101952 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 609 florescimento em Biloxi mesmo quando o último foi man tido sob dias longos não indutivos Da mesma forma uma folha de um cultivar de dias neutros de tabaco Nicotiana ta bacum cv Trapezond enxertada em N sylvestris LDP indu ziu a última a florescer sob dias curtos não indutivos Estudos de enxertia também mostraram que em al gumas espécies como Xanthium SDP Bryophyllum SLDP e Silene LDP não só pode ser induzido o florescimento por enxertia como o estado induzido em si parece ser au topropagável ver Tópico 2010 na internet Em alguns casos o florescimento foi induzido por enxertos entre gê neros diferentes X strumarium SDP floresceu sob condi ções de dias longos quando um portaenxerto vegetativo de Xanthium foi enxertado com ramos em flor de Calendula officinalis Do mesmo modo a enxertia de um ramo de Pe tunia hybrida LDP em um portaenxerto do meimendro negro Hyoscyamus niger bianual que requer frio fez a última florescer sob dias longos embora ela não tivesse sido vernalizada Figura 2018 Em P crispa ver Figura 2017 o movimento do estí mulo floral de uma folha doadora ao portaenxerto através da união da enxertia correlacionouse fortemente com a translocação de assimilados marcados com 14C do doador esse movimento dependeu do estabelecimento da conti nuidade vascular através da união da enxertia Esses re sultados confirmaram estudos anteriores de anelamento mostrando que o estímulo floral é translocado junto com fotoassimilados no floema O florígeno é translocado no floema O estímulo floral fotoperiódico derivado das folhas é trans locado via floema para o meristema apical do caule onde promove a evocação floral Tratamentos que bloqueiam o transporte no floema como o anelamento ou a morte lo calizada pelo calor bloqueiam o florescimento pois impe dem o movimento do estímulo foral para fora da folha É possível medir as taxas de movimento do florígeno através da remoção da folha em momentos diferentes após a indução e pela comparação do tempo necessário para o si nal atingir duas gemas localizadas em distâncias diferentes da folha induzida O raciocínio para esse tipo de medição é que uma quantidade mínima do composto de sinalização alcançou a gema quando o florescimento ocorre a despeito da remoção da folha Desse modo o tempo para que uma quantidade suficiente de sinal deixe a folha pode ser deter minado Além disso a comparação dos tempos de indução TABELA 202 A transmissão do sinal de floração ocorre pela junção na enxertia Plantas doadoras mantidas sob condições indutoras do florescimento Tipo de fotoperíodoab Planta receptora vegetativa induzida a florescer Tipo de fotoperíodoab Helianthus annus DNP em LD H tuberosus SDP em LD Nicotiana tabacum Delcrest DNP em SD N sylvestris LDP em SD Nicotiana sylvestris LDP em LD N tabacum Maryland Mammoth SDP em LD Nicotiana tabacum Maryland Mammoth SDP em SD N sylvestris LDP em SD Nota A transferência bemsucedida de um sinal indutor de florescimento pela enxertia entre plantas de grupos de respostas fotoperiódicas diferentes demonstra a existência da eficiência de um hormônio floral transmissível aLDPs plantas de dias longos SDPs plantas de dias curtos DNPs plantas de dias neutros bLD dias longos long days SD dias curtos short days Figura 2018 Transferê ncia bemsucedida do estí mulo floral entre gê neros diferentes o enxerto ramo à direita é P hibrida LDP e o portaenxerto é meimendronegro H niger nã o vernalizado A combinaç ã o enxertada foi mantida sob dias longos Cortesia de J A D Zeevaart Taiz20indd 609 Taiz20indd 609 27102016 101952 27102016 101952 610 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento para duas gemas diferentemente posicionadas fornece uma medida da taxa do movimento do sinal ao longo do caule Estudos utilizando esse método demonstraram que a velocidade de movimento do sinal de florescimento é comparável ou pouco mais lenta que a velocidade de translocação de açúcares no floema ver Capítulo 11 Por exemplo a exportação do estímulo floral de folhas adultas de Chenopodium SDP é completada em 225 horas a par tir do início do período de noite longa Em Sinapis LDP o movimento do estímulo floral exportado da folha já está completo 16 horas após o início do período de dia longo Por ser translocado junto com os açúcares no floema o estímulo floral está sujeito às relações de fontedreno Uma folha induzida posicionada próxima ao ápice do caule tem maior probabilidade de causar florescimento do que uma folha induzida na base do caule que normalmente nutre as raízes Da mesma forma as folhas não induzidas posicionadas entre folhas induzidas e a gema apical ten dem a inibir o florescimento por servirem de fontes pre feridas para as gemas impedindo assim o estímulo floral da folha induzida mais distal de atingir seu alvo A identificação do florígeno Experimentos pioneiros de enxertia do tipo descrito an teriormente estabeleceram a importância de um sinal de longo alcance da folha para o meristema apical para es timular o florescimento Desde a dé cada de 1930 houve muitas tentativas malsucedidas no sentido de isolar e ca racterizar o florígeno Um avanço importante foi a identi ficação do FT em Arabidopsis por meio de triagens gené ticas A proteína de Arabidopsis FLOWERING LOCUS T FT é um florígeno De acordo com o modelo de coincidência o florescimento em LDPs como Arabidopsis ocorre quando o gene COS é expresso durante o período de luz A expressã o do gene CO parece atingir o ní vel mais alto nas células compa nheiras do floema de folhas e caules O genealvo a jusan te de CO FLOWERING LOCUS T FT també m é expresso especificamente nas células companheiras Coerente com a localização de CO no floema mu tantes co com uma resposta fotoperiódica anormal po diam ser resgatados O resgate é feito mediante expressão de CO especificamente no floema das nervuras menores de folhas maduras usando uma construção de promotor específica para células companheiras Ao contrário a ex pressão de CO nos meristemas apicais dos mutantes co não restabeleceu a resposta fotoperiódica Assim CO parece atuar especificamente no floema de folhas para estimular o florescimento em resposta a dias longos Além disso o florescimento pode ser induzido no mutante co pela enxer tia de ramos transgênicos que expressam CO no floema de suas folhas Essa observaç ã o sugere que a expressã o de CO origina um estí mulo floral transmissí vel via enxertia que pode provocar o florescimento no meristema apical A sinalização da atividade de CO é mediada pela ex pressão de FT Em Arabidopsis a expressão de CO duran te dias longos resulta em aumento do mRNA de FT No entanto ao contrá rio de CO FT estimula o florescimento quando expresso nas células companheiras ou no meris tema apical Bioquimicamente FT é uma proteína globular peque na relacionada com uma família de proteínas reguladoras conservadas entre leveduras em crescimento e vertebra dos A expressão do gene FT ou dos seus similares como Hd3a no arroz discutido anteriormente é induzida em uma gama de espécies durante seus fotoperíodos indu tivos de florescimento Quando o gene FT é introduzido em uma gama de espé cies vegetais cujo florescimento nã o é influenciado pelo fotoperí odo ele ocasiona um flo rescimento independente do fotoperí odo Além disso a proteína FT pode moverse das folhas para o meristema apical e então exibir todas as propriedades esperadas do florígeno De acordo com o modelo atual a proteí na FT move se via floema da folha ao meristema sob fotoperí odos indutivos Há duas etapas críticas nesse processo a ex portação da FT das células companheiras aos elementos de tubo crivado e a ativação dos genesalvo FT no ápice caulinar que desencadeia o desenvolvimento floral O retículo endoplasmático RE é uma das rotas principais para o transporte de proteínas das células companheiras aos elementos de tubo crivado A proteína localizada no RE FT INTERACTING PROTEIN1 FTIP1 é necessária para o movimento da FT na corrente de translocação do floema que a leva para o meristema Figura 2019 Uma vez no meristema floral a proteí na FT entra no núcleo e forma um complexo com FLOWERING D FD um fator de transcriç ã o do tipo zí per de leucina bá sica bZIP expresso no meristema O complexo de FT e FD entã o ativa os ge nes de identidade floral como o APETALA1 AP1 Em Arabidopsis esses eventos colocam em movimento circuitos de retroalimentaç ã o positiva que mantê m o me ristema em estado de florescimento Após ser ativada pela proteína FT a FD desencadeia a expressão de SOC1 e AP1 Ambos os genesalvo ativam LEAFY LFY gene de identi dade floral que será discutido mais adiante neste capítulo LFY ativa diretamente a expressão de AP1 e FD forman do dois circuitos de retroalimentação positiva ver Figura 2019 Devido à ação desses circuitos de retroalimentação positiva a iniciação da floração em Arabidopsis é irreversí vel No entanto os meristemas de algumas espécies não possuem esses circuitos de retroalimentação positiva e como consequência revertem a produção de folhas na au sência de um fotoperíodo indutivo contínuo Giberelinas e etileno podem induzir o florescimento Entre os hormônios de crescimento que ocorrem natural mente as giberelinas GAs ver Capítulo 15 podem ter uma forte influência no florescimento ver Tópico 2011 na internet A GA exó gena pode evocar o florescimento Taiz20indd 610 Taiz20indd 610 27102016 101952 27102016 101952 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 611 Nervura foliar visão transversal SOC1 FT proteína FT FT FT FD FD FLC AP1 AP1 LFY Genes homeóticos florais LFY Genes homeóticos florais Meristema floral Meristema floral Meristema da inflorescência Primórdio foliar Célula companheira Elemento crivado RE FTIP1 Qualidade da luz Comprimento do dia Temperatura Núcleo SER Plasmodesmos Poro da placa crivada Primórdio foliar Giberelina Número de folhas Temperatura baixa Sacarose 4 1 2 3 5 6 1 O mRNA de FT é expresso nas células companheiras das nervuras foliares em resposta a múltiplos sinais incluindo o comprimento do dia a qualidade da luz e a temperatura 2 FTIP1 medeia o transporte do FT através de uma rede contínua no RE entre as células companheiras e os elementos de tubo crivado 3 FT movese no floema das folhas para o meristema apical 4 FT é descarregado do floema no meristema e interage com FD 5 O complexo FTFD ativa SOC1 no meristema da inflorescência e AP1 no meristema floral o qual desencadeia a expressão de LFY 6 LFY e AP1 desencadeiam a expressão dos genes homeóticos florais As rotas autônomas e de vernalização regulam negativamente o FLC o qual age como um regulador negativo de SOC1 no meristema e como um regulador negativo de FT nas folhas Complexo célula companheira elemento crivado Floema Xilema Figura 2019 Múltiplos fatores regulam o flores cimento em Arabidopsis As setas vermelhas indicam a direção do transporte de FT RE retículo endoplas mático SER retículo do elemento crivado De Liu et al 2013 Taiz20indd 611 Taiz20indd 611 27102016 101952 27102016 101952 612 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento quando aplicada em LDPs em roseta como Arabidopsis ou em plantas de duraç ã o de dia duplo como Bryophyllum quando cultivadas sob dias curtos As GAs parecem promover o florescimento em Arabi dopsis pela ativaç ã o da expressã o do gene LEAFY A ati vação de LFY por GA é mediada pelo fator de transcrição GAMYB que é regulado negativamente pelas proteínas DELLA ver Capítulo 18 Alé m disso os ní veis de GAMYB també m sã o modulados por um microRNA que promove a degradaç ã o do transcrito de GAMYB ver Capítulo 18 GAs aplicadas exogenamente também podem evocar o florescimento em algumas SDPs sob condições não induti vas e em plantas que exigem frio e que não foram vernali zadas Conforme discussão anterior pela adição de GAs a formação de cones também pode ser promovida em plantas juvenis de várias famílias de gimnospermas Desse modo em algumas plantas GAs exógenas podem substituir o ga tilho da idade no florescimento autônomo assim como os sinais ambientais primários de comprimento do dia e tem peratura Conforme discussã o no Capí tulo 18 as plantas contê m muitos compostos do tipo GA Esses compostos na maioria são precursores ou metabólitos inativos de formas ativas de GA Nas plantas o metabolismo de GA é fortemente afe tado pelo comprimento do dia Por exemplo no espinafre Spinacia oleracea LDP os níveis de GAs são relativamen te baixos sob dias curtos e as plantas mantêm a forma de roseta Depois que as plantas sã o transferidas para dias longos os ní veis de todas as GAs da rota 13hidroxilada GA53 GA44 GA19 GA20 GA1 ver Apêndice 3 na internet aumentam No entanto o aumento de cinco vezes na GA fisiologicamente ativa GA1 é que causa o alongamento pronunciado do caule que acompanha o flo rescimento Além das GAs outros hormônios de crescimento podem inibir ou promover o florescimento Um exemplo comercialmente importante é a notável promoção do flo rescimento no abacaxi Ananas comosus pelo etileno ou compostos liberadores de etileno uma resposta que parece ser restrita a membros da família do abacaxi Bromeliaceae A transição para o florescimento envolve múltiplos fatores e rotas Tornase evidente que a transição para o florescimento en volve um sistema complexo de fatores que interagem São necessários sinais transmissíveis gerados na folha para a determinação do ápice caulinar tanto em espécies regula das autonomamente quanto nas fotoperiódicas Estudos genéticos estabeleceram que há quatro rotas de desenvolvimento distintas que controlam o floresci mento em Arabidopsis LDP ver Figura 2019 A rota fotoperió dica começ a na folha e envolve fito cromos e criptocromos Observe que phyA e phyB tê m efeitos contrastantes sobre o florescimento ver Tó pico 206 na internet Em LDPs sob condiç ões de dias longos a interaç ã o desses fotorreceptores com um reló gio circadiano inicia uma rota que resulta na expressã o de CO nas cé lulas companheiras do floema da folha CO ativa a expressão de seu genealvo a jusante FT no floema A proteí na FT florí geno movese nos elementos de tubo crivado e é transloca da para o meristema apical onde estimula o floresci mento Conforme mostrado na ampliaç ã o do meriste ma na Figura 2019 a proteí na FT forma um complexo com o fator de transcriç ã o FD O complexo FDFT então ativa genesalvo a jusante como SOC1 AP1 e LFY os quais ligam genes homeóticos florais nos flan cos do meristema da inflorescência No arroz SDP o homólogo CO Hd1 atua como um ini bidor do florescimento Durante condições indutivas de dias curtos no entanto a proteína Hd1 não é produzida A ausência de Hd1 estimula a expressão do gene Hd3a nas células companheiras floema Hd3a é correspon dente a FT A proteína Hd3a é então translocada via tubos crivados para o meristema apical onde se acredita que estimule o florescimento por meio de uma rota si milar àquela em Arabidopsis Nas rotas autônoma e de vernalização o florescimento ocorre em resposta a sinais internos a produção de um número fixo de folhas ou a baixas temperatu ras Na rota autônoma de Arabidopsis todos os genes associados à rota são expressos no meristema A rota autô noma atua reduzindo a expressã o do gene repres sor do florescimento FLC um inibidor da expressã o de SOC1 A vernalização também reprime o FLC mas talvez por um mecanismo diferente um interruptor epigenético Como o gene FLC é um alvo em comum as rotas autônoma e de vernalização são agrupadas A rota da GA é necessária para o florescimento precoce ou para o florescimento sob dias curtos não indutivos Essa rota envolve GAMYB como um intermediá rio o qual promove o LFY a GA também pode interagir com SOC1 por meio de uma rota separada Todas as quatro rotas convergem aumentando a ex pressão dos reguladoreschave florais FT no feixe vascular e SOC1 LFY e AP1 no meristema ver Figura 2019 Como será visto adiante neste capítulo a expressã o de genes como SOC1 LFY e AP1 por sua vez ativa genes a jusante como AP3 PISTILLATA PI e AGAMOUS AG necessá rios para o desenvolvimento de ó rgã os florais Meristemas florais e desenvolvimento de órgãos florais Uma vez que tenha acontecido a evocação floral o tra balho de construir flores inicia As formas das flores são extremamente diversas refletindo adaptações para pro teger gametófitos em desenvolvimento atrair poliniza dores promover autopolinização ou polinização cruzada e produzir e dispersar frutos e sementes Apesar dessa di Taiz20indd 612 Taiz20indd 612 27102016 101952 27102016 101952 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 613 versidade estudos moleculares e genéticos identificaram uma rede de genes que controlam a morfogênese floral em flores tão diferentes quanto as Arabidopsis e bocadeleão Antirrhinum majus Variações nessa rede reguladora tam bém parecem ser responsáveis pela morfogênese floral em outras espécies Nesta seção é abordado o desenvolvimento floral em Arabidopsis que tem sido estudado amplamente De início são delineadas as alterações morfológicas básicas que ocorrem durante a transição da fase vegetativa para a reprodutiva Em seguida será considerado o arranjo dos órgãos florais em quatro verticilos no meristema assim como os tipos de genes que governam o padrão normal de desenvolvimento floral Em Arabidopsis o meristema apical do caule muda com o desenvolvimento Os meristemas florais geralmente podem ser distinguidos dos meristemas vegetativos por seus tamanhos maiores No meristema vegetativo as células da zona central com pletam seus ciclos de divisão lentamente A transição do desenvolvimento vegetativo para o reprodutivo é marcada por um aumento na frequência de divisões celulares den tro da zona central do meristema apical do caule ver Capí tulo 17 O aumento do tamanho do meristema é conside ravelmente um resultado do aumento da taxa de divisões dessas células centrais Durante a fase de crescimento vegetativo o meristema apical de Arabidopsis produz folhas em nós muito próximos entrenós são muito curtos resultando em uma roseta de folhas basais Figura 2020 Quando o desenvolvimento reprodutivo é iniciado o meristema vegetativo é trans formado em meristema primário da inflorescência que produz uma inflorescência alongada gerando dois tipos de órgãos laterais folhas e flores derivadas do caule As gemas axilares das folhas desenvolvemse em meristemas secun dários da inflorescência e sua atividade repete o padrão de desenvolvimento do meristema primário da inflorescência O meristema da inflorescência de Arabidopsis tem o poten cial para crescer indefinidamente e portanto exibe cresci mento indeterminado As flores surgem a partir dos meris temas florais que se formam nos flancos do meristema da inflorescência Figura 2021 Ao contrário do meristema da inflorescência o meristema floral é determinado Os quatro tipos diferentes de órgãos florais são iniciados como verticilos separados Os meristemas florais iniciam quatro tipos diferentes de órgãos florais sépalas pétalas estames e carpelos Esses conjuntos de órgãos são iniciados em anéis concêntricos denominados verticilos ao redor dos flancos do meris tema Figura 2022 O início dos órgãos mais internos os carpelos consome todas as células meristemáticas no domo apical sendo que apenas os primórdios dos órgãos florais regiões localizadas de células em divisão estão presentes à medida que a gema floral se desenvolve Em Arabidopsis os verticilos estão organizados como a seguir O primeiro verticilo mais externo consiste em quatro sépalas que são verdes quando maduras O segundo é composto de quatro pétalas que são brancas quando maduras O terceiro contém seis estames as estruturas repro dutivas masculinas dois dos quais são mais curtos do que os outros quatro O quarto verticilo mais interno é um único órgão complexo o gineceu ou pistilo a estrutura reproduti va feminina que é composto de um ovário com dois carpelos fusionados cada um contendo numerosos rudimentos seminais óvulos e um estilete curto ter minando no estigma Figura 2020 A O meristema apical caulinar em Arabidopsis tha liana gera diferentes órgãos em dife rentes estágios de desenvolvimento No começo do desenvolvimento o meristema apical do caule forma uma roseta de folhas basais Quando a planta faz a transição para o flores cimento o meristema apical do caule é transformado em um meristema da inflorescência primária que essen cialmente produz um caule alonga do contendo flores Os primórdios foliares iniciados antes da transição floral desenvolvemse sobre o caule profilos e inflorescências secundá rias desenvolvemse nas axilas des sas folhas emitidas pelo caule B Fotografia de uma planta florífera de Arabidopsis Cortesia de Richard Amasino Profilo Folha da roseta Inflorescência secundária A B Inflorescência primária Flor Taiz20indd 613 Taiz20indd 613 27102016 101952 27102016 101952 614 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Duas categorias principais de genes regulam o desenvolvimento floral Os estudos de mutações possibilitaram a identificação de duas classes principais de genes que regulam o desenvol vimento floral genes de identidade de meristemas e genes de identidade de órgãos florais 1 Genes de identidade de meristema florais codificam fatores transcricionais que são necessários para o início da indução dos genes de identidade de órgãos florais Eles são os reguladores positivos da identidade de ór gãos florais no meristema floral em desenvolvimento 2 Genes de identidade de órgãos florais controlam di retamente a identidade de órgãos florais As proteínas codificadas por esses genes são fatores transcricionais que interagem com outros cofatores proteicos visan do controlar a expressão de genes a jusante cujos pro dutos estão envolvidos na formação ou na função de órgãos florais Enquanto certos genes se ajustam claramente dentro dessas categorias é importante ter em mente que o desen volvimento floral envolve redes de genes complexas e não lineares Nessas redes frequentemente genes individuais desempenham muitos papéis Por exemplo a evolução recrutou o mesmo fator de transcrição APETALA2 para primeiro regular a identidade do meristema floral e após a identidade do órgão floral Tabela 203 Genes de identidade de meristemas florais regulam a função do meristema Genes de identidade de meristemas florais devem estar ativos para que os primórdios imaturos formados nos flancos do meristema apical caulinar ou meristema da inflorescência se tornem meristemas florais Lembrese que um meristema apical que está formando meristemas em seus flancos é conhecido como meristema da inflo A B Flores em desenvolvimento Meristemas florais Meristema da inflorescência Figura 2021 Cortes longitudinais da região apical vegetativa A e reprodutiva B do caule de Arabidopsis Cortesia de V Grbic e M Nelson Campo 1 Campo 2 Campo 3 Estame Carpelo Pétala Sépala Sistema vascular Verticilo 1 sépalas Verticilo 2 pétalas Verticilo 3 estames Verticilo 4 carpelos A Corte longitudinal de uma flor em desenvolvimento B Corte transversal de uma flor em desenvolvimento mostrando os verticilos florais C Diagrama esquemático dos campos de desenvolvimento Figura 2022 Órgãos florais são iniciados sequencialmente pelo meristema floral de Arabidopsis A e B Os órgãos florais são pro duzidos como verticilos sucessivos círculos concêntricos iniciando com as sépalas e progredindo para o interior C De acordo com o modelo combinatório as funções de cada verticilo são determina das por três campos de desenvolvimento sobrepostos Esses cam pos correspondem ao padrão de expressão de genes específicos de identidade de órgãos florais De Bewley et al 2000 Taiz20indd 614 Taiz20indd 614 27102016 101952 27102016 101952 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 615 rescência ver Figura 2021 Por exemplo mutantes de bocadeleão Antirrhinum que têm um defeito no gene de identidade de meristema floral FLORICAULA FLO de senvolvem uma inflorescência que não produz flores Em vez do desenvolvimento de meristemas florais nas axilas das brácteas os mutantes flo desenvolvem nesses locais meristemas de inflorescência adicionais Desse modo o gene tipo selvagem FLO controla a etapa que determina o estabelecimento da identidade do meristema floral Em Arabidopsis LFY FD SUPPRESSOR OF OVEREX PRESSION OF CONSTANS1 SOC1 e AP1 estão entre os genes críticos na rota genética que deve ser ativada para es tabelecer a identidade do meristema floral ver Tabela 203 O LFY é em Arabidopsis a versão do gene FLO de Antir rhinum Como visto anteriormente neste capítulo LFY FD e SOC1 desempenham papéis centrais na evocação floral mediante integração de sinais de várias rotas diferentes en volvendo tanto sinais ambientais quanto internos Mutantes TABELA 203 Genes que regulam o florescimento Gene Família do fator transcricional Funções Domínios de expressão Ortólogos CONSTANS CO Dedosdezinco Ativa o florescimento em resposta a fotoperíodos longos Nas folhas sob fotoperíodos longos AtCO batata Hd1 arroz FLOWERING D FD bZIP Receptor do florígeno ativa o florescimento via AP1 No ápice caulinar OsFD1 arroz SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1 SOC1 MADS Ativa o florescimento a jusante do florígeno Folhas e ápice PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR4 PIF4 bHLH Ativa o florígeno em resposta a altas temperaturas Folhas e ápice FLOWERING LOCUS C MADS Repressor floral Folhas e ápice SHORT VEGETATIVE PHASE SVP MADS Reprime o florescimento sob baixas temperaturas Folhas e ápice FLOWERING LOCUS M FLM MADS Reprime o florescimento Folhas e ápice LEAFY LFY LFY Gene de identidade do meristema floral Ápice caulinar RLF arroz FLORICAULA Antirrhinum APETALA1 AP1 MADS Gene homeótico da Classe A identidade do meristema Meristemas florais verticilo 1 SQUAMOSA Antirrhinum ZAP1 GLOSSY15 milho Zea mays APETALA2 AP2 AP2EREBP Gene homeótico da Classe A identidade do meristema Meristemas florais verticilo 1 BRANCHED FLORETLESS1 milho PISTILLATA PI MADS Gene homeótico da Classe B Verticilos 2 e 3 GLOBOSA Antirrhinum AGAMOUS AG MADS Gene homeótico da Classe C Verticilos 3 e 4 PLENA e FARINELLI Antirrhinum ZAG1 e ZMM2 milho SEPALLATA SEP 1 2 3 4 MADS Gene homeótico da Classe E Verticilos 1 a 4 DEFH49 DEFH200 DEFH72 AmSEP3B Antirrhinum ZMM3 8 14 milho CAULIFLOWER CAL MADS Identidade do meristema Meristema floral FRUITFULL FUL MADS Identidade do meristema floral Meristema floral e folhas caulinares Taiz20indd 615 Taiz20indd 615 27102016 101952 27102016 101952 616 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento duplos lfy e fd não conseguem formar flores enfatizando os papéis de LFY e FD como genes de identidade de meristemas florais que servem como reguladores principais para o início do desenvolvimento floral As mutações homeóticas levaram à identificação dos genes de identidade de órgãos florais Os genes que determinam a identidade dos órgãos flo rais foram descobertos como mutantes homeóticos flo rais Mutações na moscadafruta Drosophila levaram à identificação de um conjunto de genes homeóticos codifi cadores de fatores de transcrição que determinam os lo cais em que estruturas específicas se desenvolvem Genes homeóticos atuam como importantes controladores do desenvolvimento que ativam todo o programa genético para determinada estrutura Assim a expressão dos genes homeóticos confere identidade aos órgãos Os genes de identidade de órgãos florais foram iden tificados pela primeira vez como mutações homeóticas em genes únicos que alteravam a identidade do órgão floral causando o aparecimento de alguns órgãos florais em lo cais errados Inicialmente foram identificados cinco ge neschave em Arabidopsis que especificam a identidade de órgãos florais AP1 APETALA2 AP2 APETALA3 AP3 PI e AG Mutações nesses genes alteraram bastante a es trutura e portanto a identidade dos órgãos florais pro duzidos em dois verticilos adjacentes Figura 2023 Por exemplo plantas com a mutação ap2 não tinham sépalas e pétalas ver Figura 2023B Plantas com a mutação ap3 ou pi produziam sépalas em vez de pétalas no segundo verti cilo e carpelos em vez de estames no terceiro verticilo ver Figura 2023C As plantas homozigotas para a mutação ag não possuíam estames e carpelos ver Figura 2023D Uma vez que mutações nesses genes mudam a identidade dos órgãos florais sem afetar a iniciação das flores eles são por definição genes homeóticos O papel dos genes de identidade de órgãos no de senvolvimento floral é ilustrado de forma marcante por experimentos nos quais duas ou três atividades são eli minadas por mutações de perda de função Em mutan tes quádruplos de Arabidopsis ap1 ap2 ap3pi e ag os meristemas florais não produzem mais órgãos florais porém produzem estruturas similares a folhas esses ór gãos similares a folhas são produzidos com uma filotaxia verticilada típica de flores normais Figura 2024 Esse resultado experimental demonstra que as folhas são o estado basal dos órgãos produzidos pelos meristemas caulinares e que as atividades de genes adicionais tais como AP1 e AP2 são requeridas para converter os órgãos do estado basal similares a folhas em pétalas sépalas estames e pistilos Esse experimento sustenta a ideia do poeta e naturalista alemão Johann Wolfgang von Goethe 17491832 que especulou que os órgãos florais são fo lhas altamente modificadas Estame Carpelo Pétala Sépala Tipo selvagem apetala22 pistillata2 agamous1 A B C D Figura 2023 As mutações nos ge nes de identidade de órgãos florais alte ram drasticamente a estrutura da flor A O tipo selvagem de Arabidopsis mostra uma estrutura normal em todos os quatro componentes florais B Mutantes apeta la22 não possuem sépalas e pétalas C Mutantes pistillata2 não possuem pétalas e estames D Mutantes agamous1 não possuem estames e carpelos Fotos de Meyerowitz et al 2002 cortesia de J L Riechmann Figura 2024 Um mutante quádruplo de Arabidopsis ap1 ap2 ap3pi ag produz estruturas similares a folhas no lugar dos órgãos florais Cortesia de John Bowman Taiz20indd 616 Taiz20indd 616 27102016 101952 27102016 101952 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 617 O modelo ABC explica parcialmente a determinação da identidade do órgão floral Os cinco genes de identidade dos órgãos flo rais descritos anteriormente enquadramse em três classes A B e C definindo três diferentes tipos de atividades codificadas por três tipos distintos de genes Figura 2025 A atividade da Classe A codificada por AP1 e AP2 controla a identidade dos órgãos no primeiro e no segundo verti cilos A perda da atividade da Classe A resulta na formação de carpelos em vez de sépalas no primeiro verticilo e de estames em vez de pétalas no segundo A atividade da Classe B codificada por AP3 e PI controla a determinação dos órgãos no segundo e no terceiro vertici lo A perda da atividade da Classe B re sulta na formação de sépalas em vez de pétalas no segundo verticilo e de car pelos em vez de estames no terceiro A atividade da Classe C codificada pelo AG controla eventos no terceiro e no quarto verticilos A perda da ativi dade da Classe C resulta na formação de pétalas em vez de estames no terceiro verticilo Além disso na ausência da atividade da Classe C o quarto verticilo normalmente um carpelo é substi tuído por uma flor nova Como consequência o quarto verticilo de uma flor mutante ag é ocupado por sépa las O meristema floral não é mais determinado Flores continuam a se formar dentro de flores e o padrão dos órgãos de fora para dentro é sépala pétala pétala sépala pétala pétala e assim por diante O modelo ABC explica muitas observações em duas es pécies de eudicotiledôneas distantemente relacionadas bocadeleão e Arabidopsis e promove uma compreensão de como relativamente poucos reguladoreschave podem de modo combinado gerar um resultado complexo O mo delo ABC postula que a identidade dos órgãos em cada um dos verticilos é determinada por uma combinação única das atividades dos três genes de identidade de órgãos ver Figura 2025 A atividade da Classe A isoladamente determina sépalas As atividades das Classes A e B são necessárias para a formação de pétalas As atividades das Classes B e C formam estames A atividade da Classe C isoladamente determina car pelos O modelo a seguir propõe que as atividades das Classes A e C reprimem uma a outra isto é ambas as classes de genes A e C se excluem mutuamente de seus domínios de expressão somado às suas funções na determinação da identidade do órgão Embora os padrões da formação do órgão em flores do tipo selvagem e na maioria dos mutantes sejam preditos por 1 2 3 4 Sépala Estrutura Pétala Estame Carpelo Genes Verticilo A B C 1 2 3 4 Sépala Estrutura Pétala Pétala Sépala Genes Verticilo A B 1 2 3 4 Carpelo Estrutura Estame Estame Carpelo Genes Verticilo B C 1 2 3 4 Sépala Estrutura Sépala Carpelo Carpelo Genes Verticilo A C A Tipo selvagem B Perda da atividade da Classe C C Perda da atividade da Classe A D Perda da atividade da Classe B Figura 2025 Interpretação dos fenótipos de mutantes florais homeóticos com base no mo delo ABC A Todas as trê s classes de atividade sã o funcionais no tipo selvagem B A perda da atividade da Classe C resulta na expansã o da ati vidade da Classe A ao longo do meristema floral C A perda da atividade da Classe A resulta na expansã o da atividade da Classe C ao longo do meristema D A perda da atividade da Classe B resulta na expressã o das atividades das Classes A e C somente Taiz20indd 617 Taiz20indd 617 27102016 101952 27102016 101952 618 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento esse modelo nem todas as observações podem ser explica das pelos genes ABC sozinhos Por exemplo a expressão dos genes ABC pela planta não transforma folhas vegeta tivas em órgãos florais Assim os genes ABC ainda que necessários não são suficientes para impor a identidade do órgão floral sobre o programa de desenvolvimento da folha Como será discutido a seguir fatores de transcrição codifi cados pelos genes de identidade de meristemas são também necessários para a formação de pétalas estames e carpelos Os genes da Classe E de Arabidopsis são necessários para as atividades dos genes A B e C Depois que os genes A B e C foram identificados outra classe de genes homeóticos a Classe E foi descoberta Mutações em três dos outros genes identificados na tria gem de mutantes para mutantes homeóticos florais AGA MOUSLIKE13 AGL13 produziram somente fenótipos aberrantes quando eles foram mutados individualmente Entretanto as flores dos mutantes triplos agl1agl2agl3 consistiam de estruturas semelhantes a sépalas somente sugerindo que os fenótipos aberrantes observados ante riormente nos três genes AGL mutados individualmente eram devidos à redundância funcional Por causa do fenó tipo rico em sépalas do mutante triplo os três genes AGL foram renomeados para SEPALLATA13 SEP13 e foram adicionados ao modelo ABC como genes da Classe E Fi gura 2026 Os genes da Classe D são necessários para a formação do rudimento seminal e são descritos a seguir 1 2 3 4 Sépala Estrutura floral Pétala Estame Carpelo Classe da atividade Verticilo A A B E C sepallata14 B A B Folha da roseta Cotilédone Figura 2026 Modelo ABCE para o desenvolvimento floral A Nos mutantes sepallata14 todos os órgãos florais asse melhamse a folhas vegetativas sugerindo que os genes SEP são necessários para a identidade do meristema floral B Mode lo ABCE para o desenvolvimento do órgão floral em que SEPs atuam como genes da Classe E necessários para a identidade dos órgãos florais De Krizek e Fletcher 2005 Figura 2027 Conversão de cotilédones e folhas vegetativas em pétalas pela expressão ectópica de genes da Classe E combinados com os genes das Classes A e B Plantas de Arabidopsis superex pressando transgenes SEP3AP1AP3PI A ou AP1AP3PISEP2 SEP3 B De Pelaz et al 2001 Outro gene SEPALLATA SEP4 é necessário de modo redundante com os outros três genes SEP para conferir a identidade da sépala contribuindo para o desenvolvimen to dos outros três tipos de órgãos Mutantes quádruplos sep mostram uma conversão de todos os quatro órgãos flo rais em estruturas similares a folhas semelhante ao mu tante quádruplo ap1 ap2 ap3pi e ag ver Figuras 2024 e 2026 Notavelmente expressandose os genes da Classe E em combinação com os genes das Classes A e B é possí vel converter folhas cotiledonares e vegetativas em pétalas Figura 2027 O modelo ABCE foi formulado com base em expe rimentos genéticos em Arabidopsis e Antirrhinum Flores de diferentes espécies desenvolveram estruturas diversas modificando as redes reguladoras descritas pelo modelo ABCE ver Tópico 2012 na internet De acordo com o Modelo Quaternário a identidade do órgão floral é regulada por complexos tetraméricos das proteínas ABCE Todos os genes homeóticos identificados até então em plan tas e animais codificam fatores de transcrição Entretanto ao contrário dos genes homeóticos em animais que contêm sequências homeobox a maioria dos genes homeóticos em plantas pertence a uma classe de sequências relacionadas conhecidas como genes MADS box O acrônimo MADS é baseado em quatro membros fundadores MCM1 AGA MOUS DEFICIENS e SRF de uma grande família gênica Muitos dos genes que determinam a identidade de órgãos florais são genes MADS box incluindo o gene DEFICIENS de bocadeleão e os genes AG PI e AP3 de Arabidopsis ver Tabela 203 Os genes MADS box com partilham uma sequência nucleotídica característica e conservada conhecida como MADS box que codifica uma estrutura proteica conhecida como domínio MADS Figura 2028A Adjacente ao domínio MADS está uma região intermediária seguida por um domínio K que é Taiz20indd 618 Taiz20indd 618 27102016 101952 27102016 101952 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 619 uma região supertorcida primariamente envolvida em interações proteínaproteína Os fatores de transcrição MADS box formam tetrâmeros que se ligam a sequências CCAT6GGbox os chamados motivos CArGbox nas regiões reguladoras de seus genesalvo Quando os tet râmeros se ligam a dois motivos CArGbox diferentes no mesmo genealvo os motivos são aproximados causando uma curvatura no DNA Figura 2028B Nem todos os genes homeóticos são genes MADS box e nem todos os genes contendo os domínios MADS box são genes homeóticos Por exemplo o gene homeótico AP2 é um membro da família AP2ERF elementos responsivos ao etileno de fatores de transcrição e o gene de identidade do meristema floral SOC1 é um gene MADS box Para uma compreensão mais mecanística do modelo ABCE um modelo de interação bioquímica denomina do Modelo Quaternário foi proposto Figura 2029 No Modelo Quaternário tetrâmeros de combinações dos ge nes ABCE ligamse diretamente ao DNA e determinam órgãos florais O modelo baseiase na observação de que os genes MADS box dimerizam e dois dímeros unemse formando um tetrâmero Existe a hipótese de que esses te trâmeros se liguem aos motivos CArGbox nos genesalvo e modifiquem sua expressão ver Figura 2028B Embora todas as proteínas MADS box possam formar complexos de ordem maior nem todos eles são capazes de se ligar ao DNA Por exemplo fatores da Classe B AP3 e PI ligam se ao DNA somente como heterodímeros ao passo que ambos homodímeros e heterodímeros das Classes A C e E podem se ligar ao DNA De acordo com o modelo tetrâ meros compostos de diferentes homodímeros e heterodí meros de proteínas com domínio MADS podem exercer controle combinatório sobre a identidade do órgão floral Por exemplo o heterodímero AP3PI interage diretamen te com AP1 e SEP3 para promover a formação da pétala e indiretamente com AG com o auxílio de SEP3 atuando como um arcabouço Em geral as proteínas SEP parecem atuar como cofatores que promovem a atividade específica dos genes ABC nas flores pela formação de complexos de seus produtos Os genes da Classe D são necessários para a formação do óvulo De acordo com o modelo ABCE a formação do carpelo necessita das atividades dos genes das Classes C e E En tretanto parece que um terceiro grupo de genes MADS C N CArGbox A B Domínio MADS box MADS Domínio superhélice K Interações proteínaproteína Região intermediária I Domínio carbóxi terminal não conservado C I K I I I K K K C C C C MADS MADS MADS MADS 1 2 3 4 Sépala AP1 SEP SEP AP1 AP1 AP3 PI SEP SEP PI AP3 AG SEP AG SEP AG Pétala Estame Carpelo Genes de identidade de órgãos de florais Genes de identidade de meristemas florais Estrutura floral de Arabidopsis Modelo quaternário de interação proteica APETALA1 e 2 AGAMOUS SEPALLATA14 APETALA3PISTILLATA Verticilo Figura 2029 Modelo quaternário da especificação do órgão floral em Arabidopsis No verticilo 1 a expressão dos genes das Classes A AP1 e AP2 e E SEP resulta na formação de sépalas No verticilo 2 a expressão dos genes das Classes A AP1 AP2 B AP3 PI e E SEP resulta na formação de pétalas No verticilo 3 a expressão dos genes das Classes B AP3 PI C AG e E SEP causa a formação de estames No verticilo 4 os genes das Classes C AG e E SEP especificam carpelos Além disso a atividade da Classe A AP1 e AP2 reprime a atividade da Classe C AG nos verticilos 1 e 2 enquanto a atividade da Classe C reprime a atividade da Clas se A nos verticilos 3 e 4 De acordo com o Modelo Quaternário a identidade de cada um dos órgãos florais é determinada por qua tro combinações das proteínas homeóticas florais conhecidas como proteínas MADS box Dois dímeros de cada tetrâmero reconhecem dois sítios diferentes no DNA denominados CArGboxes mostra dos aqui em amarelo na mesma fita do DNA os quais são levados à proximidade pela curvatura do DNA Observe que as proteínas SEPALLATA estão presentes nos quatro complexos servindo para recrutar outras proteínas ao complexo As estruturas exatas dos complexos multiméricos são hipotéticas Figura 2028 Modelo da interação dos domínios MADS box com os genesalvo A Estrutura dos domínios dos fatores de trans crição MADS box B Tetrâmeros dos fatores de transcrição MADS box ligamse a um par de motivos CArGbox nas regiões regulado ras de seus genesalvo ocasionando encurvamento do DNA o qual pode tanto ativar quanto reprimir os genesalvo Taiz20indd 619 Taiz20indd 619 27102016 101952 27102016 101952 620 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento box intimamente relacionados aos genes da Classe C é necessário para a formação do rudimento seminal Esses genes de rudimentos seminais específicos foram deno minados genes da Classe D Já que o rudimento seminal é uma estrutura dentro do carpelo os genes da Classe D não são estritamente falando genes de identidade de órgãos embora funcionem do mesmo modo na determi nação dos rudimentos seminais As atividades da Classe D foram descobertas pela primeira vez em petúnia O si lenciamento de dois genes MADS box conhecidos por es tarem envolvidos no desenvolvimento floral em petúnia FLORALBINDING PROTEIN711 FBP711 resultou no crescimento de estiletes e estigmas nos locais normalmen te ocupados por rudimentos seminais Quando o FBP11 foi superexpresso em petúnia o primórdio do rudimento se minal formouse sobre as sépalas e as pétalas Em Arabidopsis a expressão ectópica de SHAT TERPROOF1 ou SHATTERPROOF2 SHP1 SHP2 ou SEEDSTICK STK é suficiente para induzir a transformação de sépalas em órgãos carpeloides portadores de rudimen tos seminais Além disso mutantes triplos stkshp1shp2 não têm rudimentos seminais normais Por isso somado aos genes das Classes C e E os genes da Classe D são necessá rios para o desenvolvimento normal do rudimento seminal A assimetria floral nas flores é regulada pela expressão gênica Enquanto muitas flores como as de Arabidopsis são ra dialmente simétricas muitas plantas desenvolveram flo res com simetria bilateral que permitiram a elas formar estruturas especializadas para atrair polinizadores Por exemplo flores de Antirrhinum têm diferenças nítidas nas formas das pétalas superiores dorsais em comparação com as pétalas inferiores ventrais Figura 2030 Como isso ocorreu Novamente como no modelo ABCE a gené tica forneceu a resposta Mutações que transtornam o de senvolvimento de flores zigomórficas são conhecidas des de o século XVIII Carl Linnaeus foi o primeiro a descrever uma mutação de ocorrência natural em linária Linaria vulgaris que converteu a flor bilateralmente simétrica em uma forma radialmente simétrica Figura 2031 As flores do gênero Linaria normalmente têm corolas com quatro estames e um único nectário A espécie bizarra descrita por Linnaeus tinha cinco estames e cinco nectários Esse estado anormal radialmente simétrico foi chamado de pe loria por Linnaeus da palavra grega monstro Mais recentemente mutantes análogos pelóricos em Antirrhinum majus permitiram uma dissecação genéti ca dos mecanismos moleculares da especificação da sime tria floral A clonagem do gene mutado RADIALIS RAD revelou um mecanismo regulador pelo qual RAD contro la a assimetria floral ver Figura 2030 RAD codifica um fator de transcrição da família MYB que reprime outro genechave denominado DIVARICATA DIV Quando DIV está mutado todas as pétalas da flor se parecem com as pétalas superiores dorsais DIV portanto especifica a identidade floral inferior ventral na flor A análise de outros mutantes indicou que RAD determina a identida de das pétalas superiores dorsais O fator de transcrição RAD é ativado por outros dois genes CYCLOIDEA e DI CHOTOMA que são expressos nas pétalas dorsais A ex pressão de RAD permite que DIV seja reprimido na parte dorsal da flor Quando RAD não é expresso na base da flor DIV é expresso e especifica o destino ventral Por enquanto nossa compreensão do desenvolvimen to floral tem como base em primeiro lugar duas espécies modelo Arabidopsis thaliana e Antirrhinum majus Um dos desafios do futuro será explorar as variações nas redes de genes que regulam o desenvolvimento floral ao longo de um amplo espectro de plantas floríferas Um segundo desafio será tentar compreender como as rotas de desen volvimento floral evoluíram de ancestrais sem flores Tais estudos devem um dia conduzir à solução do mistério abominável de Darwin a evolução das angiospermas X Estame Estaminódio estame abortado B C A Carpelo Pétala Sépala Dorsal Ventral CYC DICH RAD DIV Lateral Lateral Identidade dorsal Identidade ventral Figura 2030 Assimetria floral em Antirrhinum A B As flores de Antirrhinum exibem simetria bilateral C O gene DIVARICATA DIV codifica o fator transcricional MYB que promove a identidade ventral ao longo da flor CYCLOIDEA CYC e DICHOTOMA DICH codificam fatores transcricionais relacionados que ativam o gene RADIALIS RAD A proteína RAD inibe a DIV na parte dorsal da flor e limita sua atividade aos domínios ventral e lateral B de Krizek e Fletcher 2005 Taiz20indd 620 Taiz20indd 620 27102016 101952 27102016 101952 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 621 Figura 2031 Mutante pelórico de linária Linaria vulgaris A flor normal com a simetria bilateral é mostrada à esquerda e o mutante pelórico radialmente simétrico é mostrado à direita Agora sabe se que a flor pelórica de linária é causada pela inativação do gene CYCLOIDEA pela metilação do DNA De Busch e Zachgo 2009 RESUMO A formação dos órgãos florais sépalas pétalas estames e car pelos ocorre no meristema apical caulinar e está relacionada aos sinais interno autônomo e externo ambiental Uma rede de ge nes que controla a morfogênese floral tem sido identificada em muitas espécies Evocação floral integração de estímulos ambientais Para o sucesso reprodutivo sistemas de controle interno autô nomo e externo sensível ao ambiente capacitam as plantas a regular e a cronometrar com precisão o florescimento Duas das respostas sazonais mais importantes que afetam o desenvolvimento floral são o fotoperiodismo resposta às mu danças no comprimento do dia e a vernalização resposta ao frio prolongado O florescimento sincronizado favorece a fecundação cruzada e auxilia a assegurar a produção de sementes sob condições favoráveis O ápice caulinar e as mudanças de fase Nas plantas a transição da fase juvenil para a adulta em geral está acompanhada por mudanças nas características vegetati vas Figura 201 Ritmos circadianos o relógio interno Os ritmos circadianos baseiamse em um oscilador endógeno e não na presença ou na ausência de luz eles são definidos por três parâmetros período fase e amplitude Figura 203 A compensação de temperatura previnem que as mudanças térmicas afetem o período do relógio circadiano Os fitocromos e os criptocromos sincronizam o relógio circa diano Fotoperiodismo monitoração do comprimento do dia As plantas podem detectar mudanças sazonais no compri mento do dia em latitudes distantes da linha do Equador Fi gura 204 O florescimento nas LDPs necessita que um comprimento do dia exceda certa duração denominada comprimento crítico do dia O florescimento nas SDPs requer um comprimento do dia que é menor do que o comprimento crítico do dia Figura 206 As folhas percebem o estímulo fotoperiódico em LDPs e SDPs As plantas monitoram o comprimento do dia pela mensura ção do comprimento da noite o florescimento tanto nas SDPs quanto nas LDPs é determinado primariamente pela duração do período de escuro Figura 207 Em LDPs e SDPs o período de escuro pode ser ineficaz se inter rompido por uma breve exposição à luz uma quebra da noite Figura 208 A resposta do florescimento às quebras da noite mostra um rit mo circadiano sustentando a hipótese do relógio Figura 209 No modelo de coincidência o florescimento é induzido tanto nas SDPs como nas LDPs quando a exposição à luz é coinciden te com a fase apropriada do oscilador CO em Arabidopsis e Hd1 em arroz regulam o florescimento mediante controle da transcrição de genes de estímulo florais Figura 2010 A proteína CO é degradada em taxas diferentes na luz versus no escuro A luz aumenta a estabilidade de CO permitindo que ela se acumule durante o dia no escuro ela é rapidamente de gradada Os efeitos de quebras noturnas pela luz vermelha e vermelho distante implicam no controle pelos fitocromos do floresci mento nas SDPs e nas LDPs Figuras 2011 2012 O florescimento em LDPs é promovido quando o tratamento com luz indutiva coincide com um pico na sensibilidade à luz que segue um ritmo circadiano Figura 2013 Vernalização promoção do florescimento com o frio Nas plantas sensíveis um tratamento de frio é necessário para elas responderem aos sinais florais como fotoperíodos indutivos Figuras 2014 2015 Para a vernalização ocorrer é necessário metabolismo ativo du rante o tratamento de frio Taiz20indd 621 Taiz20indd 621 27102016 101952 27102016 101952 622 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Após a vernalização o gene FLC está epigeneticamente desliga do durante o resto do ciclo de vida da planta permitindo que o florescimento em resposta a dias longos ocorra em Arabidop sis Figura 2016 A regulação epigenética de FLC envolve mudanças estáveis na estrutura da cromatina Várias rotas de vernalização evoluíram nas plantas floríferas Sinalização de longa distância envolvida no florescimento Em plantas fotoperiódicas um sinal de longo alcance é transmi tido no floema das folhas para o ápice permitindo a evocação floral Figuras 2017 2018 A identificação do florígeno FT é uma proteína globular pequena que exibe as propriedades que seriam esperadas de um florígeno A proteína FT movese via floema das folhas para o meristema apical do caule sob fotoperíodos indutivos No meristema FT forma um complexo com o fator de transcrição FD para ativar os genes de identidade florais Figura 2019 As quatro rotas distintas que controlam o florescimento conver gem para o aumento da expressão de reguladores florais cha ve FT nos tecidos vasculares e SOC1 LFY e AP1 no meristema Figura 2019 Meristemas florais e desenvolvimento de órgãos florais Os quatro tipos diferentes de órgãos florais são iniciados se quencialmente em verticilos concêntricos e separados Figura 2022 A formação dos meristemas florais requer os genes ativos de identidade do meristema floral como SOC1 AP1 e LFY em Ara bidopsis As mutações em genes homeóticos de identidade florais alte ram os tipos de órgãos produzidos em cada um dos verticilos Figuras 2023 2024 O modelo ABC sugere que a identidade de órgãos em cada verticilo é determinada pela atividade combinada de três genes de identidade de órgãos Figura 2025 A expressão dos genes da Classe E de identidade do meristema floral p ex SEPALLATA é necessária para a expressão dos ge nes das Classes A B e C Figura 2026 Muitos genes de identidade dos órgãos florais codificam fato res transcricionais contendo os domínios MADS que funcionam como heterotetrâmeros Figura 2028 Tabela 203 O Mo delo Quaternário descreve como esses fatores transcricionais devem atuar em conjunto para especificar os órgãos florais Fi gura 2029 Variações no modelo ABCE conseguem explicar a diversidade de estruturas florais nas angiospermas Figuras 2030 2031 MATERIAL DA INTERNET Tópico 201 A mudança climática tem causado mudanças mensuráveis na época de florescimento das plantas nati vas As plantas estão aptas a perceber até mesmo 1C de dife rença na temperatura e o aumento da temperatura ambiente acelera o florescimento em muitas espécies Tópico 202 Contrastando as características das fases juvenil e adulta da hera Hedera helix e do milho Zea mays Uma tabela de características morfológicas adultas ver sus juvenis é apresentada Tópico 203 Florescimento de meristemas juvenis enxer tados em plantas adultas A competência de meristemas juvenis de florescer pode ser testada em experimentos de en xertia Tópico 204 Competência e determinação são dois está gios na evocação floral Experimentos têm sido conduzidos para definir competência e determinação durante a evocação floral Tópico 205 Características da resposta de mudança de fase em ritmos circadianos Os movimentos de pétalas em Kalanchoë foram utilizados para estudar ritmos circadianos Tópico 206 Efeitos contrastantes dos fitocromos A e B no florescimento PhyA e phyB afetam o florescimento em Arabidopsis e em outras espécies Tópico 207 Suporte para o papel da regulação por luz azul dos ritmos circadianos ELF3 desempenha um papel na mediação dos efeitos da luz azul na época do florescimento Tópico 208 Genes que controlam a época do floresci mento É apresentada uma discussão dos genes que controlam diferentes aspectos da época do florescimento Tópico 209 Regulação do florescimento na campainha Canterbury bells por fotoperíodo e vernalização Dias curtos atuando sobre as folhas podem substituir a vernaliza ção no ápice caulinar da campainha Tópico 2010 A natureza autopropagadora do estímulo floral Em certas espécies o estado induzido pode ser transfe rido por enxertia quase indefinidamente Tópico 2011 Exemplos de indução floral por giberelinas em plantas com diferentes exigências ambientais para o florescimento É apresentada uma tabela dos efeitos das gibe relinas sobre plantas com exigências fotoperiódicas diferentes Tópico 2012 Variações do modelo ABCE são encontradas em outras espécies Variações no modelo ABCE estão asso ciadas à morfologia floral contrastante em diferentes monoco tiledôneas e eudicotiledôneas Taiz20indd 622 Taiz20indd 622 27102016 101952 27102016 101952 Capítulo 20 O Controle do Florescimento e o Desenvolvimento Floral 623 Leituras sugeridas Amasino R 2010 Seasonal and developmental timing of flowering Plant J 61 10011013 DOI 101111j1365313X201004148x Andrés F and Coupland G 2012 The genetic basis of flowering responses to seasonal cues Nat Rev Genet 13 627639 DOI 101038nrg3291 Busch A and Zachgo S 2009 Flower symmetry evolution Towards understanding the abominable mystery of angiosperm radiation BioEssays 31 11811190 Causiera B SchwarzSommerb Z and Davies B 2010 Floral organ identity 20 years of ABCs Semin Cell Dev Biol 21 7379 Huijser P and Schmid M 2011 The control of developmental phase transitions in plants Development 138 41174129 DOI101242dev063511 Jaeger E Pullen N Lamzin S Morris R J and Wigge P A 2013 Interlocking feedback loops govern the dynamic behavior of the floral transition in Arabidopsis Plant Cell 25 820833 Krizek B A and Fletcher J C 2005 Molecular mechanisms of flower development An armchair guide Nat Rev Genet 6 688698 Lee J and Lee I 2010 Regulation and function of SOC1 a flowering pathway integrator J Exp Bot 61 22472254 Liu L Liu C Hou X Xi W Shen L Tao Z Wang Y and Yu H 2012 FTIP1 is an essential regulator required for florigen transport PLOS Biol 104 e1001313 DOI101371 journalpbio1001313 Liu L Zhu Y Shen L and Yu H 2013 Emerging insights into florigen transport Curr Opin Plant Biol 16 607613 Rijpkemaa A S Vandenbusscheb M Koesc R Heijmansd K and Gerats T 2010 Variations on a theme Changes in the floral ABCs in angiosperms Semin Cell Dev Biol 21 100107 Song Y H Ito S and Imaizumi T 2013 Flowering time regulation Photoperiod and temperaturesensing in leaves Trends Plant Sci 18 575583 Taoka KI Ohki I Tsuji H Kojima C and Shimamoto K 2013 Structure and function of florigen and the receptor complex Trends Plant Sci 18 287294 Taiz20indd 623 Taiz20indd 623 27102016 101952 27102016 101952 Taiz20indd 624 Taiz20indd 624 27102016 101952 27102016 101952 Esta página foi deixada em branco intencionalmente 21 A ntes da descoberta da reprodução sexuada em plantas no final do século XVII as sementes eram consideradas produtos de um pro cesso assexuado e vegetativo similar à formação de gemas Em meados do século XVIII o papel do pólen na fecundação foi demonstrado experimental mente e durante o XIX os aspectos exclusivos do ciclo de vida vegetal co meçaram a ser reconhecidos A diferença mais profunda entre a reprodução sexuada em plantas e animais é a presença no ciclo de vida vegetal de dois indivíduos haploides inteiramente separados chamados gametófitos mas culino e feminino De modo mais exato a própria flor não é uma estrutura sexual As flores contêm os gametófitos masculino e feminino que produ zem as verdadeiras estruturas sexuais das angiospermas Esta discussão inicia apresentando uma visão geral do ciclo de vida ve getal e como ele evoluiu desde as formas mais simples de algas até as plantas floríferas A seguir é discutido o desenvolvimento dos gametófitos mascu lino e feminino que produzem os gametas Como organismos sésseis as plantas dependem de vetores como o vento ou os insetos para realizar a poli nização e a fecundação Conforme será estudado as plantas não são inteira mente passivas nesse processo elas desenvolveram mecanismos complexos tanto anatômicos quanto bioquímicos que estimulam a polinização cruzada A etapa final do processo é o desenvolvimento da semente e do fruto as estruturas que protegem e nutrem o embrião a fim de que em um substrato apropriado ocorram a germinação e o estabelecimento de uma plântula Desenvolvimento das gerações gametofíticas masculina e feminina O ciclo de vida vegetal difere fundamentalmente do ciclo de vida dos animais por abranger duas gerações multicelulares separadas uma geração esporo fítica diploide 2n e uma geração gametofítica haploide 1n ver Capítulo 1 A presença de dois estágios multicelulares geneticamente distintos no ciclo de vida vegetal é denominada alternância de gerações que ocorre nos órgãos reprodutivos masculino e feminino da flor os estames androceu e os carpelos gineceu Devido à alternância de gerações existe uma diferença fundamental entre os ciclos de vida animal e vegetal quanto aos destinos dos produtos da meiose Nos animais as células haploides produzidas por meiose dife Gametófitos Polinização Sementes e Frutos Taiz21indd 625 Taiz21indd 625 27102016 103614 27102016 103614 626 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento renciamse diretamente em gametas espermatozoide ou óvulo As células haploides produzidas por meiose nas plantas por outro lado diferenciamse em esporos mi crósporos masculino e megásporos feminino Figura 211 ver Capítulo 2 para uma revisão da meiose Os mi crósporos e os megásporos passam por divisões mitóticas produzindo indivíduos haploides denominados gametófitos masculinos ou microgametófitos e gametófitos femininos ou megagametófitos Os gametófitos masculinos formamse na antera do estame ao passo que os gametófitos femi ninos se desenvolvem no interior do rudimento seminal óvulo Na maturidade células especializadas dentro dos gametófitos masculino e feminino dividemse mitotica mente originando os gametas espermatozoide e oosfe ra A presença da geração gametofítica haploide no ciclo de vida vegetal significa que os gametas nas plantas são produzidos por mitose e não por meiose Na etapa final fecundação a oosfera e uma das células espermáticas passam por fusão sexuada ou singa mia produzindo o zigoto 2n o primeiro estágio da pró xima geração esporofítica Além disso como será discu tido mais adiante neste capítulo um tipo único de fusão gamética ocorre nas angiospermas uma segunda célula espermática fundese com uma célula central diploide do gametófito feminino resultando na célula do endosperma primário triploide que é seguida da formação do tecido endospérmico nutritivo da semente A participação das duas células espermáticas durante a fecundação exclusiva das plantas floríferas é denominada fecundação dupla Com base na reconstrução das filogenias das plantas terrestres o ciclo de vida vegetal evoluiu de uma condição com um gametófito haploide dominante e de vida livre para uma com um esporófito diploide dominante e de vida livre Ver Tópico 211 na internet para uma discussão so bre a evolução da diploidia em plantas Formação de gametófitos masculinos no estame O gametófito masculino é formado no estame da flor Em geral o estame é constituído de um filamento delicado fi xado a uma antera composta de quatro microsporângios posicionados em pares opostos Figura 212A Os pares de microsporângios são separados entre si por uma região central de tecido estéril que circunda um feixe vascular A sequência exata do desenvolvimento do microspo rângio varia de espécie para espécie Em Arabidopsis a an tera madura contém células arquesporiais que por fim passam por meiose e são revestidas por quatro camadas somáticas epiderme endotécio camada média e tape te Originalmente essas camadas são derivadas das três camadas do meristema floral L1 L2 e L3 A camada L1 Antera Estame Antera Rudimento seminal Flor do esporófito maduro Carpelo Receptáculo Pétala Filete Sépala 6 7 Microsporócito 2n Meiose Meiose Três mitoses Mitose Grãos de pólen n Núcleo da célula Célula do tubo generativa Tubo polínico Esperma tozoide 2 Núcleo da célula do tubo Megasporócito 2n Megásporos n Megásporos apoptóticos Sinérgides Oosfera Megásporo sobrevivente Núcleos polares Antípodas Tegumentos Micrósporos n Microgametófitos Megagametófito Ovário Rudimento seminal Estigma Estilete Figura 211 Ciclo de vida das angiospermas Taiz21indd 626 Taiz21indd 626 27102016 103614 27102016 103614 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 627 tornase a epiderme e a camada L2 origina as células ar quesporiais bem como as camadas circundantes internas conforme mostrado na Figura 212B A região central que contém as células arquesporiais é denominada lóculo A formação do grão de pólen ocorre em dois estágios sucessivos O desenvolvimento do gametófito masculino ou grão de pólen é temporalmente dividido em duas fases micros porogênese e microgametogênese Durante a microspo rogênese as células arquesporiais dentro dos lóculos diferenciamse em microsporócitos ou célulasmãe de pólen células diploides com capacidade de sofrer meiose para produzir micrósporos Figura 213A Os microspo rócitos passam por meiose resultando em uma tétrade de micrósporos haploides unidos por suas paredes que são compostos em grande parte do polissacarídeo calose um 13βglucano O tapete uma camada de células se cretoras circundando o lóculo secreta a enzima hidrolítica calase e outras enzimas degradadoras de paredes celula res para dentro do lóculo a catalase digere parcialmente as paredes celulares e separa as tétrades em micrósporos individuais ver Figura 213A Em algumas espécies po linizadas por insetos o pólen normalmente é liberado como tétrades como na urze comum Calluna vulgaris ou mesmo grupos maiores denominados políades como em Acacia Embora o tipo selvagem de Arabidopsis produza mi crósporos individuais em mutantes quartet qrt a dissolu ção das tétrades é bloqueada Todavia os grãos de pólen de mutantes qrt desenvolvemse normalmente e são férteis Uma vez formados os micrósporos no interior dos ló culos da antera separados ou como tétrades ou políades a fase de microsporogênese de desenvolvimento do mi crogametófito é concluída O segundo estágio é a micro gametogênese a formação de gametas masculinos Durante a microgametogênese o micrósporo ha ploide desenvolvese mitoticamente para dentro do ga metófito masculino composto da célula vegetativa ou célula do tubo e de duas células espermáticas Figura 213B Antes da primeira divisão mitótica o micrósporo A B Antera Epiderme Epiderme 100 μm 250 μm 700 μm 2 mm Endotécio Endotécio Células arquesporiais Células parietais secundárias Tapete Tapete Microsporócitos Lóculo Feixe vascular Camada média Camada média Célulasmãe de pólen Camada L1 Camada L2 Camada L3 Antera madura Arabidopsis Sequência do desenvolvimento Figura 212 Estrutura e desenvolvimento da antera A Corte transversal mostrando quatro esporângios B Sequência do desen volvimento da antera madura de Arabidopsis mostrando tipos ce lulares diferentes As células arquesporiais lilás diferenciamse em célulasmãe de pólen microsporócitos que passarão por meiose para produzir micrósporos Taiz21indd 627 Taiz21indd 627 27102016 103614 27102016 103614 628 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento expandese substancialmente um processo associado à biossíntese da parede celular e à formação de um vacúolo grande Em paralelo o núcleo do micrósporo migra para a parede celular produzindo um micrósporo polarizado A seguir o micrósporo polarizado sofre uma divisão ce lular altamente assimétrica mitose I do pólen originan do uma célula vegetativa grande e uma célula generativa pequena ou célula germinativa masculina No princípio a célula generativa permanece fixada à parede celular do micrósporo e é circundada por uma parede semihemis férica de calose que também serve para separar a célula generativa da célula vegetativa Essa camada de calose decompõese e a célula generativa é engolfada pela cé lula vegetativa resultando em uma estrutura anatômica única uma célula dentro de uma célula estágio bicelular Subsequentemente a célula generativa engolfada assume uma forma alongada ou fusiforme que pode auxiliar em sua passagem pelo protoplasma dinâmico do tubo políni co em rápido crescimento Durante a maturação os grãos de pólen acumulam reservas de carboidratos ou lipídeos para sustentar o metabolismo ativo necessário aos proces sos rápidos de germinação e crescimento do tubo polínico Nesse estágio o pólen em geral é liberado da antera por deiscência abertura de sua parede a célula generativa dividese para produzir as duas células espermáticas mi tose II do pólen somente após o grão de pólen ter chegado a um estigma e o tubo polínico ser formado Em muitas espécies contudo a célula generativa sofre mitose II do pólen enquanto ainda está no interior da antera estágio tricelular Em qualquer caso a produção das duas células espermáticas sinaliza o final da microgametogênese Dependendo da espécie as células do tapete podem permanecer na periferia do lóculo como em Arabidopsis ou tornarse ameboides e migrar para dentro do lóculo misturandose com os micrósporos em desenvolvimento Em ambos os casos as células do tapete desempenham uma função secretora e por fim sofrem morte celular pro gramada liberando seus conteúdos para dentro do lóculo Devido ao papel essencial das células do tapete no supri mento de enzimas nutrientes e constituintes de paredes celulares para os grãos de pólen em desenvolvimento os defeitos no tapete geralmente causam desenvolvimento anormal do pólen e decréscimo da fertilidade A parede celular multiestratificada do pólen é surpreendentemente complexa As superfícies externas das paredes celulares do grão de pólen exibem uma diversidade notável de características esculturais que exercem papéis ecológicos importantes na transferência do pólen de flor para flor Figura 214A Igualmente complexas no entanto são as múltiplas cama das subsuperficiais de parede que estabelecem um labi rinto de espaços internos onde os lipídeos e as proteínas podem ser depositados Figura 214B A iniciação da formação da parede celular do pólen começa nos micrósporos imediatamente após a meiose Uma parede de calose efêmera é a primeira de várias ca madas a serem depositadas pelo micrósporo sobre a su perfície celular Ela é seguida pela primexina uma precur sora da sexina pela nexina e por fim pela intina Observe que pelo fato de o micrósporo ser a fonte dessas camadas a camada mais interna é a última a ser depositada A primexina composta em grande parte de polissa carídeos atua como um molde que orienta a acumulação de esporopolenina o principal componente estrutural da exina ou camada externa que inclui a nexina e a sexina Célulasmãe de pólen Tapete A Microsporogênese B Microgametogênese Núcleos Meiose I Meiose II Mitose I do pólen Mitose II do pólen Desidratação Núcleos Vacúolo Núcleo vegetativo Célula vegetativa Células espermáticas Célula generativa Micrósporos livres Micrósporo livre Micrósporo polarizado Pólen bicelular Pólen tricelular Pólen maduro Tétrade Calase do tapete Figura 213 Desenvolvimento do gametófito masculino A Mi crosporogênese As célulasmãe de pólen passam por meiose pro duzindo uma tétrade de micrósporos B Microgametogênese O núcleo haploide dividese mitoticamente produzindo a célula do tubo célula vegetativa e a célula generativa estágio bicelular Após ser engolfada pela célula do tubo a célula generativa divide se mitoticamente produzindo duas células espermáticas estágio tricelular À medida que amadurece o grão de pólen forma uma parede celular especializada Taiz21indd 628 Taiz21indd 628 27102016 103614 27102016 103614 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 629 Enquanto os micrósporos ainda estão em uma tétrade a exina inicial é formada a partir de precursores da esporo polenina sintetizados e secretados pelos próprios micrós poros No entanto logo que as paredes mais externas de calose são dissolvidas e os micrósporos liberamse da té trade a maioria dos precursores de esporopolenina é for necida pelo tapete A intina ou camada interna consiste principalmente de celulose e pectinas Estudos recentes em Arabidopsis sugerem que o po límero esporopolenina possui constituintes derivados de ácidos graxos e fenólicos que estão ligados covalentemen te similar à lignina e à suberina Além disso a maior parte das paredes do grão de pólen inclui zonas alongadas deno minadas aberturas onde a exina é fina ou inexiste Figura 215 Os tubos polínicos emergem pelas aberturas quan do o grão de pólen germina em um estigma compatível O número de aberturas e o padrão de ornamentação da exina são características de uma família de um gênero e muitas vezes de uma espécie de angiospermas Pólen liso está associado a polinização pelo vento como nos carvalhos Quercus e nas gramíneas milho Zea mays ao passo que as espécies polinizadas por insetos aves e mamíferos tendem a ter padrões altamente ornamenta dos consistindo em espinhos ganchos ou projeções fila mentosas pegajosas que capacitam o pólen a aderir aos polinizadores em forrageio Uma vez que a esporopoleni na é resistente à decomposição o pólen está bem repre sentado no registro fóssil os padrões distintivos da exi na são importantes para a identificação das espécies que estavam presentes assim como sugerem as condições de climas pretéritos Em espécies com estigmas secos dis cutidas mais adiante neste capítulo como Arabidopsis o tapete também reveste os grãos de pólen com trifina uma camada adesiva e pegajosa que cobre a camada de exina A trifina é rica em proteínas ácidos graxos ceras e outros hidrocarbonetos Lacuna B A Columela Sexina Teto Nexina I Nexina II Intina Membrana plasmática Exina B A Figura 214 Estrutura da parede celular do grão de pólen A Imagem de grãos de pólen de espécies diferentes ao microscópio eletrônico de varredura exibindo ornamentação distinta B Arqui tetura de uma parede celular típica do pólen mostrando as cama das interna e externa e elementos da ornamentação A sexina pode ser tectada com um teto semitectada com um teto parcial ou intectada sem um teto O diagrama mostra uma parede do pólen com um teto que cria uma superfície lisa Figura 215 Imagens do grão de pólen de Arabidopsis ao mi croscópio eletrônico de varredura A Pólen de Arabidopsis mos trando duas de suas três aberturas que são sulcos alongados onde a parede é mais fraca e mais fina B Imagem ampliada da exina tectada de um grão de pólen de Arabidopsis Cortesia de D Twell e S Hyman Taiz21indd 629 Taiz21indd 629 27102016 103614 27102016 103614 630 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Desenvolvimento do gametófito feminino no rudimento seminal Nas angiospermas os rudimentos seminais óvulos estão lo calizados no interior do ovário do gineceu o termo coletivo para os carpelos Os rudimentos seminais são os locais da megasporogênese e da megagametogênese Após a fecun dação do gameta feminino ou oosfera por uma célula es permática a embriogênese é iniciada e o rudimento seminal desenvolvese em uma semente Simultaneamente o ovário ampliase e tornase um fruto A fecundação e o desenvolvi mento de frutos serão discutidos mais adiante neste capítulo Os primórdios do rudimento seminal surgem em um tecido especializado do ovário denominado placenta As localizações do tecido placentário variam entre os dife rentes grupos vegetais e abrangem os seguintes tipos de placentação marginal parietal axial basal e centrallivre ver Tópico 212 na internet O tipo de placentação den tro do ovário determina as posições e a disposição das se mentes dentro do fruto O gineceu de Arabidopsis é um sistemamodelo importante para o estudo do desenvolvimento do rudimento seminal O gineceu de Arabidopsis como em muitos membros das Brassicaceae família da mostarda consiste em dois car pelos fusionados referidos como valvas separados por uma partição mediana denominada septo Figura 216 As margens das valvas e o septo são unidos em uma faixa de tecido denominada replo que exerce um papel importante na deiscência do fruto seco Em cada carpelo existem duas faixas de tecido placentário associadas ao septo em cada lado do gineceu Estigma Estilete Ovário Valva Replo Replo Placenta Rudimento seminal Valva Margens da valva Trato transmissor Septo A B Figura 216 A Imagem do gineceu pistilo de Arabidopsis ao microscópio eletrônico de varredura B Diagrama do ovário de Arabidopsis em corte trans versal mostrando a estrutura de carpelos fusionados Cada valva representa um carpelo individual A de Gasser e RobinsonBeers 1993 Os primórdios dos rudimentos seminais aparecem primeiro ao longo da placenta como projeções cônicas com ápices arredondados Figura 217 Três zonas já podem ser distinguidas no estágio inicial de desenvolvimento do primórdio a região proximal na base que origina o funí culo peduncular a região distal ou micropilar no ápice que produz o nucelo onde ocorre a meiose e a região central denominada calaza que origina os tegumentos as camadas externas do rudimento seminal A célula que irá se dife renciar na célulamãe de megásporo é claramente visível no nucelo primordial devido a seu tamanho grande núcleo grande e citoplasma denso Em geral existem duas camadas de tegumento inter na e externa O tegumento interno forma uma saliência a certa distância do ápice do nucelo seguida pela camada do tegumento externo ver Figura 217 As duas camadas de tegumento continuam a crescer sobre o nucelo até alcançar a micrópila Ao mesmo tempo o funículo curvase levemente fazendo o rudimento seminal se inclinar para dentro em di reção ao septo Dessa maneira a micrópila é aproximada do trato transmissor uma região especializada dentro do septo através da qual o tubo polínico cresce durante a polinização A maioria das angiospermas exibe desenvolvimento do saco embrionário do tipo Polygonum O desenvolvimento do gametófito feminino ou saco em brionário é mais complexo e mais diverso do que o do gametófito masculino De acordo com um esquema de classificação existem mais de 15 padrões diferentes de desenvolvimento do saco embrionário em angiospermas O padrão mais comum foi descrito pela primeira vez no gênero Polygonum knotweed razão pela qual é denomi nado tipo Polygonum de saco embrionário Aqui será dis cutido o desenvolvimento desse tipo de saco embrionário divergências do desenvolvimento do tipo Polygonum serão descritas no Tópico 213 na internet Taiz21indd 630 Taiz21indd 630 27102016 103614 27102016 103614 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 631 Megásporos funcionais sofrem uma série de divisões mitóticas nucleares livres seguidas por celularização A célula arquesporial dentro do nucelo diferenciase na célulamãe de megásporo a qual passa por meiose No tipo Polygonum de saco embrionário a meiose da célula mãe de megásporo diploide produz quatro megáspo ros haploides Figura 218 Três megásporos geralmente os localizados na extremidade micropilar do nucelo na sequência sofrem morte celular programada deixando apenas um megásporo funcional A seguir o megásporo funcional passa por três ciclos de divisões mitóticas nucle ares livres mitoses sem citocinese produzindo um sincí cio célula multinucleada formada por divisões nucleares O resultado é um saco embrionário imaturo com oito nú cleos Após quatro núcleos migram para o polo calazal e os outros quatro migram para o polo micropilar Três dos núcleos em cada polo passam por celularização enquanto os dois núcleos remanescentes denominados núcleos po lares migram em direção à região central do saco embrio nário que contém um vacúolo grande O citoplasma e os dois núcleos polares desenvolvem sua própria membrana plasmática e parede celular originando uma célula binu cleada grande O saco embrionário completamente celula rizado representa o gametófito feminino maduro ou saco embrionário Na maturidade o saco embrionário do tipo Polygonum consiste em sete células e oito núcleos As três células na extremidade calazal do saco embrio nário são denominadas antípodas Estudos ultraestruturais têm revelado que as antípodas apresentam grandes inva ginações de membrana talvez um indicativo de um papel no intercâmbio nutricional ou na sinalização hormonal No entanto as antípodas não estão presentes na ordem Nym phaeales que inclui as ninfeias bem como nos membros da família da enotera Onagraceae Como consequência esses dois grupos de plantas possuem sacos embrionários maduros com apenas quatro núcleos Em muitas outras es pécies incluindo Arabidopsis as antípodas degeneram antes da fecundação sugerindo que elas não exercem um papel essencial nesse processo Por outro lado em membros da família Poaceae as antípodas proliferam de modo que po dem desempenhar um papel na fecundação dessas plantas A oosfera o gameta feminino que se combina com a célula espermática para formar o zigoto e as duas sinér gides estão localizadas na extremidade micropilar do saco embrionário e são coletivamente referidas como aparelho oosférico Figura 219 Uma característica adicional é a presença de um aparelho filiforme na extremidade mi cropilar de cada sinérgide O aparelho filiforme consiste em uma parede celular espessada e convoluta que aumen ta a área de superfície da membrana plasmática Conforme será abordado mais adiante neste capítulo as sinérgides são envolvidas nos estágios finais de atração do tubo po línico a descarga dos conteúdos do tubo para dentro do saco embrionário e a fusão dos gametas A célula binucleada grande no meio do saco embrioná rio é conhecida como célula central Embora o destino de Célulamãe de megásporo Megásporo funcional Epiderme Chalaza Núcleo da célula central Oosfera Sinérgides Funículo Micrópila Nucelo Antípodas L1 L2 L3 Tegumento externo Tegumento interno Saco embrionário Célula central Nucelo Nucelo Oosfera Megásporos não funcionais Célulamãe de megásporo Megásporo Megásporo funcional Núcleos polares Núcleo da célula central Sinérgides Saco embrionário maduro Antípodas Célula central Figura 217 Morfogênese do rudimento seminal em Arabidopsis mostrando vários estágios de desenvolvimento e tipos de tecidos A camada L1 rosa origina a epiderme a camada L2 amarela origina a maior parte dos tegumentos e calaza e a camada L3 azul origina o funículo Figura 218 Estágios de desenvolvimento do saco embrionário do tipo Polygonum de Arabidopsis Os estágios são descritos no texto As áreas de cor bege representam citoplasma as áreas bran cas representam vacúolos e os círculos de cor roxa representam núcleos O polo calazal está na parte superior e o polo micropilar na inferior O núcleo da célula central é formado pela fusão dos núcleos polares Taiz21indd 631 Taiz21indd 631 27102016 103614 27102016 103614 632 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento seu desenvolvimento seja completamente diferente do da oosfera a célula central é também considerada um gameta pois ela se fusiona com uma das células espermáticas du rante a fecundação dupla Em Arabidopsis os dois núcleos polares da célula central fusionamse formando um núcleo diploide antes da fusão com a célula espermática Depen dendo do tipo de saco embrionário o número de núcleos polares pode variar de um em Oenothera a oito ou mais em Peperomia Durante a fecundação dupla no saco embrio nário do tipo Polygonum uma célula espermática fusionase com a oosfera para produzir o zigoto enquanto a outra se fusiona com a célula central para produzir a célula triploide do endosperma primário que se divide mitoticamente e origina o endosperma nutritivo da semente Uma vez que tipos diferentes de sacos embrionários contêm números distintos de núcleos polares o nível de ploidia do endosper ma varia de 2n em Oenothera até 15n em Peperomia O desenvolvimento do saco embrionário envolve sinalização hormonal entre as gerações esporofítica e gametofítica De um total de cerca de 28 mil genes em Arabidopsis acreditase que somente alguns milhares estejam especi ficamente envolvidos no desenvolvimento do gametófito feminino Análises têm revelado que várias centenas de mutantes afetam a gametogênese em Arabidopsis e esses mutantes têm sido usados para identificar genes necessá rios para a gametogênese feminina ou o desenvolvimen to inicial da semente Os mutantes na maioria não são pareados nos estágios fundamentais de desenvolvimento durante a gametogênese com uma proporção maior ou presos antes da primeira mitose haploide ou deficientes em etapas posteriores à celularização Os rudimentos seminais de todos os mutantes ga metofíticos encontrados até agora têm células esporofíti cas 2n normais isto é nucelo tegumentos funículo e célulamãe de megásporo normais Na realidade os ras treamentos genéticos planejados para identificar defeitos gametofíticos não seriam capazes de revelar defeitos es porofíticos porque as plantas maternas são heterozigotas Por outro lado vários mutantes com defeitos nos tecidos esporofíticos do rudimento seminal também mostram anormalidades no desenvolvimento gametofítico Por essa razão tem sido proposta a existência de uma hierarquia na comunicação entre o gametófito feminino e as células esporofíticas circundantes sendo a influência maior exer cida pelos tecidos esporofíticos maternos Três hormônios auxina citocinina e brassinosteroi des têm sido implicados na regulação de diversos está gios de desenvolvimento do gametófito feminino em Ara bidopsis Por exemplo dois genes YUCCA que codificam flavinas monoxigenases envolvidas na biossíntese de au xina local são expressos no rudimento seminal e a carre gadora do efluxo de auxina PIN1 é expressa no nucelo Foi demonstrado que mutações no nucelo provocam defeitos no desenvolvimento do gametófito feminino fazendoo cessar no estágio de um ou dois núcleos Essas observações são coerentes com o papel da auxina como um determi nante do destino celular no gametófito feminino As citocininas sintetizadas na região calazal do nuce lo têm sido implicadas na megasporogênese Os mutan tes triplos sem receptores de AHK funcionais necessários para a resposta às citocininas ver Capítulo 15 não con seguem desenvolver megásporos funcionais Os brassi nosteroides conforme demonstrado são requeridos para a iniciação de divisões mitóticas pelo megásporo Os game tófitos femininos de mutantes de Arabidopsis com um gene CYP85A1 defeituoso que codifica uma enzima reguladora da biossíntese de brassinosteroides no saco embrionário são cessados antes da primeira divisão nuclear mitótica do megásporo funcional haploide Em outras palavras a bios síntese de brassinosteroides no interior do saco embrioná rio é necessária para a iniciação do desenvolvimento do megagametófito No entanto a biossíntese de brassinos teroides no saco embrionário parece ser controlada por um gene expresso esporofiticamente SPOROCYTELESS SPL Nos mutantes spl as células arquesporiais são formadas na antera e nos primórdios do rudimento seminal mas não conseguem se desenvolver posteriormente Uma vez que o gene CYP85A1 é expresso de modo abundante nos sacos embrionários de rudimentos seminais do tipo sel vagem mas não nos de rudimentos seminais de mutantes spl o gene esporofítico SPL parece regular a biossíntese de brassinosteroides no saco embrionário gametofítico Polinização e fecundação em plantas floríferas A polinização em angiospermas é o processo de transfe rência de grãos de pólen da antera do estame o órgão mas culino da flor para o estigma do pistilo o órgão feminino da flor Em algumas espécies como Arabidopsis thaliana e arroz a reprodução em geral ocorre por autopolinização Oosfera Aparelho filiforme Núcleos polares Sinérgides Antípodas Célula central Aparelho oosférico Vacúolo Figura 219 Diagrama do aparelho oosférico e aparelho filifor me do saco embrionário do tipo Polygonum Taiz21indd 632 Taiz21indd 632 27102016 103614 27102016 103614 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 633 isto é o pólen e o estigma pertencem ao mesmo espo rófito Em outras espécies a polinização cruzada cross pollination ou fecundação entre plantas diferentes outcrossing é a norma os progenitores masculino e feminino são indivíduos esporofíticos separados Muitas espécies podem reproduzirse por autopolinização ou por polinização cruzada outras espécies como será discutido mais adiante possuem diversos mecanismos para promo ver a polinização cruzada e podem mesmo ser incapazes de reprodução por autopolinização No caso da polinização cruzada o pólen pode per correr grandes distâncias antes de chegar a um estigma apropriado Produzidos em excesso os grãos de pólen são dispersos por vento insetos aves e mamíferos que carre gam os gametas masculinos não móveis de angiospermas muito mais longe do que o espermatozoide móvel de plan tas inferiores jamais poderia nadar A polinização bemsucedida depende de vários fatores incluindo a temperatura ambiental a sincronia e a recepti vidade do estigma de uma flor compatível Muitos grãos de pólen podem tolerar a dessecação e temperaturas altas du rante sua trajetória para o estigma Contudo alguns grãos de pólen como os do tomateiro são danificados pelo calor Compreender como alguns grãos de pólen toleram períodos de temperaturas altas ajudará a assegurar nossa oferta de alimento à medida que o clima global muda A passagem das células espermáticas para o gametófito feminino pelo tubo polínico ocorre em seis fases Os gametas femininos são bem protegidos do ambiente pelos tecidos do ovário Conse quentemente para alcançar uma oosfera não fertilizada as células espermáticas devem ser deslocadas por um tubo polínico que cresce do estigma para o rudimento seminal No gine ceu de Arabidopsis que é semelhante ao de ou tras angiospermas esse processo foi dividido em seis fases Figura 2110 0 10 20 30 40 50 60 70 80 C Número de táxons 10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000 20000 Crescimento do tubo polínico μmh Divergentes basais Monocotiledôneas Eudicotiledôneas 6 O tubo polínico atravessa a micrópila penetra no saco embrionário e entra em uma sinérgide Ele cessa o crescimento e seu ápice rompe para liberar as células espermáticas 1 O grão de pólen adere hidratase e após germina sobre uma célula epidérmica ou papilar do estigma 2 O tubo polínico invade o estigma e cresce primeiro no interior da parede da célula papilar e subsequentemente no espaço entre as células voltadas para o trato transmissor Rudimento seminal Grão de pólen A B Tubo polínico Tubo polínico Gametófito feminino Trato transmissor Superfície do ovário 3 O tubo polínico cresce e atravessa a matriz extracelular do trato transmissor rica em nutrientes que conecta estigma estilete e ovário 4 O tubo polínico sai do trato transmissor próximo a um rudimento seminal 5 O tubo polínico cresce junto das superfícies do septo e do funículo em direção à micrópila o acesso para o rudimento seminal Funículo Micrópila Tegumento Sinérgide Oosfera Célula central Antípodas Núcleo do tubo polínico Células espermáticas Figura 2110 Polinização em Arabidopsis A As seis fases de crescimento e orientação do tubo polínico B O tubo polínico chega à abertura micropilar de um rudi mento seminal individual C Ve locidades de crescimento do tubo polínico de angiospermas medidas in vivo em 352 espécies As velo cidades de crescimento foram cal culadas a partir da distância linear percorrida pelo tubo mais longo dividida pelo período real de cres cimento ativo do tubo polínico A e B de Johnson e Lord 2006 C de Williams 2012 Taiz21indd 633 Taiz21indd 633 27102016 103614 27102016 103614 634 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Depois que as células espermáticas são descarregadas do tubo polínico ocorre a fecundação dupla um esperma tozoide unese à oosfera para produzir o zigoto e o segun do espermatozoide fusionase com a célula central para formar a célula triploide do endosperma primário Con forme será discutido a seguir a passagem bemsucedida das duas células espermáticas para os dois gametas femi ninos oosfera e célula central pelas seis fases do processo depende de extensas interações e da comunicação entre o tubo polínico o pistilo e o gametófito feminino Como mostra a Figura 2110C a velocidade de crescimento do tubo polínico de angiospermas varia de cerca de 10 μm por hora até mais de 20000 μm 2 mm por hora cerca de cem vezes mais rápido que a velocidade de crescimento dos tubos polínicos de gimnospermas A aderência e a hidratação de um grão de pólen sobre uma flor compatível dependem do reconhecimento entre as superfícies do pólen e do estigma A reprodução das angiospermas é altamente seletiva Os tecidos femininos são capazes de distinguir entre grãos de pólen diversos aceitando aqueles de espécies apropriadas e rejeitando outros de espécies não aparentadas Quando ststst oo A Grão de pólen Tubo polínico Pé 1 Aderência C 2 Hidratação e formação do pé 3 Emergência do tubo polínico 4 Crescimento do tubo polínico em direção ao estilete B Papila do estigma Grão de pólen Estigma Figura 2111 Aderência e hidratação de grãos de pólen sobre os estigmas de flores de Arabidopsis A Imagem de papilas estigmáticas ao microscópio eletrônico de varredura B Imagem ao microscópio eletrônico de transmissão mostrando o contato entre um grão de pólen e uma papila do estigma Um pé de material rico em lipídeos setas une as duas superfícies C Os quatro estágios do tubo polínico aderência hidratação e formação do pé emer gência e crescimento através da parede celular papilar em direção ao estilete A de Bowman 1994 B de Edlund et al 2004 C de Edlund et al 2004 chegam a um estigma compatível os grãos de pólen ade rem fisicamente às suas células papilares provavelmente devido a interações biofísicas e químicas entre proteínas do pólen e lipídeos e proteínas da superfície do estigma Os grãos de pólen aderem fracamente aos estigmas de plantas de outras famílias As flores têm estigmas úmidos ou secos As células da superfície de estigmas úmidos liberam uma mistura viscosa de proteínas lipídeos e polissacarídeos as célu las da superfície de estigmas secos como os encontrados nas Brassicaceae são cobertas por uma parede cutícula e película proteica Figura 2111 Enquanto os grãos de pólen tornamse hidratados incidentalmente sobre estig mas úmidos o processo de hidratação sobre estigmas se cos é altamente regulado Após chegarem a um estigma lipídeos e proteínas da casca do pólen escoam sobre ele e se misturam com materiais das células papilares para for mar o pé uma estrutura que fixa o grão de pólen firme mente ao ápice da célula papilar Durante esse processo considerase que os lipídeos no pé se reorganizam criando um sistema capilar pelo qual água e íons podem fluir do estigma para o grão de pólen Aparentemente esse meca nismo permite que o grão de pólen desempenhe a façanha paradoxal de se tornar hidratado sobre um estigma seco Em apoio ao papel dos lipídeos na hidratação do pó len mutantes de Arabidopsis com defeitos no metabolis mo de lipídeos de cadeia longa produziram grãos de pólen sem revestimento que não conseguiram se hidratar sobre o estigma Esse defeito poderia ser corrigido por umidade alta ou aplicação de lipídeos ao estigma ambos os proce dimentos permitiriam que o grão de pólen se hidratasse e formasse tubo polínico O mecanismo de movimento da água da célula papilar para dentro do pé ainda não está esclarecido Em princípio a água poderia difundirse para fora da célula papilar via canais de aquaporinas na membrana plasmática ver Capí tulo 3 ou ser secretada por exocitose vesicular Em favor de um mecanismo secretor os grãos de pólen são incapazes de hidratarse sobre pistilos com uma mutação em um gene requerido para a exocitose normal das vesículas de Golgi Taiz21indd 634 Taiz21indd 634 27102016 103614 27102016 103614 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 635 A polarização do grão de pólen desencadeada pelo Ca2 precede a formação do tubo Durante a hidratação o grão de pólen tornase fisiologi camente ativado O influxo do íon cálcio para dentro da célula vegetativa desencadeia a reorganização do citoes queleto e induz a célula a tornarse fisiológica e ultraes truturalmente polarizada A fonte do Ca2 é desconhecida mas pode ser o citoplasma ou a parede celular da célula papilar Imagens ao vivo do Ca2 livre em grãos de pólen de Arabidopsis mostraram que logo após a hidratação a concentração de Ca2 citosólico aumenta no local da fu tura germinação e permanece elevada até a emergência do tubo Microfilamentos de actina e vesículas secretoras acumulamse abaixo do poro de germinação ou abertu ra e o núcleo vegetativo migra para uma posição que lhe permitirá entrar no tubo polínico germinante à frente das células espermáticas Além de água e Ca2 o estigma pode prover vários outros fatores que promovem igualmente a germinação do pólen mas até o momento eles parecem ser espécieespecíficos Os tubos polínicos crescem por crescimento apical Após a germinação o tubo polínico começa a crescer por crescimento apical ver Capítulo 14 Conforme já observado ver Figura 2110C o alongamento do tubo polínico em al gumas espécies de angiospermas é extremamente rápido atingindo velocidades superiores a 5 μm por segundo in vivo em comparação com 10 a 40 nm por segundo para o crescimento apical de pelos de raízes Além disso o com primento do tubo pode alcançar 40 cm à medida que cres ce para deslocarse o correspondente ao comprimento de uma seda de milho estilete de carpelos de milho Após penetrar pelas lacunas na cutícula cerosa da célula papilar o tubo polínico entra na parede dela ver Figura 2111C Os tubos polínicos em crescimento restringem o cito plasma os dois núcleos espermáticos e o núcleo vegetativo à região apical mediante a formação de vacúolos grandes e tabiques de calose para isolar a porção basal do tubo Figura 2112 Na extremidade apical do tubo polínico localizase uma região conhecida como zona clara Figu ra 2113A Nessa zona são encontradas vesículas secre toras pequenas mas organelas grandes como núcleos retículo endoplasmático e mitocôndrias são excluídas A base molecular da zona clara parece estar relacionada à desorganização ou à reorganização dos cabos de actina que orientam a corrente citoplasmática porque corrente é observada na região atrás da zona clara mas não dentro dela Figura 2113B O citoplasma é preenchido com pe quenas vesículas secretoras que levam materiais de parede e novas membranas para o ápice em crescimento Como os tubos polínicos e outras células com cres cimento apical regulam sua polaridade é uma questão fundamental no desenvolvimento vegetal Uma hipóte se é que estão envolvidos gradientes iônicos no ápice em crescimento Por exemplo o ápice de um tubo polínico em crescimento é polarizado devido a gradientes locais de Ca2 e pH Figura 2114 A concentração de Ca2 citosó lico é alta no ápice 310 μM e cai para os níveis basais 0203 μM nos 20 μm a partir do ápice Além disso o pH citosólico é levemente ácido pH 68 no ápice da zona clara sendo alcalino pH 75 na base da zona clara Tan to a concentração de Ca2 quanto o pH citosólico oscilam na zona clara com uma periodicidade que se correlaciona com oscilações na velocidade de crescimento do tubo po línico sugerindo um vínculo entre os dois Sabese que mudanças elétricas e químicas devido às concentrações de Ca2 e ao pH desempenham papéis na sinalização celular na dinâmica do citoesqueleto no tráfego ao nível de mem brana e na exocitose estando todos envolvidos na manu tenção da polaridade do tubo polínico Receptores do tipo quinase regulam a troca da ROP1 GTPase um regulador fundamental do crescimento apical As células vegetais usam um mecanismo conservado com base em pequenas GTPases enzimas que hidrolisam GTP para GDP para regular a polaridade em vários tipos de Parede da exina Parede da intina Vacúolo Tabiques de calose Microfilamento Núcleo vegetativo Células espermáticas Vesículas contendo precursores de parede celular Retículo endoplasmático Fusão de vesículas com a membrana plasmática no ápice do tubo Corpo de Golgi Mitocôndria Figura 2112 Alongamento do tubo polínico por crescimento apical O citoplasma está concentrado na região de crescimento do tubo por vacúolos grandes e tabiques de calose De Konrad et al 2011 Taiz21indd 635 Taiz21indd 635 27102016 103614 27102016 103614 636 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento células Essas GTPases reguladoras são comutadores mo leculares que podem apresentar um ciclo entre uma forma ativa ligada à GTP e uma forma inativa ligada à GDP Fi gura 2115A Quando está em sua forma ativa uma GTPa se reguladora desencadeia rotas de transdução de sinal a jusante ver Capítulo 15 A conversão da forma ativa de volta para a forma inativa é catalisada pela própria GTPase que hidrolisa o GTP ligado a GDP A troca da GTPase é operada por outras proteínas que afetam a velocidade da hidrólise de GTP ou liberação de GDP Os fatores de tro ca de guanina nucleotídeo GEFs de guanine nucleotide exchange factors ativam GTPases inativas por substitui ção de GDP por GTP enquanto as proteínas de ativação de GTPases GAPs de GTPaseactivating proteins inati vam GTPases promovendo a hidrólise de GTP Nas plantas o crescimento apical e a expansão celu lar polar são regulados por uma família exclusiva de pe quenas GTPases denominada ROPs de Rholike GTPase Arabidopsis possui 11 genes ROP diferentes sete dos quais são abundantes ou preferencialmente expressos em grãos de pólen maduros ou tubos A ROP1 GTPase localizase sobre a membrana plas mática nos ápices de tubos polínicos em crescimento e é re guladora do crescimento apical Como com outras GTPases reguladoras a atividade de ROP1 pode ser ligada ou des ligada por GEFs ou GAPs respectivamente Há também evidências de estudos do desenvolvimento dos pelos de raízes de que os próprios GEFs são ativados por um meca nismo de sinalização envolvendo receptores do tipo qui nase RLKs de receptorlike kinases que são codificadas por uma grande família de genes no genoma de Arabidopsis A Figura 2115B ilustra um mecanismo proposto pelo qual uma RLK expressa pelo pólen interage diretamente com GEF para controlar o crescimento apical Ao ser ativada por um ligante não identificado RLK ativa GEF que por sua vez ativa ROP1 Localmente ativada ROP1 então esti mula a atividade de NADPHoxidase resultando na pro dução de espécies reativas de oxigênio EROs As EROs por sua vez promovem o influxo de Ca2 proveniente do espaço extracelular que intensifica o crescimento apical ROP1 também interage especificamente com um grupo de proteínas denominadas proteínas interativas com ROP contendo motivo CRIB RICs de ROPinteractive CRIB mo tifcontaining proteins Quando superexpressas em Ara bidopsis RIC3 e RIC4 alteram a polaridade do tubo polínico e a exocitose sugerindo que elas atuam a jusante de ROP1 Estudos posteriores demonstraram que a rota de RIC4 pro move a montagem da actina F e induz a acumulação de ve sículas exocíticas no ápice Ainda não se sabe exatamente como RIC3 e RIC4 alteram a polaridade do tubo Golgi Actina F Corrente citoplasmática Vesículas contendo precursores de parede celular B A Fusão de vesículas com a membrana plasmática no ápice do tubo Ca2 01 µM 15 µM Razão 068 095 122 pH 80 75 70 10 µm Figura 2113 Zona clara de um tubo polínico em crescimento A Micrografia da zona clara linha branca tracejada do pólen do lírio em alongamento B Dia grama de componentes ultraestruturais da zona clara Conforme indicado na ilustra ção a zona clara não é realmente clara mas contém corpos de Golgi filamentos de actina F e numerosas vesículas peque nas As setas indicam a circularidade da corrente citoplasmática de cada lado do eixo central A cortesia de J Feijo B de Cheung et al 2010 Figura 2114 Gradientes de Ca2 e pH em tubos polínicos À esquerda Gra diente de Ca2 no ápice em crescimento de um tubo polínico do lírio injetado com corante sensível ao Ca2 À direita Gradiente de pH do ápice à base no pó len do tabaco expressando um indicador sensível ao pH Cortesia de J Feijo Taiz21indd 636 Taiz21indd 636 27102016 103615 27102016 103615 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 637 O crescimento apical do tubo polínico no pistilo é orientado por estímulos físicos e químicos Para que ocorra fecundação bemsucedida o tubo polínico deve encontrar seu caminho para a micrópila do rudimento seminal Na verdade muitas vezes existe competição en tre os tubos polínicos para chegar primeiro na micrópila e desse modo conseguir fecundar a oosfera Os tecidos ma ternos circundantes podem mesmo influenciar no resultado dessa corrida um tipo de seleção de parceiro para a fe cundação Que fatores estimulam o crescimento dos tubos polínicos e os guiam para um rudimento seminal Dois modelos principais foram propostos para explicar o crescimento de tubos polínicos em direção ao rudimento seminal a hipótese mecânica e a hipótese quimiotrópi ca Na hipótese mecânica a arquitetura do pistilo dita o trajeto do tubo que segue um estreito trato transmissor conduzindo ao rudimento seminal ver Figura 2110A Durante o crescimento em direção ao rudimento semi nal os tubos polínicos estão em íntimo contato com os componentes da matriz extracelular do trato transmissor A matriz extracelular do trato transmissor é uma mistura complexa de proteínas da parede celular incluindo pro teínas arabinogalactanos glicoproteínas ricas em prolina e glicoproteínas ricas em hidroxiprolina ver Capítulo 14 De acordo com a hipótese mecânica essas proteínas for necem moléculas adesivas que mantêm o tubo no local e proporcionam tração para o crescimento através do esti lete A matriz extracelular fornece também nutrientes que podem sustentar a atividade metabólica do tubo De acordo com a hipótese quimiotrópica uma hie rarquia de sinais moleculares orienta o tubo polínico para seu destino mediante estimulação do ápice para crescer em direção ao rudimento seminal Foram identificadas al gumas moléculas expressas pelo pistilo as quais atuam na orientação do tubo polínico No lírio uma pequena proteína adesina rica em cisteína no estigmaestilete SCA de stigmastyle cysteinerich adhesin uma proteína de transferência de lipídeos é secretada pela epiderme do trato transmissor que forra o estilete oco e está envolvida no crescimento e na aderência do tubo ao longo do tra to Outra proteína pequena secretada quimiocianina um membro da família das fitocianinas de proteínas de cobre azul atua como um estímulo direcional Ao mesmo tempo em que os estágios iniciais do cres cimento do tubo polínico são regulados pelas células es porofíticas no trato transmissor análises genéticas de Ara bidopsis e experimentos sobre orientação in vivo em Torenia fournieri discutido a seguir apoiam a ideia de que sinais químicos oriundos do gametófito feminino também de sempenham papéis no direcionamento dos tubos políni cos para o rudimento seminal O tecido do estilete condiciona o tubo polínico a responder a substâncias atraentes produzidas pelas sinérgides do saco embrionário Para ir do estigma até o ovário o tubo polínico passa pelo estilete Além de servirem como um conduto para o tubo polínico alcançar o trato transmissor e o ovário os tecidos do estilete também capacitam o tubo a tornarse apto a perceber sinais de orientação provenientes do gametófi to feminino Conforme descrito a seguir Torenia fournieri um membro das Lamiales que inclui a alfazema e o lilás proporciona um sistemamodelo apropriado para estudar a produção de substâncias atraentes ao tubo polínico pelo gametófito feminino além de ser usada para revelar o pa pel do estilete na preparação da resposta do tubo polínico às substâncias atraentes liberadas pelo saco embrionário Na imensa maioria das angiospermas os tecidos es porofíticos do rudimento seminal tegumentos não podem ser facilmente removidos do saco embrionário Todavia em T fournieri e em várias outras espécies o saco embrioná rio cresce para fora passando pela micrópila em direção ao funículo Figura 2116 Nesta espécie a oosfera as duas sinérgides e aproximadamente a metade da célula central estão portanto localizadas fora do rudimento seminal GDP Pi GEF GAP 1 Ligante não identificado ativa RLK 2 RLK ativa GEF 3 GEF ativa ROP 4 ROP estimula a atividade da NADPHoxidase sobre a membrana plasmática 5 NADPH oxidase produz ERO 6 ERO promove o influxo de Ca2 7 O influxo de Ca2 aumenta a velocidade de crescimento do tubo polínico RLK B A Proteína GGTP forma ativa Proteína GGDP forma inativa GEF ROP ROP ERO Ligante GTP GTP GDP Ca2 Ca2 NADPH oxidase Alongamento do tubo polínico Rota de transdução de sinal Figura 2115 A Fatores de troca de guanina nucleotídeo GEFs e proteínas de ativação de GTPase GAPs regulam as atividades de pequenas GTPases ROPs que atuam como comutadores molecu lares nos tubos polínicos B Modelo para regulação do crescimen to do tubo polínico por receptores do tipo quinase RLKs e ROP GTPases Estudos recentes sugerem que ROP1 está concentrada na região apical do tubo polínico Taiz21indd 637 Taiz21indd 637 27102016 103615 27102016 103615 638 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Quando os rudimentos seminais de T fournieri são exci sados da placenta os sacos embrionários nus ficam direta mente expostos ao meio Experimentos demonstraram que quando rudimentos seminais de T fournieri excisados são cocultivados com tubos polínicos germinados in vitro em um meio nutritivo os tubos não crescem em direção ao rudimento seminal No entanto se primeiro germinarem sobre um estigma vivo e puderem emergir da extremidade cortada do estilete os grãos de pólen de T fournieri crescem em direção à extremidade micropilar do saco embrionário ver Figura 2116F Esse experimento demonstra que o tubo polínico interage com o esporófito feminino e se torna con dicionado de uma maneira que seja capaz de responder aos B A C D E F RS RS RS SE SE SE CC CC CC O SISISI AF AF AF RS RS RS TP TP TP 05 mm 1 mm Figura 2116 Uso de rudimentos seminais de Torenia fournieri ex cisados para estudar a influência do estilete no crescimento direcio nado do tubo polínico A Flor de T fournieri B Saco embrionário SE de T fournieri estendendose desde a região micropilar do rudi mento seminal RS excisado C Vista ampliada do saco embrionário nu mostrando a célula central CC a oosfera O e uma das duas sinérgides SI com seu aparelho filiforme AF D Rudimentos semi nais colocados perto do estilete polinizado E Imagem em campo escuro mostrando o crescimento de tubos polínicos em direção aos rudimentos seminais F Micrografia de um tubo polínico TP que al cançou a extremidade micropilar de um saco embrionário nu em um rudimento seminal RS BF de Higashiyama et al 1998 sinais oriundos do gametófito feminino e crescer em dire ção à micrópila Na verdade em Arabidopsis comparações dos transcriptomas de tubos polínicos germinados in vitro ou através dos tecidos do pistilo mostraram que mudanças significantes na expressão gênica são induzidas pelo cresci mento através dos tecidos do pistilo A fonte celular da substância atraente do tubo políni co em T fournieri foi identificada por ablação a laser de cé lulas específicas do saco embrionário Os tubos polínicos não conseguiam crescer em direção ao rudimento seminal somente se as sinérgides mas não a oosfera ou a célula central fossem mortas As substâncias quimioatraentes do pólen de Torenia foram identificadas como peptídeos ricos em cisteína denominados LUREs Os LUREs estão relacionados às defensinas um grupo de proteínas antimi crobianas encontrado em animais e plantas Os diversos LUREs de Torenia aparentemente atuam de uma maneira espécieespecífica Proteínas semelhantes a LUREs foram identificadas em Arabidopsis óvulos de T fournieri expres sando um LURE de Arabidopsis atraem preferencialmente tubos polínicos de Arabidopsis A fecundação dupla ocorre em três estágios distintos O tubo polínico quando sensível às substâncias químicas atraentes secretadas pelas sinérgides cresce através da micrópila penetra no saco embrionário e entra em uma das sinérgides Uma vez no interior da sinérgide o tubo Taiz21indd 638 Taiz21indd 638 27102016 103615 27102016 103615 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 639 polínico cessa o crescimento e o ápice rompese brusca mente liberando as duas células espermáticas O comportamento das células espermáticas em Ara bidopsis com base em imagem ao vivo de células marca das com fluorescência pode ser dividido em três estágios Figura 2117 Primeiro o tubo polínico rompe brusca mente alguns segundos após entrar na sinérgide durante ou pouco antes da desintegração da sinérgide receptora Segundo as duas células espermáticas permanecem esta cionárias na região limítrofe entre a oosfera e a célula cen tral por cerca de 7 minutos Terceiro um espermatozoide fusionase com a oosfera e o outro com a célula central completando a fecundação dupla Muitas perguntas sobre a fecundação dupla permane cem Por exemplo como é regulado o rompimento brusco do tubo polínico De acordo com um modelo uma RLK na membrana plasmática da sinérgide tornase ativada e estimula a produção de EROs e a absorção de Ca2 Já que radicais hidroxila aplicados exogenamente provocam o rompimento brusco de tubos polínicos de uma maneira dependente de Ca2 é possível que uma combinação de ra dicais hidroxila e concentração alta de Ca2 possa causar o rompimento do tubo polínico após a entrada na sinérgide Outra pergunta referese a o que determina o compor tamento das células espermáticas após elas serem liberadas do tubo polínico É provável que células espermáticas des carregadas troquem sinais adicionais com os gametas femi ninos para preparar a fusão Em Arabidopsis por exemplo uma proteína rica em cisteína é liberada da oosfera quando o espermatozoide chega O espermatozoide responde se cretando uma proteína de membrana específica sobre sua superfície Essa proteína na superfície do espermatozoide aparentemente facilita a fusão dos gametas masculino e fe minino Coerente com essa hipótese células espermáticas mutantes que não têm a proteína na superfície são incapa zes de fecundar a oosfera ou a célula central Autopolinização versus polinização cruzada Muitas espécies desenvolveram mecanismos para impedir a autopolinização e promover a polinização cruzada o que aumenta a diversidade genética e a capacidade de adap tação a condições ambientais diferentes O mecanismo básico adotado pelas plantas floríferas para impedir a au topolinização é a autoincompatibilidade polínica que será discutida mais adiante nesta seção Certas características da morfologia floral ou da sincronia de desenvolvimento podem promover a polinização cruzada como quando os estames e os pistilos de uma flor bissexual ou plantas mo noicas amadurecem em momentos diferentes Por fim a produção de indivíduos com esterilidade masculina fun cionalmente femininos também atua para impedir a au topolinização e promover a polinização cruzada Espécies bissexuais e monoicas desenvolveram características florais para assegurar a polinização cruzada Uma vez que as plantas floríferas na maioria mais de 85 são bissexuais os primeiros botânicos assumiram que elas deveriam realizar autopolinização Portanto foi uma surpresa quando no final do século XVIII Christian Kon rad Sprengel demonstrou que na maioria das angiosper mas a morfologia floral parece ser otimizada para atrair insetos polinizadores os quais facilitam a polinização cruzada em vez da autopolinização Foram identificados atributos temporais e espaciais da morfologia floral que impediam a autopolinização tanto em espécies bissexuais quanto em monoicas Na dicogamia os estames e os pis tilos amadurecem em momentos diferentes Existem dois tipos de dicogamia protandria e protoginia Nas flores pro tândricas os estames amadurecem antes dos pistilos ao passo que nas flores protogínicas os pistilos amadurecem antes dos estames Figura 2118A Como os indivíduos de uma população selvagem se encontram em diferentes está gios de desenvolvimento em determinado momento sem pre haverá pólen disponível para cada pistilo e viceversa Outra característica floral que promove a polinização cruzada é a heterostilia Em espécies heterostílicas exis tem dois ou três tipos morfológicos de flores chamados de morfos na mesma população Os morfos florais dife Núcleo da célula central Oosfera Sinérgides Célula central Células espermáticas Tubo polínico Núcleo vegetativo Antípodas 1 O tubo polínico rompese e descarrega As células espermáticas são transportadas rapidamente do tubo polínico para dentro do gametófito feminino A sinérgide receptiva provavelmente se desintegre logo após o início da descarga do tubo polínico 2 Duas células espermáticas permanecem por vários minutos na região limítrofe entre a oosfera e a célula central 3 Uma célula espermática fusionase com a oosfera e a outra com a célula central e seus núcleos movemse em direção aos núcleosalvo 1 2 3 Figura 2117 O comportamento da célula espermática duran te a fecundação dupla em Arabidopsis pode ser dividido em três estágios Taiz21indd 639 Taiz21indd 639 27102016 103615 27102016 103615 640 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento rem nos comprimentos do pistilo e dos estames Em um morfo os estames são curtos e o pistilo é longo enquanto no segundo morfo ocorre o inverso Figura 2118B Os comprimentos dos estames e dos pistilos nos dois morfos são adaptados à polinização por polinizadores diferentes ou por partes diferentes do corpo do mesmo polinizador promovendo assim a polinização cruzada Esterilidade masculina citoplasmática ocorre na natureza e é de grande utilidade na agricultura A esterilidade masculina incapacidade de produzir pólen funcional é comum nas plantas e impede efetivamente a autopolinização A esterilidade com frequência tem heran ça maternal causada por mutações de ganho de função do genoma mitocondrial sendo por isso denominada esteri lidade masculina citoplasmática CMS de cytoplasmic male sterility A CMS tem sido muito estudada em uma ampla diversidade de culturas agrícolas visando sua exploração em programas de melhoramento A maioria dos tipos de mutações de CMS é causada por rearranjos cromossômicos mitocondriais que produ zem genes quiméricos com novas funções Os genomas mitocondriais vegetais são grandes variáveis em tamanho e tendem a sofrer recombinação em regiões específicas ver Capítulo 2 e Tópico 126 na internet Os rearranjos do genoma mitocondrial podem resultar em fusões entre sequências mitocondriais distintas produzindo às vezes Estame Liberação do pólen Liberação do pólen Tempo Tempo Flor protândrica Flor protogínica Receptividade do estigma Estigma A Dicogamia Morfo com estilete longo Morfo com estilete curto B Heterostilia Receptividade do estigma Pistilo Figura 2118 Adaptações morfológicas em flores que promovem a polinização cruzada A Dicogamia Nas flores protândricas a liberação dos grãos de pólen das anteras ocorre antes da receptividade do estigma indicada pelo estigma aberto Nas flores protogínicas a receptividade do estigma precede a liberação do pólen B Heterostilia Dois tipos de flores morfologicamente diferentes são produzidos morfos com estilete longo e morfos com estilete curto Devido às reações de in compatibilidade os dois tipos podem polinizarse mutuamente mas não ocorre autopolinização um gene novo funcional Embora até agora não tenham sido isoladas duas mutações de CMS iguais todas pare cem inibir a função mitocondrial quando expressas na an tera resultando na produção de EROs e na morte celular programada mediada pelas EROs Para uma discussão sobre o mecanismo molecular da CMS no arroz e sua in versão ver Tópico 214 na internet A autoincompatibilidade é o mecanismo básico que impõe a polinização cruzada em angiospermas As esterilidades masculina citoplasmática e floral morfo lógica promovem a polinização cruzada em algumas es pécies mas na imensa maioria das espécies bissexuais a polinização cruzada é imposta por um mecanismo de re conhecimento de próprionão próprio selfnonself deno minado autoincompatibilidade SI de selfincompatibility Os sistemas de SI evoluíram diversas vezes nas plantas floríferas levando a uma série diferente de mecanismos A SI cria uma barreira bioquímica que impede a autopo linização ao mesmo tempo em que permite a polinização por outro indivíduo da mesma espécie A capacidade de distinguir entre próprio e não próprio é uma função ubíqua e essencial de espécies tanto multice lulares quanto microbianas Em vertebrados por exemplo o reconhecimento de não próprio depende do complexo principal de histocompatibilidade MHC de major histo compatibility complex no qual a variabilidade alélica ou polimorfismo nos loci do MHC facilita a discriminação de próprionão próprio Nas plantas o reconhecimento de próprionão próprio durante a reprodução sexuada é me Taiz21indd 640 Taiz21indd 640 27102016 103615 27102016 103615 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 641 diado pelo locus da autoincompatibilidade S que direciona o reconhecimento e a rejeição de pólen próprio selfpollen O locus S consiste em genes múltiplos ou determinantes que são expressos na antera e no grão de pólen masculino ou no pistilo feminino Os genes determinantes femini nos e masculinos são herdados como uma unidade segre gante única e possuem muitos alelos As variantes alélicas do complexo gênico são chamadas de haplótipos S Um haplótipo é qualquer combinação de alelos em loci adjacen tes sobre um cromossomo que são herdados juntos Durante a polinização as proteínas expressas pelos alelos dos genes determinantes determinam se o pólen será percebido pelo estigma como próprio ou não próprio Se o grão de pólen e as células estigmáticas transportarem alelos do mesmo haplótipo S ocorre uma reação incompa tível e o pólen é rejeitado No entanto se os haplótipos S do pólen e estigma transportarem alelos diferentes a con tinuidade da polinização e da fecundação são permitidas Existem dois tipos principais de categorias de sistemas de SI em plantas ambos definidos pelo fenótipo da incom patibilidade do grão de pólen Figura 2119 Na autoincom patibilidade esporofítica SSI de sporophytic selfincompati bility o fenótipo da incompatibilidade do grão de pólen é determinado pelo genoma diploide do progenitor do pólen especificamente o tapete da antera Se qualquer um dos haplótipos S do genitor do pólen corresponder a qualquer um dos haplótipos S no pistilo então ocorrerá rejeição As reações de SSI em geral bloqueiam o crescimento do pólen antes da hidratação e da germinação Todavia se o pólen de SSI não germinado for removido do estigma incompatível e colocado sobre um estigma compatível ele se recuperará Na autoincompatibilidade gametofítica GSI de ga metophytic selfincompatibility o fenótipo da incompatibi lidade do pólen é determinado pelo genótipo do próprio pólen haploide Nesse caso ocorre rejeição se o único haplótipo S do grão de pólen corresponder a qualquer um dos haplótipos S no pistilo As reações de GSI em geral cessam o desenvolvimento do tubo polínico após ele ter crescido parcialmente através do estilete Ao contrário da SSI as reações de GSI em geral matam o tubo polínico Correlações têm sido feitas entre o tipo de sistema de SI e outras características reprodutivas da flor Por exem plo a SSI é muitas vezes associada a estigma seco ao pas so que a GSI tem sido correlacionada com estigma úmido Portanto o pólen com SSI deve obter água do estigma an tes que o tubo polínico possa emergir já o pólen com GSI fica hidratado e metabolicamente ativo tão logo chegue ao estigma permitindo que sua germinação seja relativa mente rápida O sistema de autoincompatibilidade esporofítica em Brassicaceae requer dois genes no locus S Até agora o único sistema de SI esporofítica que foi carac terizado em cada detalhe é o das Brassicaceae Nas Brassi caceae dois genes do locus S altamente polimórficos estão envolvidos na resposta à SI Figura 2120 O determinan te S masculino é uma proteína rica em cisteína localizada no revestimento do pólen e denominada proteína rica em cisteína do locus S SCR de Slocus cysteinerich protein Embora as SCRs sejam expressas no tapete diploide e no grão de pólen haploide somente as produzidas pelo ta pete são essenciais para a reação de SI Por essa razão o sistema de SI nas Brassicaceae é considerado esporofítico O determinante S feminino é um receptor quinase com serinatreonina denominado receptor quinase do locus S SRK de Slocus receptor kinase localizado na membrana plasmática de células do estigma SRK tem um domínio extracelular altamente variável entre haplótipos S diferen tes conforme se espera de uma proteína envolvida no au torreconhecimento Durante a microgametogênese o tapete diploide libe ra diversas proteínas incluindo dois tipos de SCRs uma de cada haplótipo S que são incorporadas à camada de exina da parede celular do grão de pólen Após a poliniza ção as SCRs difundemse para a superfície do estigma e penetram na parede da célula papilar até alcançar a mem brana plasmática Como o estigma é diploide a membrana plasmática da célula papilar contém dois tipos de SRKs um S1S2 S1S2 6 7 Gameta A Autoincompatibilidade esporofítica Pistilo S1 S3 6 S3 S4 S1 6 7 7 B Autoincompatibilidade gametofítica S2 S2 S3 S2 6 7 7 S3 S2 S3 7 Tubos polínicos inibidos S1S2 S1S2 Figura 2119 Comparação de autoincompatibilidade esporo fítica e gametofítica A Autoincompatibilidade esporofítica SSI O crescimento do tubo polínico prossegue somente se o genótipo diploide do progenitor não corresponder ao progenitor feminino B Autoincompatibilidade gametofítica GSI O crescimento do tubo polínico prossegue somente se o genótipo haploide não cor responder ao locus S feminino Taiz21indd 641 Taiz21indd 641 27102016 103615 27102016 103615 642 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento para cada haplótipo S Cada SRK reconhece e ligase ape nas à sua SCR cognata sobre o mesmo haplótipo do locus S Se isso acontecer a ligação da SCR à SRK causa autofos forilação do receptor A fosforilação do receptor SRK inicia uma cascata de sinalização que rapidamente inibe funções que normalmente facilitariam a hidratação e a germinação do pólen A reação de SSI ocorre mesmo se apenas um dos dois haplótipos S representados no revestimento do pólen como SCRs estiver presente no genoma do estigma A autoincompatibilidade gametofítica é mediada por proteínas citotóxicas SRNase e Fbox A GSI é a forma predominante de SI nas plantas floríferas A GSI é controlada por um único locus multialélico locus S contendo dois genes firmemente ligados um codifi cando o determinante masculino expresso no pólen e o outro codificando o determinante feminino expresso no pistilo Nas famílias Solanaceae Scrophulariaceae e Ro saceae o determinante no pólen é especificado por um gene que codifica uma proteína Fbox SLFSFB que está envolvida na marcação de proteínas para degradação via rota de ubiquitinação ver Capítulo 2 O determinante no pistilo é especificado por um gene da Sribonuclease SRNase citotóxica que é especificamente expresso no trato transmissor do estilete A rejeição do tubo polínico ocorre sempre que houver uma correspondência entre o determinante S do pólen haploide e um dos dois determi nantes S expressos no estilete diploide A base molecular para a interação entre os determi nantes S masculino e feminino na GSI é pouco conheci da Um avanço fundamental foi a descoberta de que as SRNases produzidas no trato transmissor podem ser captadas pelo tubo polínico independentemente de o determinante no pólen ser ou não alélico ao haplótipo do pistilo Em outras palavras o reconhecimento entre a SRNase e o determinante S do pólen ocorre no inte rior do tubo polínico onde somente SRNases próprias seriam citotóxicas Essa observação era coerente com a identificação do determinante no pólen SLFSFB como uma proteína Fbox componente do complexo de SCF E3 ligase que está envolvido na degradação proteica pela rota dependente de ubiquitinaproteassomo 26S Isso sugere um modelo simples em que o reconhecimento da SRNase não própria pelo SCFSLF do tubo polínico leva à ubiquiti nação e à degradação das SRNases não próprias no tubo polínico Figura 2121 A degradação da SRNase não própria pelo SCFSLF impediria a citotoxicidade da RNase e permitiria que o tubo polínico continuasse crescendo mas SCFSLF não consegue se ligar à SRNase captada do trato transmissor Como consequência a SRNase digere o RNA da célula vegetativa do tubo polínico levando à morte celular Esse modelo simples é explicativo mas não esclarece todos os aspectos da GSI Por exemplo o se questro de SRNase no vacúolo da célula do tubo parece desempenhar um papel importante na proteção contra a citotoxicidade Durante reações incompatíveis a desinte gração da membrana vacuolar pode desencadear morte celular programada da célula do tubo Apomixia reprodução assexuada por semente Em algumas espécies o embrião não é produzido como resultado de meiose e fecundação mas de uma célula do rudimento seminal sem redução cromossômica diploide Pólen de S2 Pólen de S1 Estigma de S1S3 Ligante SCR1 Casca do pólen Receptor SRK3 Membrana plasmática Receptor SRK1 Ligante SCR2 Autoincompatível O ligante SCR2 não se liga ao receptor SRK1 nem ao receptor SRK3 permitindo a germinação do pólen O ligante SCR1 ligase aos receptores SRK1 impedindo a germinação Figura 2120 Interações receptorligante e reconhecimento de pólen próprio na superfície epidérmica do estigma O diagrama mostra dois grãos de pólen com haplótipos diferentes S2 e S1 sobre o estigma de um heterozigoto S1S3 autoincompatível O ligante da proteína rica em cisteína do locus S SCR de cada grão de pólen está localizado na parede celular polínica e é transportado para a superfície epidérmica quando o grão chega ao estigma O ligan te SCR1 dos grãos de pólen que expressam o haplótipo S1 se liga ao receptor SRK1 na superfície da célula estigmática de S1S3 e o ativa desencadeando a cascata de sinalização que leva à inibição da hidratação da germinação e do crescimento do tubo Por outro lado um grão de pólen derivado de uma planta que não expressa o haplótipo S1 nem o S3 p ex o haplótipo S2 produz um ligante SCR2 que não consegue se ligar aos receptores SRK e ativálos per mitindo que o crescimento do tubo polínico prossiga Taiz21indd 642 Taiz21indd 642 27102016 103615 27102016 103615 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 643 a qual se diferencia diretamente em um zigoto e por essa razão é geneticamente idêntica ao progenitor feminino Esse tipo de reprodução assexuada ou clonal por semente é conhecido como apomixia e as plantas produzidas dessa maneira são apomíticas A apomixia é encontrada em cerca de 01 das angiospermas mais de 40 famílias incluindo as monocotiledôneas e as eudicotiledôneas Os exemplos comuns incluem as espécies cítricas manga dentede leão amorapreta maçã silvestre e gramíneas forrageiras do gênero Panicum Os diversos tipos de apomixia são des critos no Tópico 215 na internet A apomixia não é um beco sem saída evolutivo Por causa de sua natureza clonal a apomixia já foi consi derada um beco sem saída evolutivo geneticamente dis tinta da reprodução sexuada Essa hipótese foi baseada na suposição de que a apomixia representava um ponto irre versível do ramo filogenético que inevitavelmente levaria à extinção da linhagem Essa visão está agora superada por análises filogenéticas mostrando que a apomixia não só é amplamente distribuída em linhagens de ramos iniciais e tardios mas que ela é igualmente reversível Ou seja li nhagens que foram uma vez apomíticas às vezes voltam à reprodução sexuada obrigatória O controle genético da apomixia tem como base a al teração da expressão dos mesmos genes que controlam o desenvolvimento normal do nucelo e do megagametófito Uma vez que a maioria dos genótipos apomíticos é poli ploide sugeriuse que a evolução da apomixia pode ter contribuído para o valor adaptativo fitness de espécies poliploides A elucidação do mecanismo da apomixia pode poten cialmente fornecer aos melhoristas vegetais uma ferra menta nova importante para beneficiar culturas agrícolas Muitas de nossas culturas mais produtivas como o milho são híbridos que foram desenvolvidos para tirar proveito do fenômeno da heterose ou vigor híbrido ver Capítulo 2 Como os híbridos vegetais não se reproduzem e por isso não podem ser propagados por semente as sementes hí bridas devem ser geradas novamente em cada estação me diante repetição do cruzamento original No entanto se a apomixia fosse introduzida no híbrido F1 este seria capaz de produzir sementes por clonagem evitando portanto o problema da perda de heterose na geração F2 Dado o potencial dessas técnicas para acelerar o progresso do me lhoramento vegetal recentemente as pesquisas sobre os mecanismos de desenvolvimento sexuado em plantas têm sido intensificadas Desenvolvimento do endosperma Partindose de uma perspectiva ecológica e agrícola o ci clo de vida vegetal começa e termina com uma semente Agora retomase a trajetória do rudimento seminal das angiospermas imediatamente após a fecundação dupla e acompanhase sua transformação em uma semente madura O endosperma desenvolvese a partir das divisões mitóticas do núcleo do endosperma primário resultante da fecundação dupla Em angiospermas existem três tipos de desenvolvimento do endosperma nuclear celular e helobial Desses o tipo nuclear é o mais comum e tem sido ampla mente estudado em sementes de cereais e de Arabidopsis conforme será discutido nas seções seguintes Ver Tópico 216 na internet para uma descrição dos outros tipos de endosperma Citosol do tubo polínico Tubo polínico próprio SRNases Degradação do RNA Ubiquitina Complexo SCFSLF 1 As SRNases provenientes do trato transmissor do estilete diploide entram no tubo polínico haploide 2 O complexo SCFSLF ubiquitina e degrada apenas SRNases não próprias 3 As SRNases próprias são livres para degradar o RNA celular 5 O RNA não é degradado permitindo que o grão de pólen cresça 4 O complexo SCFSLF ubiquitina e degrada todas as SRNases não próprias Tubo polínico de cruzamento RNA SRNases Figura 2121 Modelo de degra dação das RNases para a autoincom patibilidade gametofítica GSI À es querda Tubo polínico próprio Como o pólen é haploide seu complexo SCFSLF reconhece e degrada apenas SRNase não própria produzida pelo trato trans missor diploide Como consequência a SRNase própria remanescente é livre para degradar o RNA celular À direita Tubo polínico de cruzamento Duran te a polinização cruzada o complexo SCFSLF do tubo polínico reconhece e degrada ambas as SRNases não pró prias o que elimina a toxicidade e per mite que o crescimento do tubo políni co prossiga Taiz21indd 643 Taiz21indd 643 27102016 103615 27102016 103615 644 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Durante a morfogênese da semente o en dosperma fornece nutrientes para o embrião em desenvolvimento Em algumas espécies existe endosperma remanescente que é su ficiente para nutrir também a plântula Em Arabidopsis e em muitas outras espécies o en dosperma é quase completamente reabsorvido solubilizado e absorvido durante a embrio gênese as reservas que sustentarão o cresci mento inicial da plântula são armazenadas nos cotilédones partes do embrião Figura 2122 Os cotilédones carnosos de leguminosas são altamente especializados na armazenagem de alimento ver Capítulo 18 Em cereais e em ou tras gramíneas o endosperma persiste durante o desenvolvimento da semente e passa a ser o local principal para a armazenagem de amido e proteína Figura 2123 A mobilização dessas reservas para o transporte ao embrião é a fun ção final do endosperma antes que ele passe por morte celular programada à medida que a plântula se torna estabelecida 0 2 4 Dias após a polinização 7 12 A C B Testa e pericarpo Endosperma Camada de aleurona Endosperma amiláceo Embrião Coleóptilo Escutelo Radícula Coleorriza Endosperma amiláceo Embrião Camada de aleurona Casca geral da semente Endosperma periférico Embrião Vacúolo Endosperma calazal Endosperma micropilar Suspensor Casca calazal da semente Calaza Micrópila Cordão pigmentado Regiões do tegumento interno Embrião Endosperma Camada de aleurona Calaza Micrópila Cordão pigmentado Regiões do tegumento interno Embrião A B C Figura 2122 Estrutura da semente de Arabidopsis A Diagra ma de uma semente de Arabidopsis com o embrião no estágio de desenvolvimento em torpedo B Fotomicrografia de um corte co rado de uma semente de Arabidopsis no mesmo estágio de A O embrião está embebido no tecido endospérmico maduro A se mente é coberta por uma casca derivada dos tecidos dos tegumen tos interno e externo do rudimento seminal C Semente madura O endosperma foi em grande parte reabsorvido e o embrião preen che a semente Os cotilédones contêm reservas armazenadas que sustentarão o crescimento inicial da plântula após a germinação De Debeaujon et al 2003 Figura 2123 Estrutura da semente de cereal ten do como exemplo o trigo Triticum aestivum A Vista superficial da semente mostrando a localização do em brião em relação ao endosperma B Corte longitudinal de um extremo ao outro da semente C Desenvolvi mento do embrião C de Cosségal et al 2007 Taiz21indd 644 Taiz21indd 644 27102016 103615 27102016 103615 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 645 Em sementes com um endosperma do tipo nuclear o desenvolvimento se processa em duas fases uma fase cenocítica e uma fase celular Logo após a fecundação du pla o núcleo do endosperma submetese a vários ciclos de mitose sem citocineses formando um cenócito massa multinucleada Em determinado momento que varia com a espécie à medida que passa por celularização o cenócito deposita parede celular ao redor de cada núcleo A celularização do endosperma cenocítico em Arabidopsis avança da região micropilar para a calazal A Figura 2124 ilustra vários estágios no desenvolvimento do cenócito do endosperma de Arabidopsis O núcleo do endosperma primário passa por uma série de oito divisões mitóticas sem citocinese levando à produção de cerca de 200 núcleos localizados principalmente na periferia da grande célula central No estágio de embrião globular o cenócito do endosperma de Arabidopsis tem três regiões que se tornam distintas à medida que a semente cresce o endosperma micropilar que circunda o embrião o en dosperma periférico na câmara central e o endosperma calazal A celularização do endosperma cenocítico em Ara bidopsis começa na região do endosperma micropilar e avança para a região calazal ver Figura 2124 partes EG O processo é iniciado durante o estágio globular da em briogênese no momento em que o cenócito está organiza do em domínios citoplasmáticos nucleares uniformemente espaçados definidos por sistemas radiais de microtúbulos Figura 2125 ver partes A e B Minifragmoplastos ver Capítulo 1 reúnemse nos limites dos domínios citoplas máticos nucleares adjacentes e da fusão de vesículas no plano de divisão ver Figura 2125C A seguir desenvol vese uma placa celular coesa pela fusão da membrana tubular em lâminas porosas O último estágio é a fusão de um lado da placa celular com a membrana plasmática parental ver Figura 2125D Após a formação da parede entre domínios citoplasmáticos nucleares adjacentes as células são referidas como células alveolares devido à sua natureza tubular a extremidade da célula voltada para o vacúolo central não tem parede transversal e está aberta ao citoplasma da célula central Divisões subsequentes das células alveolares para o interior levam à formação da pa rede transversal nas camadas celulares periféricas Final mente todo o endosperma fica celularizado Endosperma periférico Embrião Vacúolo central Endosperma calazal Endosperma micropilar Endosperma cenocítico A B C D Núcleo do endosperma Endosperma periférico Célula semelhante à da camada de aleurona Alvéolos Região calazal Domínio do endosperma micropilar E F G Vacúolo Vacúolo Sistema radial de microtúbulos Endosperma celularizado Alvéolos Embrião Endosperma calazal Embrião maduro Figura 2124 Desenvolvimento do cenócito do endosperma de Arabidopsis AD O núcleo do endosperma primário passa por divi sões nucleares livres e os núcleos resultantes migram para a perife ria da célula cenocítica central EG A celularização do cenócito do endosperma começa na região do endosperma micropilar e avança para a região calazal Quase toda a fina camada de endosperma na periferia camada de aleurona é reabsorvida pelo embrião em cres cimento durante o desenvolvimento De Olsen 2004 Taiz21indd 645 Taiz21indd 645 27102016 103615 27102016 103615 646 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento O endosperma celular de Arabidopsis é em gran de parte consumido à medida que o embrião cresce Na maturidade um embrião volumoso preenche a semente e apenas uma única camada de endosperma permanece na semente madura ver Figuras 2122C e 2124G Confor me discutido no Capítulo 18 a camada persistente de en dosperma às vezes referida como camada de aleurona por analogia aos grãos de cereais contribui para a dormência imposta pela casca em Arabidopsis e em outras espécies com sementes pequenas e a desintegração de sua parede celular é necessária para a conclusão da germinação A celularização do endosperma cenocítico de cereais avança centripetamente Em cereais o endosperma não é consumido durante a em briogênese e como consequência ele ocupa um volume muito maior da semente madura ver Figura 2123 Durante o desenvolvimento do endosperma do ce real o núcleo do endosperma primário triploide passa por uma série de divisões mitóticas sem citocinese Os núcleos resultantes dessas divisões migram para a peri feria da célula central que igualmente contém um gran de vacúolo central Figura 2126 ver partes AD Como no cenócito de Arabidopsis cada um dos núcleos é circun dado por microtúbulos dispostos radialmente ver Figura 2126E Paredes anticlinais formamse inicialmente en tre núcleos adjacentes resultando nas células alveolares tubiformes com a extremidade aberta apontando em direção ao vacúolo central ver Figura 2126F A seguir os núcleos alveolares passam por uma ou mais divisões mitóticas periclinais seguidas por citocinese produzindo célulasfilhas A camada mais interna das célulasfilhas permanece com estrutura alveolar e continua a se dividir periclinalmente até que a celularização seja completa ver Figura 2126G e H A fonte mais importante de células endospérmicas amiláceas é constituída pelas células internas das fileiras celulares presentes na conclusão da celularização do en dosperma ver Figura 2126H Logo após isso ocorrem novas divisões celulares com os planos de divisão agora orientados aleatoriamente de modo que o padrão de fi leiras celulares é em seguida perdido A segunda fonte de células endospérmicas amiláceas é representada pe las célulasfilhas internas da camada de aleurona que se divide periclinalmente Essas células rediferenciamse tornandose as camadas externas do endosperma ami láceo O desenvolvimento do endosperma e a embriogênese podem ocorrer autonomamente Embora a embriogênese e a formação do endosperma ocorram de modo simultâneo e em íntima proximidade os dois programas de desenvolvimento são experimen talmente separáveis Por exemplo a capacidade de gerar embriões somáticos assexuados em cultura de tecidos um procedimento rotineiro em muitos laboratórios de bio tecnologia demonstra que a embriogênese pode ocorrer na ausência dos tecidos da semente circundantes Nesse caso o meio nutritivo que inclui hormônios substitui um endosperma nutritivo Inversamente em Arabidopsis mutações em qual quer um dos três genes FERTILIZATIONINDEPENDENT SEED FIS FIS1 FIS2 e FIS3 desencadeiam o desenvol vimento autônomo do endosperma na ausência de fecun dação e formação de embrião O endosperma mutante é diploide em vez de triploide mas de resto é normal Já que a casca da semente testa e o fruto síliqua são formados nos mutantes fis o desenvolvimento de endosperma testa e parede do ovário parece ser coordenado Endosperma periférico Endosperma calazal Domínio do endosperma micropilar Vacúolo central Microtúbulo Núcleo Placa de divisão Embrião A Visão geral B Domínios citoplasmáticos nucleares C Formação da parede transversal estágio inicial Domínios citoplasmáticos nucleares Complexo de Golgi Membrana plasmática Parede celular Minifragmoplasto Crescimento marginal da placa celular D Formação da parede transversal estágio tardio Figura 2125 Formação da parede transversal no endosperma periférico de Arabidopsis A A celularização começa durante o estágio globular da embriogênese B O cenócito está organizado em domínios citoplasmáticos nucleares definidos por microtúbulos radiais C Os minifragmoplastos formamse nos limites entre domí nios adjacentes D As vesículas fusionamse formando as paredes transversais De Otegui 2007 Taiz21indd 646 Taiz21indd 646 27102016 103615 27102016 103615 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 647 Muitos dos genes que controlam o desenvolvimento do endosperma são expressos maternalmente Há milhares de anos os criadores de animais conhecem os efeitos do progenitor de origem Por exemplo o cru zamento de jumentos com cavalos produz bardotos bar doto masculino bartoda feminino quando o progenitor masculino é o cavalo e muares mula e burro quando o progenitor feminino é a égua No milho certos alelos dos genes R e B que regulam a acumulação de antocianinas produzem grãos quando herdados de um progenitor mas não os produzem quando herdados do outro progenitor Os efeitos do progenitor de origem são definidos como fenótipos que dependem do sexo do progenitor do qual a característica foi herdada Um subconjunto dos efeitos do progenitor de origem é causado pela expressão gênica impressa Os genes im pressos são expressos predominantemente do alelo mater no ou do paterno ao contrário dos genes não impressos em que os alelos de ambos os progenitores são expressos igual mente A expressão gênica impressa é considerada epige nética pois os alelos que têm sequências de DNA idênticas ou quase idênticas são expressos diferentemente As dife renças na expressão resultam de modificação covalente do DNA ou de suas proteínas associadas ver Capítulo 2 Os genes expressos maternamente e silenciados pa ternalmente são referidos com genes expressos mater nalmente MEGs de maternally expressed genes os que são expressos paternalmente e silenciados maternalmente se chamam genes expressos paternalmente PEGs de pa ternally expressed genes Nas plantas floríferas a expressão gênica impressa é quase completamente restrita ao tecido endospérmico em dois estudos diferentes em Arabidopsis elas são predominantemente MEGs 100165 MEGs versus 1043 PEGs A importância evolutiva do papel dos MEGs no endosperma é que o progenitor feminino controla a nu trição do embrião em desenvolvimento Genes impressos foram identificados no próprio embrião As proteínas FIS são membros de um complexo repressivo Polycomb PRC2 que reprime o desenvolvimento do endosperma A característica importante dos mutantes fis em Arabidop sis foi revelada após cruzamentos recíprocos entre mutan tes e tipos selvagens Esses cruzamentos mostraram que o endosperma defeituoso e o embrião abortivo eram ob servados somente após a herança materna de um alelo do mutante fis Esse efeito do progenitor de origem é devido à expressão diferencial de alelos paternos e maternos causa da por impressão genômica parental Tais efeitos do pro genitor de origem são regulados em parte por proteínas do grupo Polycomb As proteínas do grupo Polycomb são reguladores conservados evolutivamente que reprimem a transcrição de seus genesalvo que muitas vezes exercem papéis es senciais na proliferação e na diferenciação celular Elas medeiam mudanças epigenéticas por meio de remodela ção da cromatina durante o desenvolvimento tanto vege tal quanto animal Os complexos de proteínas do grupo Polycomb abrangem múltiplas formas do complexo re pressivo Polycomb 2 PRC2 de Polycomb repressive complex 2 que catalisa a metilação de histonas as quais são com Endosperma periférico Vacúolo central B C D A Núcleo do endosperma Citoplasma E F G H Sistema de microtúbulos radiais Parede celular anticlinal Parede celular periclinal Parede celular central Alvéolos Vacúolo central Figura 2126 Desenvolvi mento do cenócito endospér mico de cereais AD O nú cleo endospérmico triploide está localizado no citoplasma basal da célula central Após uma série de divisões nuclea res livres os núcleos migram para a periferia da grande célula cenocítica EH Celu larização do endosperma ce nocítico de cereais De Olsen 2004 Taiz21indd 647 Taiz21indd 647 27102016 103615 27102016 103615 648 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento ponentes de nucleossomos cuja metilação tende a inibir a transcrição do DNA associado ver Figura 214 As plan tas possuem múltiplos complexos PRC2 codificados por múltiplos homólogos de genes das subunidades que têm papéis diferentes no desenvolvimento vegetal O comple xo FISPRC2 Fertilization Independent SeedPRC2 que normalmente controla a cessação do gametófito femini no de Arabidopsis é composto de quatro proteínas FIS1 também chamada de MEDEA MEA FIS2 FIS3 também chamada de FERTILIZATIONINDEPENDENT ENDOS PERM FIE e MUSASHI HOMOLOG 1 MSI1 Conforme observado anteriormente a mutação de perda de função de qualquer um dos genes FIS provoca o início da mitose na célula central na ausência de fecundação Por essa ra zão as proteínas FIS são subunidades de um complexo re gulador que normalmente reprime o desenvolvimento do endosperma na ausência de fecundação Presumivelmen te a função normal do complexo é a de metilar histonas associadas a genes que promovem o desenvolvimento do endosperma Na ocorrência de fecundação o endosper ma dos mutantes fis superprolifera e permanece não ce lularizado Os efeitos das mutações msi1 são pleiotrópicos Além do desenvolvimento autônomo do endosperma as mutações msi1 de perda de função causam divisões autô nomas da oosfera levando a um embrião partenogênico não viável A impressão gênica no endosperma também envolve metilação e desmetilação do DNA realizadas respecti vamente por MET1 uma DNAmetiltransferase e DME DEMETER uma DNAglicosilase A DNAglicosilase retira resíduos de 5metilcitosina de sequências de DNA que são então substituídas por citosinas não metiladas A Figura 2127 apresenta um modelo mostrando como a desmetilação do DNA a metilação do DNA e a metila ção das histonas mediada por FISPRC2 podem regular a expressão dos MEGs no endosperma Os alelos impres sos começam a ser DNAmetilados no espermatozoide haploide e no núcleo da célula central diploide levando à inativação parcial dos genes A presença da DME na célu la central desmetila os alelos maternos restaurando sua 1 A METILTRANSFERASE 1 MET1 mantém o silenciamento da metilação de CpG citosinaPguanina sobre os alelos parentais de genes impressos triângulo cinza 4 No endosperma FISPRC2 provoca a metilação das histonas do alelo paterno sol vermelho O endosperma portanto herda um alelo paterno silenciado p e um alelo materno ativo m resultando na expressão monoparental impressa no endosperma Apenas um dos alelos maternos do endosperma triploide é mostrado 5 Ambos os alelos são metilados sobre seu DNA no embrião Desconhecese o papel da metilação das histonas do alelo paterno durante o desenvolvimento vegetativo 3 A marca da metilação é removida na célula central feminina pela DME e o gene tornase expresso 2 Durante a gametogênese masculina a metilação de CpG é mantida nas células espermáticas MET1 MET1 DME FISPRC2 Metilação do DNA dependente da replicação Célula central Células espermáticas 7 6 p m p m p m Manutenção da metilação do DNA Metilação das histonas Remoção ativa da metilação do DNA pela DME Figura 2127 Mecanismos dependentes da metilação das histonas e do DNA levando à impressão de genes expressos maternalmente em Arabidopsis De Li e Berger 2012 Taiz21indd 648 Taiz21indd 648 27102016 103615 27102016 103615 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 649 atividade plena Após a fecundação dupla a metilação das histonas por FISPRC2 completa a inativação do alelo pa terno enquanto os dois alelos maternos provenientes da célula central permanecem ativos Conforme observado anteriormente o efeito materno das mutações dos genes FIS indica que os eventos iniciais da formação da semente estão sob controle do progeni tor feminino O papel dos genes FIS no desenvolvimento do endosperma indica que o controle materno é exercido sobre a alocação de nutrientes para o embrião Por isso é intrigante que os homólogos humanos dos genes FIS es tejam envolvidos no controle do desenvolvimento placen tário um tecido que também fornece suporte nutricional para o embrião em crescimento As células do endosperma amiláceo e da camada de aleurona seguem rotas de desenvolvimento divergentes Enquanto as sementes de muitas espécies armazenam proteínas e óleos o endosperma de cereais armazena grandes quantidades de amido O endosperma ami láceo é um tecido único representando a maior parte do endosperma em grãos de cereais ver Figura 2123 Como o nome sugere a principal rota metabólica no en dosperma amiláceo é a biossíntese do amido a molécu la precursora ADPglicose é sintetizada no citosol e a seguir levada ao amiloplasto onde é polimerizada en zimaticamente em amilose e amilopectina ver Capítulo 8 O endosperma amiláceo de cereais contém também proteínas de reserva que são depositadas em vacúolos de reserva de proteínas A endorreduplicação que resulta em quantidades ex tremamente altas de DNA parece desempenhar um papel crucial no desenvolvimento do endosperma amiláceo No milho por exemplo o conteúdo de DNA pode alcançar 96C isto é 96 vezes a quantidade presente no núcleo ha ploide A endorreduplicação começa durante o depósito da reserva e a acumulação de DNA impede a subsequente divisão nuclear ou celular O endosperma amiláceo dos cereais é morto na ma turidade devido à morte celular programada um evento vinculado à rota de sinalização do etileno No mutante do milho shrunken2 que apresenta superprodução de etileno a morte celular endospérmica é acelerada Conforme discutido no Capítulo 18 a camada de aleurona as camadas mais externas do endosperma atua durante o início do crescimento da plântula mobili zando reservas de amido e de proteínas no endosperma amiláceo mediante produção de uma αamilase protease e outras hidrolases em resposta às giberelinas produzidas pelo embrião O milho e o trigo têm uma camada de célu las de aleurona o arroz possui de uma a várias camadas e a cevada tem três camadas Nos grãos de cereais a ca mada de aleurona é apenas uma parte do endosperma que pode se tornar pigmentada As células da aleurona tornamse morfologicamente distintas no endosperma da cevada oito dias após a po linização semelhante a outros cereais Evidências citoló gicas sugerem que o destino das células da aleurona é es pecificado precocemente após a primeira divisão nuclear dos núcleos alveolares A base para essa conclusão é que nesse estágio as células precursoras da aleurona exibem um arranjo de microtúbulos corticais semelhante a uma argola que as distingue das células que irão se tornar o endosperma amiláceo Dois genes DEK1 e CR4 têm sido envolvidos na diferenciação da camada de aleurona A diferenciação da camada de aleurona está sob o controle de vários genes reguladores Por exemplo a mutação de perda de função no gene do milho DEFECTIVE KERNEL1 DEK1 resulta na produção de sementes sem camadas de aleurona comparar Figura 2128A e B Quando o promo tor do gene VIVIPAROUS1 Vp1 que é expresso especi ficamente na camada de aleurona foi fusionado ao gene GUS e usado com um repórter para células de aleurona transgene Vp1GUS o grão do tipo selvagem contendo o transgene mostrou uma reação de cor azul indicando a presença da camada de aleurona Figura 2128C ao passo que a semente do mutante dek1 contendo o mesmo trans gene não mostrou essa reação Figura 2128D Efeitos se melhantes de mutações de dek1 foram registrados em se mentes de Arabidopsis e arroz O gene DEK1 codifica uma grande e complexa proteína integral de membrana que se localiza na membrana plasmática Uma alça extracelular nessa estrutura sugere que a proteína DEK1 tenha o po tencial de interagir com moléculas extracelulares incluin do ligantes de sinalização A proteína CRINKLY4 CR4 é um receptor do tipo quinase que também atua como um regulador positivo do destino da célula de aleurona Mutantes homozigotos para a mutação cr4 recessiva mostram trechos esporádicos sem uma camada de aleurona Os fenótipos dos mutantes cr4 lembram os de um alelo fraco de DEK1 Até agora as evidências sugerem que CR4 atua a jusante de DEK1 e es tudos de imunolocalização têm mostrado que as proteínas DEK1 e CR4 estão juntas na membrana plasmática Parece haver uma conexão funcional entre a camada de aleurona do endosperma e a epiderme de folhas Isso se tornou evidente primeiro no mutante cr4 do milho que rompe a especificação da camada de aleurona e também altera a epiderme foliar de diversas maneiras as células com frequência têm formas irregulares com cutículas pouco desenvolvidas e a epiderme às vezes contém múl tiplas camadas celulares De modo semelhante os alelos fracos de dek1 têm um efeito pronunciado sobre a epider me foliar de milho arroz e Arabidopsis Embora um avanço significativo tenha sido feito na identificação de genes implicados no desenvolvimento ce lular da aleurona as rotas de sinalização envolvidas em sua diferenciação não foram solucionadas Taiz21indd 649 Taiz21indd 649 27102016 103615 27102016 103615 650 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Desenvolvimento da casca da semente Em resposta à fecundação em 2 a 3 semanas a casca da semente de Arabidopsis se diferencia das células dos tegu mentos do rudimento seminal derivados maternalmente Figura 2129 As células de ambas as camadas do tegu mento externo e as três camadas do tegumento interno en tram em um período drástico de crescimento nos primeiros dias após a fecundação por meio de divisão e expansão ce lulares ver Figura 2131B As cinco camadas celulares re sultantes passam por um dos quatro destinos distintos As células da camada mais interna derivadas do endotélio do rudimento seminal sintetizam próantocianidinas com postos de flavonoides também conhecidos como taninos condensados ver Apêndice 4 na internet Esses compos tos acumulamse no vacúolo central das células endoteliais durante a primeira semana após a fecundação e mais tarde tornamse oxidados conferindo uma cor marrom às célu las diferenciadas cujo conjunto é conhecido como camada celular pigmentada e à casca da semente como um todo As células das outras duas camadas do tegumento interno ao contrário não exibem diferenciação cedo sofrem morte celular programada e são comprimidas à medida que a se mente se desenvolve ver Figura 2129D e E As células de ambas as camadas do tegumento exter no acumulam amido nos amiloplastos durante a fase de crescimento inicial ver Figura 2129B antes da divergên cia de seus destinos A camada subepidérmica camada 2 que se diferencia em células paliçádicas produz uma parede espessada no lado tangencial interno das células ver Figura 2129CE As células da camada epidérmica camada 1 sintetizam e secretam uma grande quantidade de mucilagem uma parede celular secundária especiali zada que contém um pouco de pectina para o apoplasto especificamente na junção das paredes celulares radial e tangencial externa ver Figura 2129C A mucilagem hi dratada proporciona um ambiente úmido para a germina ção da semente e proteção de substâncias químicas que podem estar presentes no intestino de um animal Além disso as paredes celulares secundárias das duas camadas externas fornecem proteção para o embrião e os taninos podem ser tóxicos a intrusos Após a síntese de mucilagem é depositada uma pa rede celular secundária celulósica que preenche comple tamente o espaço ocupado pela coluna citoplasmática formando a columela ver Figura 2129 D e E Durante os últimos estágios de desenvolvimento da semente as células de todas as camadas remanescentes da casca mor rem A estrutura das células epidérmicas é preservada pela columela e as camadas remanescentes são comprimidas no final da maturação da semente As proantocianidinas aparentemente são liberadas das células endoteliais e im pregnam as três camadas celulares internas durante esse período ver Figura 2129E O desenvolvimento da casca da semente parece ser regulado pelo endosperma O crescimento e a diferenciação da casca da semente são iniciados na fecundação e normalmente prosseguem de maneira coordenada com o desenvolvimento do embrião Endosperma do milho Tipo selvagem Mutante dek1 Transgene VP1GUS Transgene VP1GUS A B C D 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm Figura 2128 Uma mutação de perda de fun ção no gene DEFECTIVE KERNEL1 DEK1 do milho resulta na produção de sementes sem camadas de aleurona Tipo selvagem A e C e mutante dek1 B e D As células endospérmicas amiláceas são preenchidas com grãos de amido que estão co rados de rosa A seta em A destaca a camada de aleurona com citoplasma granular denso e células cuboides A camada de aleurona não está presen te no mutante dek1 e suas células superficiais têm identidade de endosperma amiláceo C e D Um transgene VP1GUS é um marcador para células de aleurona O endosperma do tipo selvagem mostra atividade de βglucuronidase GUS específica de aleurona cor azul ao passo que o marcador não é expresso no mutante dek1 De Becraft e Yi 2011 Taiz21indd 650 Taiz21indd 650 27102016 103615 27102016 103615 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 651 e do endosperma Uma vez que a casca envolve a se mente seu crescimento em área de superfície deve ser coordenado com o crescimento do embrião e do en dosperma para que a semente alcance seu tamanho maduro O tamanho da semente será reduzido se a sua casca não conseguir se expandir O gene TRANSPARENT TESTA GLABRA2 TTG2 por exemplo regula positivamente a biossín tese de proantocianidinas bem como a expansão da casca da semente Como consequência os mutantes ttg2 de perda de função têm sementes menores pre sumivelmente porque o embrião e o endosperma são comprimidos mecanicamente pela casca da semente durante o desenvolvimento Inversamente mutações no gene HAIKU resul tam no crescimento limitado do endosperma ceno cítico Esse defeito no crescimento do endosperma também afeta o crescimento da casca da semente em desenvolvimento de forma que o alongamento celu lar na casca da semente em expansão é restrito Isso sugere que o endosperma em crescimento regule a extensão do alongamento das células do tegumento do rudimento seminal após a iniciação do desenvolvi mento da casca da semente Conforme observado anteriormente a embriogê nese é bloqueada nos mutantes fis porém o desen volvimento do endosperma e da casca da semente prossegue de maneira mais ou menos normal Desse modo um sinal do endosperma cenocítico parece ser suficiente para iniciar o desenvolvimento da casca da semente nas células do tegumento Mostrando a coe rência dessa ideia nenhum crescimento significativo da casca da semente ocorre nas sementes em que ape nas a oosfera é fecundada o desenvolvimento da cas ca da semente é fortemente inibido em sementes cujo endosperma foi destruído de modo experimental A B C D E Semente inteira Casca da semente En En En Se Se Se TiTiTi Te Te Te 1 2 3 4 5 Al Al Al Em Em Em 1 25 25 25 Al Al Al Em Em Em En En En 1 2 3 4 5 1 2 5 34 34 34 En En En 1 2 3 4 5 40 mm 80 mm 80 mm 80 mm 80 mm 80 mm 40 mm 40 mm 40 mm 40 mm Figura 2129 Desenvolvimento dos tegumentos do rudimento seminal para dentro da casca da semente de Arabidopsis sucedendo a fecundação São mostrados vários estágios AE do desenvolvimento da semente inteira esquer da e detalhe da casca em desenvolvimento direita A Antes da fecundação B Cinco dias após a fecundação As duas ca madas do tegumento externo do rudimento seminal 1 e 2 e as três camadas do tegumento interno 35 cresceram CD Dez dias após a fecundação As células das camadas individuais quase completaram a diferenciação em tipos celulares espe cializados incluindo endotélio 5 paliçada 2 e epiderme 1 E Quinze dias maturidade da semente As células de todas as cinco camadas estão mortas e foram comprimidas com ex ceção da epiderme cuja forma é mantida pela parede celular secundária espessa da columela As setas vermelhas indicam plastídios contendo amido em B e mucilagem no apoplasto em C As setas verdes indicam a parede celular secundária da paliçada em C e D Al aleurona do endosperma Em embrião En endosperma Se saco embrionário Ti tegumento interno Te tegumento externo De Haughn e Chaudhury 2005 Taiz21indd 651 Taiz21indd 651 27102016 103615 27102016 103615 652 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Maturação da semente e tolerância à dessecação Até agora discutiramse a diferenciação histológica na se mente e o depósito de reservas A fase final do desenvolvi mento da semente é denominada maturação Para muitas espécies a maturação também abrange a aquisição de to lerância à dessecação Isso envolve a perda evaporativa de água para a produção de uma semente seca um prére quisito para o estado quiescente que precede a germinação em muitas espécies vegetais Isso também é correlaciona do à longevidade da semente ou seja sua capacidade de permanecer viável no estado seco por longos períodos A denominação semente ortodoxa tem sido usada para designar as sementes que podem tolerar a dessecação e são armazenáveis no estado seco por períodos variáveis dependendo da espécie A semente ortodoxa campeã mun dial é a da tamareira Phoenix dactylifera com 2 mil anos que apresentou germinação bemsucedida em 2005 As se mentes recalcitrantes ao contrário são aquelas liberadas pela planta com um conteúdo de água relativamente alto e metabolismo ativo Diferente das sementes ortodoxas as sementes recalcitrantes deterioram na desidratação e não sobrevivem à armazenagem A mangueira e o abacateiro são exemplos de plantas com sementes recalcitrantes As fases de enchimento e tolerância à dessecação da semente sobrepõemse em muitas espécies A sincronia da tolerância à dessecação e longevidade da semente em relação à conquista de seu tamanho madu ro e dispersão varia conforme a espécie Para a maioria das espécies a aquisição da tolerância à dessecação ocorre durante o enchimento Subsequentemente durante o final da maturação as sementes de maneira progressiva adqui rem longevidade que é a capacidade de permanecerem vivas no estado seco por períodos prolongados Por exemplo quatro estágios de crescimento e desen volvimento da semente embriogênese enchimento final da maturação e abscisão quando se desprende da vagem de Medicago truncatula família Fabaceae são apresentados na Figura 2130A A embriogênese dife renciação histológica prossegue durante os 10 primeiros dias após a polinização e a partir daí começa o enchimento da se mente conforme indicado pelo aumento em sua massa seca Simultaneamente o conteúdo de água da semente declina Fi gura 2130B A aquisição da tolerância à dessecação inicia cerca de 24 dias após a polinização e sobrepõese ao estágio de enchimento e às fases de desidratação da semente A partir de 28 dias após a polinização as sementes adquirem gra dualmente a longevidade capacidade de serem armazenadas Figura 2130C As sementes recémcolhidas adquirem a capacidade de germinar cerca de 16 dias 0 10 20 30 40 50 60 Tempo para 50 da germinação d 0 10 20 30 0 20 40 60 80 100 Tolerância à dessecação Longevidade P50 d 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 Conteúdo de água mg H2Og ms Massa seca mg 12 16 20 24 28 32 36 40 44 ABS 12 16 24 28 32 36 40 44 48 SM Dias após a polinização DAP Embrio gênese Enchimento da semente Final da maturação Abscisão A B C D Figura 2130 Alterações metabólicas e físicas durante a maturação da semente de Medicago truncatula O desenvolvimento da semente é di vidido em quatro fases principais embriogênese enchimento final da maturação e abscisão A Acompanhamento temporal do desenvolvimen to da semente B Mudanças no conteúdo de água e massa seca ms C Aquisição de tolerân cia à dessecação medida como a porcentagem de germinação após uma rápida secagem até a umidade relativa de 43 e longevidade deter minada como o tempo para reduzir a viabilidade a 50 sob condições de armazenagem a 75 de umidade relativa e 35oC D Alterações na velocidade de germinação ou dormência deter minada como o tempo necessário para que 50 das sementes completem a germinação a 20oC ABS abscisão SM semente matura De Verdier et al 2013 Taiz21indd 652 Taiz21indd 652 27102016 103615 27102016 103615 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 653 após a polinização Entre 22 e 32 dias após a polinização a capacidade de completar a germinação aumenta em 50 depois disso a germinação diminui em 10 devido ao iní cio da dormência Figura 2130D a dormência da semen te é discutida no Capítulo 18 Contudo essa dormência pode ser quebrada pela armazenagem seca por seis meses após o amadurecimento após o que as sementes comple tamente maduras germinam em 24 horas A conquista da tolerância à dessecação envolve muitas rotas metabólicas Nas sementes ortodoxas a dessecação envolve mais do que apenas o processo físico Ela está associada a padrões distintos de expressão gênica e metabolismo que afetam múltiplos processos fisiológicos incluindo a dormência a pósmaturação e a germinação Durante a metade até o final da embriogênese de sementes ortodoxas quando seu conteúdo de ácido abscísico ABA é mais alto ver Capí tulo 18 são ativados múltiplos processos metabólicos que contribuem para a conquista de tolerância à dessecação Em Arabidopsis os padrões de expressão de mais de 6900 genes cerca de um terço do genoma modificamse du rante esse período Os principais processos metabólicos que são ativados como consequência abrangem Acumulação de dissacarídeos e oligossacarídeos Síntese de proteínas de reserva Síntese de proteínas abundantes na embriogênese tardia LEA de late embryogenesis abundant Síntese de pequenas proteínas de choque térmico smHSPs de small heat shock proteins Ativação de defesas antioxidativas Mudanças na estrutura física das células Aumento gradual na densidade celular Durante a conquista de tolerância à dessecação as células do embrião adquirem um estado vítreo A dessecação pode danificar fortemente as membranas e outros constituintes celulares ver Capítulo 24 As semen tes maduras têm 01 g de água por g1 de massa seca com potenciais hídricos entre 350 e 50 MPa À medida que as sementes começam a desidratar os embriões acumulam açúcares e um conjunto específico de proteínas Acredita se que esses grupos de moléculas interajam produzin do um estado vítreo Em geral um vidro é definido como um estado amorfo e metastável que lembra um material sólido quebradiço mas retém a desordem e as proprie dades físicas do estado líquido Os vidros biológicos são líquidos altamente viscosos com velocidades de difusão molecular muito baixas razão pela qual podem participar apenas de reações químicas limitadas Uma vez que os açúcares redutores como a sacarose a rafinose e a esta quiose acumulamse durante os estágios finais da germi nação da semente inicialmente assumiuse que eles eram os responsáveis principais pela formação do vidro celular No entanto as propriedades físicas dos açúcares do vi dro são significativamente diferentes das encontradas em embriões dessecados ensejando a hipótese de que para a formação do vidro nas sementes são necessárias proteí nas especificamente proteínas LEA ver próxima seção Proteínas abundantes na embriogênese tardia e açúcares não redutores têm sido implicados na tolerância à dessecação das sementes As proteínas abundantes na embriogênese tardia LEA são proteínas pequenas hidrofílicas amplamente de sordenadas e termoestáveis sintetizadas em sementes ortodoxas durante a metade para o final da maturação e em tecidos vegetativos em resposta ao estresse osmó tica Acreditase que elas tenham uma gama de funções protetoras contra dessecação com eficiências diferentes incluindo ligação iônica atividade antioxidante tampona mento da hidratação além de estabilização proteica e de membranas Desde que as proteínas LEA foram descritas pela primeira vez no início da década de 1980 em semen tes do algodoeiro proteínas aparentadas têm sido identifi cadas em sementes e grãos de pólen de outras espécies ve getais assim como em bactérias cianobactérias e alguns invertebrados em levedura transgênica demonstrouse que as proteínas LEA aumentam a osmotolerância A ca pacidade de plantas da ressurreição p ex Craterostigma plantagineum de sobreviver à dessecação extrema tem sido vinculada à acumulação de proteínas LEA Além disso as proteínas LEA podem exercer um papel na resposta ao estresse pelo congelamento e pela salinidade os quais en volvem desidratação celular ver Capítulo 24 As proteínas LEA na maioria mostram um viés em sua composição de aminoácidos resultando em hidrofili cidade elevada e são relacionadas a um grupo de proteí nas denominadas deidrinas Contudo uma característica distintiva das deidrinas é seu conteúdo elevado de glici na e como nem todas as proteínas LEA apresentam essa propriedade as deidrinas e proteínas relacionadas são consideradas subconjuntos da família de proteínas LEA que compreende nove grupos Uma característicachave das proteínas LEA é sua capacidade de formar ligações de hidrogênio com sacarose Uma vez que os açúcares se acu mulam durante a maturação da semente acreditase que as proteínas LEA interajam com a sacarose e outros dissa carídeos e oligossacarídeos para formar um estado vítreo requerido para a tolerância à dessecação Proteínas abundantes na embriogênese tardia específicas têm sido envolvidas na tolerância à dessecação em Medicago truncatula Considerandose que as proteínas LEA são uma classe he terogênea de proteínas a pergunta se existem proteínas LEA específicas envolvidas na determinação da formação do estado vítreo permanece em pauta Usando uma abor dagem proteômica os pesquisadores identificaram um sub conjunto de proteínas LEA em sementes de Medicago trunca tula que se correlaciona com a sobrevivência no estado seco tornandoas possíveis candidatas à estabilização no estado Taiz21indd 653 Taiz21indd 653 27102016 103615 27102016 103615 654 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento vítreo Dos 38 polipeptídeos de LEA detectados em semen tes maduras de M truncatula um pequeno subconjunto de les acumulase especificamente durante a conquista da to lerância à dessecação enquanto um subconjunto diferente se acumula durante a conquista da longevidade da semente Em outro estudo as proteínas LEA de sementes recal citrantes e ortodoxas foram comparadas para determinar se algumas daquelas expressas em sementes ortodoxas não estavam presentes nas sementes recalcitrantes Figu ra 2131 Sementes do tipo selvagem de M truncatula fo ram usadas como representantes de sementes ortodoxas Dois tipos de sementes recalcitrantes foram usados black bean Castanospermum australe também da família Faba ceae e o mutante Mtabi31 de M truncatula insensível ao ABA que não consegue desenvolver resistência à desseca ção durante a germinação da semente Todas as proteínas LEA específicas de sementes e algumas das proteínas LEA não específicas foram encontradas em quantidades mui to menores em ambos os tipos de sementes recalcitrantes do que na semente ortodoxa implicando fortemente essas proteínas LEA na conquista de tolerância à dessecação O ácido abscísico exerce um papelchave na maturação da semente Conforme foi visto na seção anterior os mutantes de M truncatula insensíveis ao ABA não conseguem desenvol ver tolerância à dessecação e portanto são recalcitrantes A síntese de proteínas LEA proteínas de reserva e lipídeos é promovida pelo ABA conforme demonstrado por estu dos fisiológicos e genéticos em embriões cultivados per tencentes a muitas espécies Os mutantes deficientes em ABA não conseguem acumular essas proteínas Além dis so a síntese de algumas proteínas LEA ou de membros da família aparentados pode ser induzida em tecidos vegeta tivos por tratamento com ABA Esses resultados sugerem que a síntese de muitas proteínas LEA está sob controle do ABA durante a germinação da semente Conforme discutido no Capítulo 15 o ABA induz mu danças no metabolismo celular por ativação direta ou in direta de uma rede de fatores de transcrição Em especial ABI3 induz a síntese de proteínas de reserva e proteínas LEA mediante interações com fatores de transcrição bZIP como ABI5 Uma análise da rede reguladora de genes em sementes de M truncatula demonstrou que os genes ABI5 ocupam uma posição central na rede reguladora e estão altamente conectados aos genes LEA e de tolerância à des secação Portanto ABI3 e ABI5 em conjunto com vários outros genes são os componentes centrais da rota de sina lização do ABA específico de sementes que regula a sobre vivência no estado seco A dormência imposta pela casca está correlacionada com a viabilidade a longo prazo da semente As sementes de muitas espécies herbáceas como algodoei ro quiabo e soja permanecem viáveis se armazenadas por apenas 1 a 2 anos Outras como o pepino e o aipo perma necem viáveis por até cinco anos Em 1879 W J Beal ini ciou o experimento de maior duração sobre a longevidade da semente enterrando sementes de 21 espécies diferentes em frascos destampados no topo de uma colina arenosa nas proximidades do Michigan Agricultural College em East Lansing Após 120 anos no ano 2000 apenas uma espécie o verbasco Verbascum blattaria permanecia viá vel Todavia essa não é de forma alguma a longevidade máxima de sementes Por exemplo as sementes de cana flordelírio Canna compacta aparentemente podem viver por pelo menos 600 anos enquanto as sementes sobrevi 00 05 10 15 30 Abundância de proteínas LEA normalizada para M truncatula do tipo selvagem C australe Mtabi31 EM1 Proteínas LEA Nível do tipo selvagem Específicas de sementes Não específicas de sementes EM6 D341 PM25 SBP65 PM18 PM10 MP2 CAPLEA DHN3 D1131 Figura 2131 Perfil de proteínas LEA em cotilédones de Casta nospermum australe e em sementes de mutantes Mtabi31 sensí veis à dessecação em comparação com sementes do tipo selvagem de Medicago truncatula tolerantes à dessecação um valor de 1 corresponde a valores do tipo selvagem C australe e Mtabi31 As barras vermelhas amarelas e verdes representam diferentes pro teínas LEA expressas especificamente apenas na semente ao passo que as barras azuis são proteínas LEA que são expressas por toda a planta Os polipeptídeos não detectados estão indicados por aste riscos De Delahaie et al 2013 Taiz21indd 654 Taiz21indd 654 27102016 103615 27102016 103615 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 655 ventes autenticadas mais antigas são as do lótus sagrado indiano ou asiático Nelumbo nucifera com cerca de 1300 anos e as da tamareira Phoenix dactylifera encontradas enterradas em Masada Israel com 2 mil anos As sementes mais longevas conhecidas do lótus indiano e da tamareira possuem cascas altamente impermeáveis sugerindo que a dormência imposta pela casca está associada à viabilidade de longo prazo Contudo muitas sementes ortodoxas po dem ser armazenadas por um tempo longo sob condições de banco de sementes em temperatura baixa Desenvolvimento e amadurecimento do fruto Os frutos verdadeiros são encontrados somente nas an giospermas Na realidade os frutos são uma característica definidora das angiospermas pois angio significa vaso ou recipiente em grego e sperma significa semente Tipos de frutos diversos estão representados em fósseis do início do Cretáceo incluindo nozes e frutos carnosos drupas e ba gas Os frutos em geral são derivados de um ovário maduro contendo sementes mas eles podem também incluir uma diversidade de outros tecidos Por exemplo a parte carnosa do morango é de fato o receptáculo ao passo que os frutos verdadeiros são os aquênios secos embebidos nesse tecido Os frutos são as unidades de dispersão das sementes e podem ser agrupados de acordo com diversas caracterís ticas ver Tópico 217 na internet Com base em sua com posição e seu conteúdo de umidade eles podem ser secos ou carnosos Se o fruto fenderse para liberar suas semen tes ele é denominado deiscente Os frutos carnosos com os quais as pessoas estão mais familiarizadas são indeis centes e ocorrem em diversas formas Tomates bananas e uvas são definidos botanicamente como bagas nas quais as sementes estão embebidas em uma massa carnosa pês segos ameixas damascos e amêndoas são classificados como drupas nas quais as sementes são envolvidas por um endocarpo duro Maçãs e peras são pomos nos quais o tecido comestível é derivado de estruturas acessórias como partes florais ou o receptáculo Os frutos podem ser também definidos como simples com um ovário maduro único ou composto como em avelãs Arabidopsis e tomates Alternativamente podem ser agregados em que as flores têm carpelos múltiplos que não são unidos como na fram boesa Por fim eles podem ser múltiplos em que o fruto é formado de um agrupamento de flores e cada uma delas produz um fruto como no abacaxi A Figura 2132 apre senta alguns exemplos de tipos de frutos carnosos e secos A mudança no desenvolvimento que transforma o pistilo no fruto em crescimento depende da fecundação dos rudimentos seminais Na maioria das angiospermas o gineceu senesce e morre se não for fecundado Arabidopsis e tomateiro são sistemasmodelo para o estudo do desenvolvimento do fruto Arabidopsis tem sido uma plantamodelo fundamental para o estudo de frutos secos deiscentes O gineceu de Arabidopsis surge da fusão de dois carpelos referidos co letivamente como pistilo e formase no centro da flor Em Arabidopsis e muitos outros membros das Brassicaceae desenvolvemse diversos tecidos do fruto incluindo as pa redes do carpelo ou pericarpo conhecidas também como valvas um replo central um falso septo e margens das valvas que se formam nas bordas das valvas e do replo Fi gura 2133 Em Arabidopsis as margens das valvas dife renciamse em zonas que participarão na deiscência nas margens ocorrerá a abertura do fruto Os frutos secos pos suem relativamente poucas camadas celulares nas paredes do carpelo algumas dessas camadas podem ser lignifica das em especial em áreas associadas à deiscência do fruto Muito do que se conhece sobre frutos carnosos in deiscentes provém de trabalhos sobre o tomateiro So lanum lycopersicum um membro da família Solanaceae Figura 2134A No tomateiro como em Arabidopsis Estame Estame Estame Estigma Estigma Estigma Estigma Rudimento seminal Rudimento seminal Carpelo drupéola Semente Fruto da ervilha Flor da ervilha Fruto da framboesa Flor da framboesa Fruto da pereira Flor da pereira Estame Estigma Rudimento seminal Receptáculo Semente Ovário no receptáculo Figura 2132 Três tipos de frutos e suas flores ervilha fram boesa e pera Taiz21indd 655 Taiz21indd 655 27102016 103615 27102016 103615 656 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Estigma Estilete Valva Margem da valva Replo A B C D Replo Trato transmissor Rudimento seminal Placenta Septo Valva ad ab Exocarpo Mesocarpo Endocarpo Margem da valva Lateral Mediano 200 μm 500 μm Sequência de frutos Divisão celular Expansão celular Amadurecimento A B Dias após a antese 2 4 8 24 Exocarpo Mesocarpo Endocarpo 200 μm Figura 2133 A Imagem co lorida artificialmente do gineceu de Arabidopsis ao microscópio eletrônico de varredura MEV estigma amarelo estilete azul valvas verde replo vermelho e margens das valvas turquesa B Gineceu e desenvolvimento da síliqua de Brassica rapa C Corte transversal da síliqua madura de B rapa D Corte da parede de uma valva da síliqua de B rapa mostrando três camadas de teci dos ab face abaxial da valva ad face adaxial da valva A C e D de Seymour et al 2013 B cortesia de Lars Østergaard Figura 2134 Crescimento do fruto do tomateiro A Foto grafias de estágios do desenvolvimento de uma miniatura de to mate B Fotomicrografias de cortes transversais do pericarpo do tomate aos 2 4 8 e 24 dias após a abertura antese da flor B de Seymour et al 2013 segundo PabónMora e Litt 2011 Taiz21indd 656 Taiz21indd 656 27102016 103615 27102016 103615 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 657 o fruto é derivado da fusão de carpelos As paredes do carpelo são chamadas de pericarpo equivalente às val vas em Arabidopsis e as sementes são fixadas à placen ta Diferentemente dos frutos de Arabidopsis os frutos do tomateiro são indeiscentes e os carpelos permanecem completamente fusionados Nos frutos carnosos a divi são celular geralmente é seguida por expressiva expansão celular Figura 2134B Em algumas variedades de toma teiro por exemplo os diâmetros das células do pericarpo podem alcançar 05 mm Foi demonstrado que cerca de 30 loci genéticos denominados loci de caracteres quantita tivos QTLs de quantitative trait loci controlam o tama nho do fruto do tomateiro e vários genes que compõem esses QTLs foram clonados Um locus Fw22 codifica uma proteína específica da planta e específica do fruto essa proteína regula a divisão celular no fruto e portanto afeta seu tamanho Alguns frutos carnosos também têm paredes celulares lignificadas como o endocarpo duro pedra ou caroço das drupas p ex pêssego Os frutos carnosos passam por amadurecimento O amadurecimento de frutos carnosos referese às mu danças que os tornam atraentes para seres humanos e outros animais e prontos para o consumo Em geral es sas mudanças abrangem desenvolvimento da cor amo lecimento hidrólise do amido acumulação de açúcares produção de compostos do aroma e desaparecimento de ácidos orgânicos e compostos fenólicos incluindo os tani nos Os frutos secos não passam por um verdadeiro pro cesso de amadurecimento mas como será discutido mais adiante muitas das mesmas famílias de genes que con trolam a deiscência em frutos secos parecem ter sido re crutadas para novas funções no amadurecimento de frutos carnosos Devido à importância dos frutos na agricultura e seus benefícios para a saúde a imensa maioria dos estudos sobre amadurecimento tem contemplado os frutos comes tíveis O tomate é o modelo estabelecido para estudar o amadurecimento de frutos pois ele provou ser altamente receptivo a estudos bioquímicos moleculares e genéticos sobre o mecanismo desse processo O amadurecimento envolve mudanças na cor do fruto Os frutos amadurecem do verde para um espectro de co res abrangendo vermelho laranja amarelo roxo e azul Os pigmentos envolvidos não apenas afetam o apelo visual do fruto mas também o sabor e o aroma e são conhecidos pelos benefícios à saúde humana Os frutos geralmente contêm uma mistura de pigmentos verde nas clorofilas amarelo laranja e vermelho nos carotenoides vermelho azul e violeta nas antocianinas amarelo nos flavonoides A perda do pigmento verde no início do amadurecimento é causada pela degradação da clorofila e a conversão de clo roplastos em cromoplastos que atuam como sítio para a acumulação de carotenoides ver Capítulo 1 Os carotenoides são responsáveis pela cor vermelha dos frutos do tomateiro Durante o amadurecimento do tomate a concentração de carotenoides aumenta entre 10 e 14 vezes principalmente devido à acumulação de lico peno um pigmento vermelho intenso O amadurecimen to do fruto envolve a biossíntese ativa de carotenoides os precursores químicos dos quais são sintetizados nos plas tídios A primeira etapa envolvida é a formação do fitoeno molécula incolor pela enzima fitoeno sintase No tomate o fitoeno é então convertido em licopeno pigmento ver melho por uma série de novas reações Experimentos com tomates transgênicos demonstraram que o silenciamento do gene para a fitoeno sintase impede a formação de lico peno Figura 2135 As antocianinas são os pigmentos responsáveis pelas cores azul e púrpura de algumas bagas Figura 2136 As antocianinas são formadas pela rota dos fenilpro panoides ou seja elas são derivadas do aminoácido feni Figura 2135 A fitoeno sintase exerce um papel na produção de licopeno no pericarpo do tomate O tomate à esquerda é um tipo selvagem fruto maduro vermelho O tomate à direita tem níveis re duzidos de expressão do gene para fitoeno sintase razão pela qual não consegue acumular o pigmento vermelho licopeno Imagens cedidas por R G Fray ver também Fray e Grierson 1993 Figura 2136 Os frutos do mirtilo acumulam mais de uma dúzia de antocianinas diferentes durante o amadurecimento incluindo glicosídeos de malvidina delfinidina petunidina cianidina e peoni dina que lhes conferem uma cor purpúrea intensa Taiz21indd 657 Taiz21indd 657 27102016 103615 27102016 103615 658 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento lalanina Os fenilpropanoides constituem alguns dos con juntos de metabólitos secundários mais importantes em plantas Eles contribuem não apenas para a cor e o sabor típicos dos frutos mas também para as características des favoráveis como o acastanhamento de tecidos do fruto via oxidação enzimática de compostos fenólicos por polifenóis oxidase A base genética da biossíntese das antocianinas é relativamente bem conhecida Em nível molecular a bios síntese das antocianinas é regulada via controle transcri cional coordenado das enzimas na rota biossintética por uma gama de fatores de transcrição O amolecimento do fruto envolve a ação coordenada de muitas enzimas de degradação da parede celular O amolecimento do fruto envolve mudanças em suas pa redes celulares Na maioria dos frutos carnosos as pare des celulares consistem em um composto semirrígido de microfibrilas de celulose ligadas por uma rede de xilo glicanos que é embebida em uma matriz péctica do tipo gel No tomate mais de 50 genes relacionados à estrutura da parede celular exibem mudanças na expressão duran te o amadurecimento indicando um conjunto altamente complexo de eventos conectados com a remodelação da parede celular durante o processo de amadurecimento Experimentos em plantas transgênicas demonstraram que uma só enzima de degradação de parede celular não pode ser responsável por todos os aspectos do amoleci mento no tomate ou em outros frutos Parece que as mu danças de textura resultam da ação sinérgica de uma gama de enzimas de degradação de parede e que conjuntos de genes relacionados à textura conferem aos diferentes frutos suas exclusivas texturas pastosas quebradiças ou fariná ceas Contudo mesmo no tomate a contribuição exata de cada tipo de enzima para sua textura ainda é pouco conhe cida As alterações na cutícula que interferem na perda de água também afetam a textura e a durabilidade do fruto Paladar e sabor refletem mudanças nos compostos de ácidos açúcares e aroma Os frutos evoluíram para atuar como veículos na dispersão de sementes e a maioria dos frutos carnosos consumidos pelos seres humanos passa por alterações que os tornam especialmente palatáveis para o consumo quando estão maduros Essas mudanças químicas incluem alterações em açúcares e ácidos e a liberação de compostos do aroma Em muitos frutos no início do amadurecimento o amido é convertido em glicose e frutose sendo os ácidos cítrico e málico também abundantes No entanto embora os açú cares e os ácidos sejam vitais para o paladar os voláteis são os que realmente determinam o sabor exclusivo de frutos como o tomate Os voláteis do sabor surgem de uma ampla gama de compostos Alguns dos estudos mais detalhados têm sido realizados no tomate Eles mostram que dos cerca de 400 voláteis produzidos pelo tomate apenas um número pe queno tem um efeito positivo sobre o sabor Os voláteis do sabor mais importantes no tomate são derivados do cata bolismo de ácidos graxos como o ácido linoleico hexanal e o ácido linolênico cis3hexenal cis3hexenol trans2 hexenal via atividade da lipoxigenase Outros voláteis importantes incluindo 2 e 3metilbutanal 3metilbuta nol fenilacetaldeído 2feniletanol e metil salicilato são derivados dos aminoácidos essenciais leucina isoleucina e fenilalanina A terceira classe de voláteis são os apoca rotenoides derivados via clivagem oxidativa de carotenoi des Os apocarotenoides como as βdamascenonas são importantes no tomate na maçã e na uva A produção de voláteis está intimamente vinculadas ao processo de amadurecimento mas a regulação desses eventos não é bem conhecida Provavelmente ela é con trolada por alguns dos fatores de transcrição que mostram expressão alterada durante o amadurecimento O vínculo causal entre etileno e amadurecimento foi demonstrado em tomates transgênicos e mutantes Há tempos o etileno tem sido reconhecido como o hormô nio que pode acelerar o amadurecimento de muitos frutos comestíveis Todavia a demonstração definitiva de que o etileno é necessário para o amadurecimento de frutos foi proporcionada por experimentos em que sua biossíntese era bloqueada pela inibição da expressão da ACCsintase ACS ou da ACCoxidase ACO Na síntese do etileno a ACS é a enzima que participa da segunda até a última etapa e a ACO participa das últimas etapas ver Figura 1522 Nor malmente duas dessas etapas na rota são rigorosamente reguladas O silenciamento dos genes que codificam qual quer uma dessas enzimas usando construções de RNA an tissenso inibe o amadurecimento em tomates transgênicos Figura 2137 O etileno exógeno restaura o amadureci mento normal nos frutos de tomateiros transgênicos Outras demonstrações da necessidade do etileno para o amadurecimento de frutos vêm da análise da mutação Neverripe nunca maduro no tomate Conforme o nome indica essa mutação bloqueia completamente o amadureci mento dos frutos do tomateiro A análise molecular revelou que o fenótipo Neverripe é causado por uma mutação em um receptor do etileno que o torna incapaz de se ligar a esse hormônio Esses resultados em conjunto com a demonstra ção de que a inibição da biossíntese do etileno bloqueia o amadurecimento forneceu uma prova inequívoca do papel do etileno no amadurecimento do fruto A não ser o etileno o papel dos hormônios vegetais no controle do amadurecimento é muito menos compreen dido embora auxina ABA e giberelinas sejam conheci das por seu efeito sobre esse importante processo do de senvolvimento Os frutos climatéricos e não climatéricos diferem em suas respostas ao etileno Tradicionalmente os frutos carnosos têm sido colocados em dois grupos definidos pela presença ou ausência de um aumento respiratório característico denominado Taiz21indd 658 Taiz21indd 658 27102016 103615 27102016 103615 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 659 climatérico no início do amadurecimento Os frutos cli matéricos mostram esse aumento respiratório e também um crescimento vertiginoso da produção de etileno ime diatamente antes da elevação respiratória ou coincidente com ela Figura 2138 Maçã banana abacate e tomate são exemplos de frutos climatéricos Frutos como os cí tricos e a uva ao contrário não exibem essas mudanças grandes na respiração e na produção de etileno sendo chamados de frutos não climatéricos Em plantas com frutos climatéricos operam dois sis temas de produção de etileno dependendo do estágio de desenvolvimento No Sistema 1 que atua no fruto climatérico imaturo o etileno inibe sua própria biossíntese por retroalimen tação negativa No Sistema 2 que ocorre no fruto climatérico madu ro e em pétalas senescentes de algumas espécies o etileno estimula sua própria biossíntese ou seja ele é autocatalítico A alça de retroalimentação positiva para a biossíntese de etileno no Sistema 2 garante que o fruto inteiro amadureça de modo uniforme uma vez começado o amadurecimento Quando os frutos climatéricos maduros são tratados com etileno o início do aumento climatérico e as mudan Tipo selvagem Ar Ar C2H4 Antissenso A ACCsintase B ACCoxidase Tipo selvagem Antissenso C 0 50 01 1 10 100 100 Mudança relativa Concentração do etileno ppm 0 30 60 130 145 160 175 Dias Crescimento do fruto Durabi lidade Etileno do fruto Respiração do fruto Divisão celular Ampliação celular Maturação Amadure cimento Senescência Climatérico Figura 2137 O silenciamento antissenso de ACCsintase A e ACCoxidase B inibe o amadurecimento e a senescência C A Fruto expressando um gene antissenso ACS2 ACC SYNTHASE2 em conjunto com controles tipo selvagem Observe que ao ar o fruto antissenso não amadurece mas chega à senescência após 70 dias amarelo o amadurecimento pode ser restaurado adicio nandose etileno externo C2H4 B O gene antissenso de ACO1 ACC OXIDASE inibiu a síntese de etileno em cerca de 95 o fruto amadureceu mas o superamadurecimento e a deterioração foram consideravelmente reduzidos C Além disso a senescência foliar foi retardada na planta ACO1 antissenso De Oeller et al 1991 reimpressa em Grierson 2013 Figura 2138 Crescimento e de senvolvimento de frutos da macieira e da pereira em relação aos efeitos do etileno e do amadurecimento Os frutos climatéricos mostram um au mento respiratório característico e um crescimento vertiginoso da produção de etileno imediatamente antes da elevação respiratória ou coincidente com ela que sinaliza o início do ama durecimento De Dilley 1981 Taiz21indd 659 Taiz21indd 659 27102016 103615 27102016 103615 660 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento ças associadas ao amadurecimento são acelerados Por ou tro lado quando frutos climatéricos imaturos são tratados com etileno a velocidade da respiração aumenta gradual mente em função da concentração desse hormônio mas o tratamento não desencadeia a produção de etileno en dógeno ou induz o amadurecimento O tratamento com etileno de frutos não climatéricos como cítricos moran go e uva não causa um aumento na respiração e não é necessário para o amadurecimento No entanto ele pode alterar as características do amadurecimento em algumas espécies como a intensificação da cor dos frutos cítricos Embora a distinção entre frutos climatéricos e não cli matéricos seja uma generalização útil alguns frutos não climatéricos também podem responder ao etileno por exemplo nos frutos cítricos a cor verde é removida em resposta ao etileno exógeno Na verdade a distinção entre frutos climatéricos e não climatéricos pode ser menos drás tica do que anteriormente se pensava com algumas espé cies exibindo comportamento contrastante dependendo do cultivar Por exemplo o melão Cucumis melo pode ser climatérico ou não climatérico dependendo da variedade O processo de amadurecimento é regulado transcricionalmente Vários mutantes monogenéticos do tomate espontâneos e raros mostram amadurecimento anormal ou a extin ção completa desse processo Entre esses mutantes estão ripening inhibitor rin e Colorless nonripening Cnr Figura 2139 O locus rin codifica o fator de transcrição MADS box designado MADSRIN que é induzido no início do amadu recimento e o locus Cnr codifica o fator de transcrição CNR O gene MADSRIN é um membro da família gênica SEPALLATA que também inclui genes necessários para a identidade dos órgãos florais e a determinação dos meris temas florais ver Capítulo 20 Figura 2029 A supressão da expressão de MADSRIN em tomateiros transgênicos produz frutos sem amadurecimento e a complementação do mutante rin com o gene MADSRIN corrige o mutan te rin demonstrando que MADSRIN é necessário para o amadurecimento normal MADSRIN interage com os promotores dos genes da ACCsintase sugerindo que ele regula a biossíntese de etileno ver Capítulo 15 MADSRIN também se liga às regiões reguladoras de numerosos genes relacionados ao amadurecimento para controlar diretamente sua expres são Figura 2140A Esses incluem genes que codificam proteínas envolvidas no metabolismo da parede celular como poligalacturonase galactanase e expansinas proteí nas envolvidas na formação de carotenoides como fitoe no sintase e aquelas envolvidas na biossíntese do aroma como lipoxigenase e álcool desidrogenase Foi demonstra do que a ligação de MADSRIN aos promotores dos genes da ACCsintase e outros genesalvo depende do fator de transcrição CNR já citado Parece provável que a sinaliza ção do etileno e MADSRIN atuem sinergicamente para promover o amadurecimento normal Desde a clonagem dos genes que fundamentam as mutações rin e Cnr tem sido descrito um grande núme ro de outros genes codificadores de fatores de transcrição requeridos para o amadurecimento Esses genes regulado res do amadurecimento são envolvidos em uma rede com efetores a jusante para promover a biossíntese de etileno e as mudanças bioquímicas associadas ao amadurecimento As angiospermas compartilham uma gama de mecanismos moleculares comuns que controlam o desenvolvimento e o amadurecimento do fruto Os genes MADS box estão envolvidos no controle do amadurecimento de uma ampla diversidade de frutos car nosos além do tomate Esses incluem a banana o moran go e o arando Os genes MADS box também são impor tantes no desenvolvimento e na maturação de frutos secos e no controle do processo de deiscência Figura 2140B Na verdade os genes SHATTERPROOF SHP e FRUI TFULL FUL de Arabidopsis provavelmente são ortólogos de TAGL1 e TDR4 do tomate Existem dois genes SHP em Arabidopsis e o silencia mento de ambos leva a frutos indeiscentes O gene FUL é necessário para a manutenção da identidade das valvas da síliqua Nos mutantes ful os genes SHP são expressos ectopicamente no tecido da valva Assim FUL especifica o destino celular da valva pelo menos em parte pela re pressão da expressão dos genes da identidade da margem da valva no tecido valvar Os genes SHP regulam positiva mente a expressão de outro fator de transcrição conhecido como INDEHISCENT IND Os aumentos na expressão do gene IND são vinculados a alterações nos níveis de au xina na zona da deiscência e suprarregulação up regula tion das enzimas da degradação da parede celular como a poligalacturonase A identidade dos tecidos do replo no Tipo selvagem Ripening inhibitor Colorless nonripening Figura 2139 Nos mutantes do tomateiro ripe ning inhibitor rin e Colorless nonripening Cnr a mutação impede o amadurecimento normal Cor tesia de G B Seymour University of Nottingham Taiz21indd 660 Taiz21indd 660 27102016 103615 27102016 103615 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 661 lado mediano das margens das valvas é mantida pela ex pressão de REPLUMLESS RPL e foi demonstrado que o gene homeótico floral AP2 reprime o desenvolvimento do replo ver Figura 2140B Portanto fica evidente que mui tas das mesmas famílias de fatores de transcrição desem penham papéis na maturação de frutos carnosos e secos O amadurecimento do fruto está sob controle epigenético Conforme discutido anteriormente uma lesão no locus Cnr do tomate que codifica um fator de transcrição do tipo SBP extingue o amadurecimento normal Inesperadamente des cobriuse que a lesão no Cnr é epigenética a hipermetilação do promotor de CNR no mutante inibe a expressão do gene e o amadurecimento do fruto ver Capítulo 2 para mais infor mações sobre a regulação epigenética da expressão gênica A causa da mudança epigenética no mutante Cnr não é conhecida mas o sequenciamento do genoma do tomateiro tornou possível estudar o metiloma do tomate a posição e o tipo de metilação do DNA associados às sequências genô micas durante o amadurecimento do fruto Esse trabalho revelou que o amadurecimento do tomate está associado à redução nos níveis de metilação do DNA nos promoto res dos genes relacionados ao amadurecimento o que seria esperado para aumentar a expressão desses genes Parece provável que isso constitua uma nova e até agora inexplo rada camada de regulação que governa o processo de ama durecimento A compreensão da mecanística do processo de amadurecimento tem aplicações comerciais Os frutos não evoluíram unicamente para benefício dos seres humanos embora sejam sem dúvida uma parte im portante de nossa dieta Eles proporcionam fontes aces síveis de vitaminas A C E e K minerais como potássio e ferro e metabólitos secundários que têm propriedades promotoras da saúde como o pigmento vermelho licope no Os frutos também são produtos valiosos economica mente mas com frequência têm uma durabilidade curta Compreender o desenvolvimento e o amadurecimento dos frutos portanto é importante para que a agricultura au mente a produtividade o valor nutricional e a qualidade durante sua manutenção após a colheita O controle do amadurecimento do fruto é de subs tancial importância comercial A explicação do papel do etileno endógeno no amadurecimento de frutos clima téricos resultou em muitas aplicações práticas que visam uniformizar ou retardar o amadurecimento Por exem plo os cachos de banana são colhidos imaturos quando ainda estão verdes e duros o que ajuda a mantêlos vivos durante a viagem desde os locais de produção na Améri ca Central e América do Sul até seus destinos finais por todo o mundo As pencas de frutos imaturos chamadas de mãos um único fruto é um dedo são cortadas do ca cho tratadas com fungicida acondicionadas em caixas e exportadas de navio Ao chegar a seu destino as bananas são colocadas em salas com temperatura controlada e tra tadas com quantidades pequenas de gás etileno para ini ciar o amadurecimento Isso reflete o processo natural de amadurecimento mas garante que os frutos em estágios Etileno PSY1 AP2 TAGL1 SHP TDR4 FUL NOR AP2 RPL SHP IND FUL PG CNR RIN SEP4 HB1 LOXC EXP PG ACS ACO A B 20 μm Valva Replo Zona de deiscência Figura 2140 Rede de amadurecimento em frutos carnosos e comparação com eventos na deiscência de frutos secos A Principais reguladores conhecidos no amadurecimento do tomate Os retângu los azuis são fatores de transcrição as indicações em vermelho são de genes onde os ortólogos são também encontrados em frutos secos deiscentes Os efetores a jusante são mostrados em retângulos bran cos As linhas contínuas entre RIN e outros genes indicam ativação enquanto as linhas tracejadas indicam possível ativação A linha ver melha entre AP2 e CNR indica repressão B Síliqua de Brassica rapa à direita e zona de deiscência à esquerda ilustrando uma rede de genes de um fruto seco A imagem do tomate com amadurecimento inibido por tiossulfato de prata no lado esquerdo foi cedida por Don Grierson e Kevin Davies segundo Seymour et al 2013 Taiz21indd 661 Taiz21indd 661 27102016 103615 27102016 103615 662 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento diferentes de maturidade iniciem o amadurecimento ao mesmo tempo facilitando sua comercialização No caso de frutos como as maçãs o amadureci mento pode ser retardado usando o armazenamento em atmosfera controlada e refrigeração estendendo assim o período comercializável do produto Em variedades de elite do tomate a mutação rin é amplamente utilizada na forma heterozigota para desacelerar a velocidade do ama durecimento e estender a durabilidade Uma desvantagem importante do uso do gene rin é que ele retarda aspectos do amadurecimento de modo que os frutos muitas vezes são deficientes em níveis ideais de sabor aroma e outros componentes associados à qualidade Uma abordagem mais eficaz seria direcionar processos individuais de ama durecimento estendendo por exemplo a durabilidade dos frutos mediante desaceleração do amolecimento na ausên cia de efeitos prejudiciais sobre a cor e o sabor O acesso ao genoma do tomateiro tornou essa meta uma realidade permitindo aos cientistas identificar os genes que funda mentam características complexas que controlam os as pectos individuais da qualidade do fruto É possível também manipular a qualidade do fruto Antocianinas como carotenoides por exemplo são consi deradas protetoras contra doença cardíaca e certos tipos de câncer pois elas são antioxidantes fortes que podem inati var os danosos radicais livres em excesso Os níveis de an tocianinas nos frutos podem ser manipulados por aborda gens transgênicas até mesmo a ponto de introduzir níveis elevados desses compostos na polpa do tomate onde eles normalmente não ocorrem Figura 2141 A compreensão maior dos determinantes moleculares de outros aspectos do desenvolvimento do fruto tais como a produção de vo láteis presumivelmente oferecerá outras oportunidades de melhorar a qualidade do fruto Figura 2141 A produção de antocianinas pode ser induzida no tomate pela superexpressão de fatores de transcrição que controlam a biossíntese desses compostos na bocadeleão Antirrhinum RESUMO As plantas exibem alternância de gerações em que os diploides tendem a dominar mas os haploides produzem os gametas A diversidade genética é estimulada pela polinização cruzada que é possibilitada por vetores como o vento ou os insetos ao passo que o endocruzamento é minimizado por mecanismos impediti vos ativos na planta A nova geração diploide desenvolvese na semente ou no fruto que amadurece e se torna atrativo aos veto res que dispersam as sementes Desenvolvimento das gerações gametofíticas masculina e feminina As plantas passam por uma geração diploide e uma haploide a fim de formar gametas e reproduzir Figura 211 A diploidia permite que os indivíduos mascarem alelos recessi vos deletérios e que as populações exibam maior diversidade genética Formação de gametófitos masculinos no estame O grão de pólen formase em dois estágios primeiro a mi crosporogênese e após a microgametogênese Figuras 212 213 As paredes celulares do pólen são complexas com múltiplas camadas para armazenagem de nutrientes e para sua dispersão Figuras 214 215 Desenvolvimento do gametófito feminino no rudimento seminal As oosferas são formadas no gametófito feminino saco em brionário primeiro por megasporogênese e após por mega gametogênese Figuras 216 217 A maioria das angiospermas exibe desenvolvimento do me gagametófito do tipo Polygonum em que a meiose de uma célulamãe diploide produz quatro megagametófitos haploides imaturos sendo que apenas um deles passa por megagame togênese A megagametogênese inicia com três divisões mitóticas sem citocinese seguidas por celularização Figuras 218 219 Polinização e fecundação em plantas floríferas Assim que o pólen é transportado para o estigma as células espermáticas deslocamse para o gametófito feminino por um tubo polínico recémformado Figura 2110 O tubo polínico formase somente se houver reconhecimento entre o pólen e o estigma Figura 2111 Os tubos polínicos crescem por crescimento apical Figuras 21122114 Receptores do tipo quinase RLKs expressos no pólen podem regular uma troca da GTPase permitindo a expansão celular polar do tubo polínico Figura 2115 Taiz21indd 662 Taiz21indd 662 27102016 103615 27102016 103615 Capítulo 21 Gametófitos Polinização Sementes e Frutos 663 O trajeto de crescimento do tubo polínico é determinado por estímulos físicos e químicos do pistilo e do megagametófito Figura 2116 Assim que o tubo polínico alcança o rudimento seminal dois espermatozoides são liberados para fecundar a oosfera e a cé lula central Figura 2117 Autopolinização versus polinização cruzada A polinização cruzada é assegurada em espécies bissexuais e monoicas por dicogamia e heterostilia Figura 2118 A autopolinização é reduzida pela esterilidade masculina cito plasmática a qual pode ser revertida por uma classe de genes restauradores da fertilidade Rf A autoincompatibilidade SI impede bioquimicamente a auto polinização em angiospermas Figura 2119 As reações da SI esporofítica requerem a expressão de dois genes de locus S altamente variáveis enquanto a autoincom patibilidade gametofítica é mediada por SRNases citotóxicas e proteínas Fbox Figuras 2120 2121 Apomixia reprodução assexuada por semente A apomixia ou reprodução clonal por uma célula diploide pode contribuir para a eficácia biológica de espécies poliploides A capacidade de induzir a apomixia reduziria a perda de vigor híbrido nas culturas agrícolas Desenvolvimento do endosperma Após a fecundação o endosperma diploide que fornecerá nu trição ao embrião tornase multinucleado um cenócito Figu ras 2122 2123 A celularização do endosperma cenocítico em Arabidopsis pros segue desde a região micropilar até a calazal ao passo que a celularização de endospermas de cereais se processa centripe tamente Figuras 21242126 O desenvolvimento do endosperma é controlado em especial por genes expressos maternalmente MEGs não pelo embrião O desenvolvimento do endosperma é reprimido até após a fe cundação por proteínas FIS que metilam e desmetilam DNA e histonas no endosperma Figura 2127 A camada de aleurona é diferenciada a partir de células do en dosperma amiláceo e embora dois genes DEK1 e CR4 te nham sido implicados o mecanismo geral não está esclarecido Figura 2128 Desenvolvimento da casca da semente A casca da semente surge dos tegumentos maternos mas seu desenvolvimento é regulado pelo endosperma Figura 2129 Maturação da semente e tolerância à dessecação O enchimento da semente e a conquista de tolerância à desse cação sobrepõemse em muitas espécies Figura 2130 A conquista de tolerância à dessecação é auxiliada por proteí nas LEA que formam ligações de hidrogênio com açúcares não redutores permitindo que as células do embrião adquiram o estado vítreo que as torna mais estáveis do que as células que são simplesmente desidratadas Figura 2131 A síntese de proteínas LEA é controlada pelo ácido abscísico Cascas impermeáveis e temperaturas baixas podem aumentar a longevidade das sementes que de resto é altamente variável entre as espécies Desenvolvimento e amadurecimento do fruto Os frutos são unidades de dispersão das sementes que surgem do pistilo e contêm as sementes Figuras 21322134 Os frutos carnosos passam por amadurecimento que envolve mudanças de cor amolecimento altamente coordenado e ou tras mudanças Figuras 2135 2136 Ácidos açúcares e voláteis determinam o sabor de frutos car nosos maduros e imaturos O etileno acelera o amadurecimento especialmente em frutos climatéricos Figuras 2137 2138 Muitos mecanismos moleculares que governam o amadure cimento do fruto são conservados nas angiospermas Figura 2140 Uma compreensão mecanística do processo de amadurecimen to tem aplicações comerciais Figura 2141 MATERIAL DA INTERNET Tópico 211 A evolução favoreceu a diploidia nos ciclos de vida das plantas As vantagens seletivas possíveis da di ploidia sobre a haploidia são discutidas Tópico 212 Tipos de placentação nos frutos Um diagrama de diversos tipos de placentação nos frutos é apresentado Tópico 213 Variações no desenvolvimento do game tófito Divergências do desenvolvimento placentário do tipo Polygonum Características de sacos embrionários monospóri cos bispóricos e tetraspóricos são descritas Tópico 214 Mecanismo molecular da esterilidade cito plasmática no arroz O mecanismo molecular da ESTERILI DADE MASCULINA CITOPLASMÁTICA CMS cytoplasmic male steriliy foi elucidado no abortivo selvagem ou sistema da CMSWA no arroz Tópico 215 Diversos tipos de apomixia Os mecanismos da apomixia esporofítica versus apomixia gametofítica são descritos Tópico 216 Três tipos de desenvolvimento do endosper ma O desenvolvimento do endosperma é classificado em três categorias básicas nuclear celular e helobial Tópico 217 Tipos e exemplos de frutos Uma tabela dos tipos e exemplos de frutos comumente encontrados é apre sentada Taiz21indd 663 Taiz21indd 663 27102016 103616 27102016 103616 664 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Leituras sugeridas Angelovici R Galili G Fernie A R and Fait A 2010 Seed desiccation a bridge between maturation and germination Trends Plant Sci 15 211218 Burg S P and Burg E A 1965 Ethylene action and ripening of fruits Science 148 11901196 Craddock C Lavagi I and Yang Z 2012 New insights into Rho signaling from plant ROPRac GTPases Trends Cell Biol 22 492501 Dinneny J R and Yanofsky M F 2005 Drawing lines and borders How the dehiscent fruit of Arabidopsis is patterned Bioessays 27 4249 Dresselhaus T and FranklinTong N 2013 Malefemale crosstalk during pollen germination tube growth and guidance and double fertilization Mol Plant 6 10181036 Gehring M 2013 Genomic imprinting Insights from plants Annu Rev Genet 47 187208 Klee H J and Giovannoni J J 2011 Genetics and control of tomato fruit ripening and quality attributes Annu Rev Genet 45 4159 DOI 101146annurev genet110410132507 Knapp S 2002 Tobacco to tomatoes A phylogenetic perspective on fruit diversity in the Solanaceae J Exp Bot 53 20012022 Knapp S and Litt A 2013 FruitAn angiosperm innovation In The Molecular Biology and Biochemistry of Fruit Ripening G B Seymour G A Tucker M Poole and J J Giovannoni eds WileyBlackwell Oxford UK p 216 Li J and Berger F 2012 Endosperm Food for humankind and fodder for scientific discoveries New Phytol 195 290 305 Manning K Tor M Poole M Hong Y Thompson A J King G J Giovannoni J J and Seymour G B 2006 A naturally occurring epigenetic mutation in a gene encoding an SBPbox transcription factor inhibits tomato fruit ripening Nat Genet 38 948952 McCann M and Rose J 2010 Blueprints for building plant cell walls Plant Physiol 153 365 Nasrallah J B 2011 Selfincompatibility in the Brassicaceae In Plant Genetics and Genomics Crops and Models Vol 9 Genetics and Genomics of the Brassicaceae R Schmidt and I Bancroft eds Springer Berlin pp 389412 DOI 101007978144197118014 Okuda S Tsutsui H Shiina K Sprunck S Takeuchi H Yui R Kasahara R D Hamamura Y Mizukami A Susaki D et al 2009 Defensinlike polypeptide LUREs are pollen tube attractants secreted from synergid cells Nature 458 357361 Rodrigues J C M Luo M Berger F and Koltunow A M G 2010 Polycomb group gene function in sexual and asexual seed development in angiosperms Sex Plant Reprod 23 123133 Seymour G B Østergaard L Chapman N H Knapp S and Martin C 2013 Fruit development and ripening Annu Rev Plant Biol 64 219241 DOI 101146annurev arplant050312120057 Spence J Vercher Y Gates P and Harris N 1996 Pod shatter in Arabidopsis thaliana Brassica napus and B juncea J Microsc 181 195203 Tomato Genome Consortium 2012 The tomato genome sequence provides insights into fleshy fruit evolution Nature 485 635641 Twell D 2010 Male gametophyte development In Plant Developmental BiologyBiotechnological Perspectives Vol 1 E C Pua and M R Davey eds SpringerVerlag Berlin pp 225244 Vrebalov J Ruezinsky D Padmanabhan V White R Medrano D Drake R Schuch W and Giovannoni J 2002 A MADSbox gene necessary for fruit ripening at the tomato ripeninginhibitor rin locus Science 296 343 346 Wilkinson J Q Lanahan M B Yen HC Giovannoni J J and Klee H J 1995 An ethyleneinducible component of signal transduction encoded by Neverripe Science 270 18071809 Yang WC Shi DQ and Chen YH 2010 Female gametophyte development in flowering plants Annu Rev Plant Biol 61 89108 Zhong S Fei Z Chen YR ZhengY Huang M Vrebalov J McQuinn R Gapper N Liu B Xiang J et al 2013 Singlebase resolution methylomes of tomato fruit development reveal epigenome modifications associated with ripening Nat Biotechnol 31 154159 Taiz21indd 664 Taiz21indd 664 27102016 103616 27102016 103616 22 A cada outono as pessoas que vivem em climas temperados desfru tam as espetaculares mudanças de cores que podem preceder a per da de folhas de árvores decíduas Figura 221 Tradicionalmente os poetas têm utilizado a coloração e a queda das folhas de outono como recordações pungentes como nas linhas iniciais do soneto 73 de Shakespeare That time of year thou mayst in me behold When yellow leaves or nome or few do hang Upon those boughs which shake against the cold Bare ruined choirs where late the sweet birds sang Folhas outonais tornamse amarelas alaranjadas ou vermelhas e caem de seus ramos em resposta a comprimentos de dia mais curtos e tempe raturas mais baixas que desencadeiam dois processos do desenvolvimento relacionados senescência e abscisão Embora a senescência leve finalmente à morte dos tecidosalvo ela é distinta do termo relacionado necrose Se nescência é um processo autolítico autodigestivo dependente de energia que é controlado pela interação de fatores ambientais com programas de desenvolvimento geneticamente controlados Embora tenha alguma sobre posição com a senescência a necrose em geral é definida como a morte causada diretamente por dano físico toxinas como herbicidas ou outros agentes externos A abscisão referese à separação de camadas de células que ocorre nas bases de folhas partes florais e frutos a qual permite que se desprendam facilmente sem danificar a planta Há três tipos de senescência em plantas conforme o nível de organi zação estrutural da unidade senescente morte celular programada senes cência de órgãos e senescência da planta inteira Morte celular progra mada MCP é uma denominação geral referente à morte geneticamente regulada de células individuais Durante a MCP o protoplasma e às vezes a parede celular sofre autólise No caso do desenvolvimento de elementos traqueais xilema e fibras entretanto camadas de parede secundária são depositadas antes da morte celular A MCP é um aspecto essencial do de senvolvimento normal da planta Figura 222 mas também pode ser in duzida em resposta ao estresse tanto abiótico como biótico A senescência de órgãos a senescência de folhas inteiras ramos órgãos de flores ou de frutos ocorre em vários estágios do desenvolvimento vegetativo e repro dutivo e geralmente inclui a abscisão do órgão senescente Conforme já assinalado a senescência foliar é fortemente influenciada pelo fotoperío do e pela temperatura Finalmente a senescência da planta inteira en volve a morte de toda a planta Ela difere do envelhecimento em animais e é muito mais variável Por exemplo a duração de vida de uma planta Senescência Vegetal e Morte Celular Taiz22indd 665 Taiz22indd 665 27102016 090933 27102016 090933 666 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento individual pode variar desde umas poucas semanas para algumas plantas anuais de deserto até 4600 anos para pinheiros bristlecone Plantas perenes clonais podem ser até mais longevas Devido à presença de meristemas apicais dividindose continuamente as plantas potencial mente poderiam viver para sempre porém todos os meris temas apicais por fim se extinguem e a planta morre Por que isso acontece Como será visto a senescência da planta inteira é uma função complexa do programa genético da planta da disponibilidade de nutrientes e de água e de ou tros fatores Os processos de MCP senescência de órgãos e senes cência da planta inteira diferem com respeito ao tamanho ao número de células e à complexidade de suas unidades senescentes Eles também diferem quanto aos estímulos de desenvolvimento e ambientais que os desencadeiam Entretanto é importante observar que no nível celular MCP senescência de órgãos e senescência da planta intei ra utilizam as mesmas rotas genéticas ou similares para a N de T Ao menos três espécies de pinheiros do gênero Pinus en tre as quais Pinus longaeva chamadas coletivamente de bristlecone pines estão entre as formas de vida mais longevas sobre a Terra autólise celular Em outras palavras a MCP é uma caracte rística comum de todos os três tipos de senescência Inicialmente é apresentada com uma breve visão ge ral dos mecanismos enzimáticos fundamentais responsá veis pela autólise celular em plantas e animais São exa minadas a seguir as diversas alterações citológicas que acompanham a MCP incluindo a autofagia e as rotas gené ticas que regulam a autofagia Depois é abordada a senes cência ao nível de órgão com foco na senescência foliar Por fim são discutidos os fatores que governam os dois tipos diferentes de senescências da planta inteira senes cências monocárpica e policárpica Morte celular programada e autólise Todos os organismos eucarióticos incluindo plantas ani mais e fungos desenvolveram mecanismos de suicídio celular que coletivamente são conhecidos como morte celular programada Em plantas e animais multicelulares a destruição organizada de células é exigida para o cres cimento e o desenvolvimento normais e para a remoção de células indesejadas danificadas ou infectadas A MCP pode ser iniciada por sinais do desenvolvimento especí ficos ou por eventos potencialmente letais como ataque de patógenos ou erros na replicação do DNA durante a divisão celular Ela envolve a expressão de um conjunto característico de genes que organiza o desmonte de com ponentes celulares causando ao final a morte celular Figura 221 Cores de outono ao longo da rodovia Blue Ridge na Virginia A combinação de várias espécies de árvores decíduas produz uma ampla gama de matizes Taiz22indd 666 Taiz22indd 666 27102016 090933 27102016 090933 Capítulo 22 Senescência Vegetal e Morte Celular 667 Em animais a MCP em geral é associada a um con junto distinto de alterações morfológicas e bioquímicas chamado de apoptose do grego cair desprenderse como nas folhas outonais Durante a apoptose o núcleo celular condensase e os cromossomos fragmentamse como consequência da digestão do DNA por endonuclease entre nucleossomos específicos esse processo produz uma escada ordenada de oligonucleotídeos quando o DNA é fracionado por tamanho mediante eletroforese em gel Além das nucleases caspases proteases aspartatoespecí ficas dependentes de cisteína cysteinedependent aspartate specific proteases marcam proteínas específicas mediante introdução de clivagens simples após resíduos específicos de aspartato A digestão dirigida de proteínasalvo por caspases leva à morte controlada da célula Durante esse processo a membrana plasmática forma protuberâncias ir regulares ou bolhas e a célula fragmentase em numero sas vesículas chamadas de corpos apoptóticos Esses corpos são então fagocitados por fagócitos com os receptores de membrana apropriados seguido pela digestão A autólise em plantas mantém alguma semelhan ça com a apoptose em animais mas é mais variável Por exemplo as escadas ordenadas de oligonucleotídeos foram observadas durante a resposta de hipersensibilidade ao Desenvolvimento de tricomas Endosperma aleurona Formação de elementos traqueais Formação do megásporo Degeneração do suspensor Senescência foliar Coifa Resposta de hipersensibilidade resistência à doença Formação do aerênquima Figura 222 A morte celular programada MCP é uma par te normal do ciclo de vida da planta que ocorre em uma ampla gama de processos de desenvolvimento e respostas a sinais ambientais e patógenos Taiz22indd 667 Taiz22indd 667 27102016 090933 27102016 090933 668 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento ataque de patógenos em algumas espécies vegetais mas na maioria dos casos a degradação do DNA dá origem a uma mancha de DNA A resposta de hipersensibilidade é discutida a seguir e novamente no Capítulo 23 Embo ra as plantas não tenham caspases verdadeiras as células vegetais usam durante a autólise uma diversidade de ou tras proteases do tipo caspase incluindo cisteínas endo peptidase serinas protease metaloproteases e o complexo ubiquitinaproteassomo A morte celular programada durante o desenvolvimento normal difere daquela da resposta de hipersensibilidade As células vegetais diferem fundamentalmente das células animais por serem envolvidas por rígidas paredes celula res que impedem a migração celular Devido à presença da parede celular e à ausência de fagócitos os tipos de alterações que ocorrem durante a apoptose em animais raramente ocorrem em plantas Em vez disso estudos ul traestruturais conduziram à caracterização de duas rotas citológicas distintas de MCP em plantas A MCP do tipo vacuolar ocorre durante o desenvolvi mento normal e reflete o fato de que o vacúolo central é o principal repositório de proteases nucleases e outras enzi mas líticas Exemplos de tais processos de desenvolvimen to abrangem o desenvolvimento de elementos traqueais e fibras no xilema a configuração de folhas durante a mor fogênese a senescência foliar e a megasporogênese ver Figura 222 As alterações citológicas associadas à dife renciação de elementos traqueais são ilustradas na Figura 223A Durante a MCP do tipo vacuolar o vacúolo dilata se e tornase permeável ou rompese liberando hidrola ses dentro do citosol e causando degradação em grande escala O citosol e todas as suas organelas incluindo a membrana plasmática são completamente decompostos e em muitos casos a parede celular é parcial ou comple tamente digerida assim como no tecido do endosperma A degradação da parede celular não ocorre em células que adquiriram paredes celulares lignificadas durante o pro cesso tais como elementos traqueais e fibras A MCP do tipo resposta de hipersensibilidade tipo RH é um mecanismo de defesa vegetal contra o ataque microbiano Durante a resposta de hipersensi bilidade em folhas as células no entorno imediato do local de infecção cometem suicídio privando o patóge no dos nutrientes necessários para sua propagação ver Capítulo 23 Embora existam muitas variações de MCP do tipo RH uma característica que elas têm em comum é a autólise não ser iniciada pela expansão e pelo vaza mento vacuolar Em vez disso como mostrado na Figura 223B a perda de água vacuolar e a contração celular são os primeiros eventos da MCP do tipo RH seguidas pela degradação do DNA nuclear A célula continua a se con A Morte celular programada do tipo vacuolar B Morte celular programada do tipo resposta de hipersensibilidade Mitocôndria Vacúolo Núcleo Plastídio Figura 223 Dois tipos de morte celular programada em plantas A A MCP do tipo vacuolar também referida como MCP do desen volvimento é exemplificada aqui pela diferenciação dos elementos traqueais xilema Durante a deposição da parede secundária o va cúolo dilatase e o tonoplasto rompese liberando hidrolases que digerem os conteúdos celulares B A MCP do tipo resposta de hiper sensibilidade ocorre em folhas em resposta ao ataque microbiano O vacúolo perde água resultando em acentuado encolhimento celular contração da parede celular e degradação do DNA nuclear A contí nua perda de água do citosol leva ao rompimento da membrana plas mática e à liberação dos conteúdos celulares residuais no apoplasto Taiz22indd 668 Taiz22indd 668 27102016 090933 27102016 090933 Capítulo 22 Senescência Vegetal e Morte Celular 669 trair devido à perda de água e as organelas celulares e a membrana plasmática decompõemse liberando seus conteúdos no apoplasto A rota de autofagia captura e degrada constituintes celulares dentro de compartimentos líticos As células à semelhança de máquinas complexas experi mentam desgaste ao longo do tempo e partes necessitam ser substituídas continuamente para estender a duração de suas vidas A autofagia do grego comer a si próprio foi inicialmente caracterizada em células animais como o mecanismo catabólico que fornece componentes celulares para lisossomos onde eles são degradados Ela protege a célula de efeitos prejudiciais ou letais de proteínas e orga nelas danificadas ou desnecessárias Durante a inanição a decomposição autofágica e a reciclagem de componentes celulares também asseguram a sobrevivência celular pela manutenção dos níveis de energia celular Dois tipos de autofagia foram identificados em ani mais e leveduras que também ocorrem em plantas ma croautofagia e microautofagia embora a evidência para a microautofagia em plantas seja mais controversa Na ma croautofagia o tipo mais bem estudado de autofagia em plantas organelas especializadas chamadas de autofagos somos englobam componentes citoplasmáticos e fundem se ao vacúolo A microautofagia envolve a invaginação do tonoplasto e a formação de pequenas vesículas intrava cuolares chamadas de corpos autofágicos que são rapida mente degradadas por enzimas líticas dentro do vacúolo Aqui o foco será dado à macroautofagia referida simples mente como autofagia Na autofagia o retículo endoplasmático RE ini cialmente dá origem a uma cisterna membranosa em forma de taça chamada de fagóforo Figura 224 Em animais foi demonstrado que o fagóforo se forma em um sítio especializado sobre o RE discutido a seguir O fagóforo jovem adquire então membranas lipídicas adicionais expandese e desprendese do RE A expan são e a fusão do fagóforo lhe permitem engolfar com ponentes citoplasmáticos marcados para a destruição incluindo proteínas mal dobradas ribossomos RE e mi tocôndrias O fagóforo tornase esférico e as bicamadas fosfolipídicas interna e externa fundemse para formar o autofagossomo completo circundado por uma mem brana dupla Em plantas a membrana externa do au tofagossomo fusionase com a membrana vacuolar ou tonoplasto No processo uma vesícula com uma única membrana chamada de corpo autofágico entra no va cúolo e é degradada ver Figura 224 Os monômeros aminoácidos açúcares nucleosídeos etc gerados pela decomposição hidrolítica do corpo autofágico são devol vidos ao citosol para reutilização ou como uma fonte de energia ou como unidades de construção de novas estruturas celulares Micrografias de autofagossomos de plantas e corpos autofágicos ao microscópio eletrônico são mostradas na Figura 225 Um subconjunto de genes relacionados à autofagia controla a formação do autofagossomo Os genes que regulam a autofagia foram primeiro iden tificados em leveduras e são chamados de genes relacio nados à autofagia ou genes ATG autophagyrelated ge nes Muitos dos genes ATG são conservados na evolução e homólogos aos genes de leveduras foram encontrados tanto em plantas como em mamíferos Em levedura foi demonstrado que os genes ATG regulam a autofagia in duzida por inanição a rota de direcionamento citoplasma vacúolo e a autofagia seletiva de organelas A maquina ria central de autofagia core autoplagy machinery controla a iniciação e o crescimento do autofagossomo e foi dividi do em três grupos principais de proteínas ATG9 e seu sistema de ciclagem que inclui o comple xo quinase ATG1ATG13 O complexo fosfatidilinositol3OH quinase PI3K O sistema proteína tipo ubiquitina que inclui o com plexo ATG12 e a ATG8 Indução Autofagossomo Fusão com o tonoplasto Decomposição no vacúolo Vacúolo Corpo autofágico Fagóforo Figura 224 Formação do autofagossomo em eucariotos A biogênese do autofagossomo começa com a formação de uma estrutura de membrana dupla em forma de taça chamada de fagóforo As bordas do fagóforo crescem e engolfam o cargo macromoléculas e organe las As bordas então se fusionam formando uma vesícula de membrana dupla chamada de autofagossomo Alguma digestão ocorre den tro do autofagossomo durante seu trânsito em direção ao vacúolo Após alcançar o vacúolo a membrana externa do autofagossomo fusiona se com o tonoplasto e o cargo restante entra no vacúolo dentro de uma vesícula de mem brana unitária corpo autofágico que pode então ser degradada por enzimas líticas Taiz22indd 669 Taiz22indd 669 27102016 090933 27102016 090933 670 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Todos os três grupos de proteínas estão localizados sobre o sítio de montagem do fagóforo do RE Figura 226 A ATG9 desempenha um papel crucial movendose para frente e para trás entre o sítio de montagem de fagóforo e a rede trans do Golgi e outros sítios suprindo o fagóforo em expansão com componentes de membrana Outras proteí nas ATG como o complexo quinase ATG1 são requeridas para o funcionamento eficiente desse sistema vaivém de membrana Por exemplo o complexo ATG1ATG13 é re querido para o movimento de ATG9 do sítio de montagem do fagóforo para o sítio periférico onde ela obtém novas membranas A inibição desse processo de transporte blo queia a autofagia O complexo PI3K também serve para regular o sistema vaivém de membrana de ATG9 Um importante marco histórico em nossa compreen são da autofagia foi a identificação de TOR alvo da rapa micina target of rapamycin uma proteína serinatreonina quinase como uma chavemestra controlando os genes ATG A rota da TOR é um importante controlador meta bólico e do desenvolvimento em eucariotos que integra sinalização de nutrientes e energia para promover a pro liferação e o crescimento celulares Com base em estu dos em leveduras e mamíferos acreditase que TOR atue como um regulador negativo da autofagia em plantas pela fosforilação do complexo ATG1ATG13 que o impede de se ligar ao sítio de montagem do fagóforo PAS phagopho re assembly site ver Figura 226 Sem o complexo ATG1 ATG13 sobre o PAS ATG9 é incapaz de completar o ciclo de volta a seu sítio periférico para obter novos lipídeos de Complexo Pl3K Limitações nutricionais outros estresses Transporte anterógrado Transporte retrógrado Sítio de montagem do fagóforo PAS ATG9 ATG1 ATG8 ATG13 TOR ATG9 ATG9 ATG9 ATG9 Membrana plasmática Sítios periféricos p ex rede trans de Golgi Complexo ATG12 A B Figura 225 Autofagossomo e corpo autofágico produzido por células de tabaco Nicotiana tabacum carentes de sacarose trata das com um inibidor que impede a decomposição dos corpos au tofágicos no vacúolo central A Um autofagossomo de membrana dupla que engolfou uma mitocôndria no citosol B Três corpos autofágicos de membrana única cada um contendo organelas des tinadas a reciclagem turnover autofágica Cortesia de David G Robinson Figura 226 Esquema simplificado da ma quinaria central de autofagia localizado no sí tio de montagem do fagóforo ATG9 aciona o crescimento do fagóforo em forma de taça pelo vaivém entre o sítio de montagem do fagóforo e os sítios de membrana periféricos ATG9 re quer a participação do complexo ATG1ATG13 bem como do complexo fosfatidilinositol 3OH quinase PI3K do complexo ATG12 do ATG8 e de outras proteínas não mostrado O com plexo quinase TOR alvo da rapamicina atua como um regulador negativo de autofagia fos forilando o complexo ATG1ATG13 Taiz22indd 670 Taiz22indd 670 27102016 090933 27102016 090933 Capítulo 22 Senescência Vegetal e Morte Celular 671 membrana para a expansão do fagóforo e a autofagia se detém O complexo ATG tam bém é envolvido no recrutamento de outras proteínas ATG para o sítio de montagem do fagóforo A atividade da TOR é por sua vez regulada negativamente pela limitação de nutrientes e outros estresses Desse modo estresses de vários tipos podem estimular a autofagia via inibição da TOR A rota autofágica desempenha um duplo papel no desenvolvimento vegetal Em tecidos não senescentes a autofagia serve como um mecanismo homeostático que man tém a integridade metabólica e estrutural da célula O efeito positivo da autofagia sobre o crescimento vegetal pode ser demonstrado pelo silencia mento knocking out de genes específicos para a autofagia em Arabidopsis Como mostrado na Figura 227 plantas com autofagia defeituosa exibem senescência acelerada e crescimento da raiz reduzido em comparação com os controles A autofagia pode ter também um efeito nega tivo sobre a homeostase como ocorre durante a respos ta de hipersensibilidade ver Capítulo 23 Por exemplo plantas transgênicas de Arabidopsis superexpressando o gene RabG3b Rasrelated in brainG3b que codifica para uma proteína ligadora de GTP que ativa a autofagia exi bem MCP do tipo RH acelerada e irrestrita sobre a maior parte da superfície foliar durante a infecção por patóge no A MCP em plantascontrole ao contrário é restrita a regiões muito menores A síndrome de senescência foliar Todas as folhas incluindo aquelas perenes sofrem senes cência em resposta a fatores dependentes da idade a sinais ambientais a estresses bióticos ou abióticos Mesmo as duas folhas permanentes da singular espécie sulafricana Welwitschia mirabilis uma parente distante do pi nheiro morrem continuamente a partir da ponta em equilíbrio com a produção de novas lâminas foliares pelo meristema basal Figura 228 A senescência foliar é uma forma especializa da de MCP que permite a remobilização eficiente de nutrientes a partir de folhasfonte para os dre nos do crescimento vegetativo ou reprodutivo via floema Durante a senescência as células foliares Tipo selvagem atg4a4b1 C A B Figura 227 Fenótipo do mutante de autofagia defeituosa atg4a4b1 A Folhas em roseta do tipo selvagem B Folhas em roseta do mutante com auto fagia defeituosa exibindo senescência acelerada C Comparação de plântulas do tipo selvagem e mutan tes crescendo sobre ágar sob condições de carência de nitrogênio O crescimento da raiz de plântulas com autofagia deficiente é fortemente inibido A e B de Bassham et al 2006 C de Yoshimoto et al 2004 Figura 228 A gimnosperma sulafricana Welwitschia mirabilis produz duas folhas permanentes que crescem a partir do meristema basal A senescência ocorre nas pon tas Ao longo do tempo as duas folhas partemse longi tudinalmente Taiz22indd 671 Taiz22indd 671 27102016 090933 27102016 090933 672 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento passam por mudanças geneticamente programadas na es trutura e no metabolismo celular A primeira alteração estru tural é a desagregação do cloroplasto que contém até 70 da proteína foliar A assimilação de carbono é substituída pela decomposição e conversão de clorofila proteínas e outras macromoléculas em nutrientes exportáveis que podem ser translocados para órgãos em crescimento vegetativo ou se mentes ou frutos em desenvolvimento Como é o caso para outros exemplos de MCP mostrados na Figura 222 a senes cência foliar é um processo selecionado evolutivamente que contribui para o desempenho fitness global da planta Durante a senescência enzimas hidrolíticas partici pam da decomposição de proteínas celulares carboidratos e ácidos nucleicos Os açúcares os nucleosídeos e os ami noácidos componentes são então transportados de volta para dentro do corpo principal da planta via floema onde serão reutilizados em processos de síntese Muitos mine rais são também transportados de órgãos senescentes de volta Uma vez que a senescência redistribui os nutrientes para as partes da planta em crescimento ela pode servir como um mecanismo de sobrevivência durante condi ções ambientais adversas como seca ou estresse térmico ver Capítulo 24 Entretanto a senescência foliar ocorre mesmo sob condições ideais de crescimento e é portanto parte do programa de desenvolvimento normal da plan ta À medida que novas folhas são iniciadas no meriste ma apical do caule as folhas mais velhas abaixo podem se tornar sombreadas e perder a capacidade de funcionar de maneira eficiente na fotossíntese desencadeando a sua senescência Em eudicotiledôneas a senescência geral mente é seguida pela abscisão o processo que permite às plantas desprender folhas senescentes Juntos os progra mas de senescência e abscisão foliar ajudam a otimizar a eficiência fotossintética e nutricional da planta A idade de desenvolvimento de uma folha pode diferir de sua idade cronológica Os sinais internos e externos influenciam a idade de de senvolvimento do tecido foliar que pode ou não corres ponder à idade cronológica da folha A distinção entre as idades de desenvolvimento e cronológica foi primorosa mente ilustrada por um experimento simples conduzido pelo fisiologista vegetal alemão Ernst Stahl em 1909 Stahl cortou um pequeno disco de uma folha verde de mock orange Philadelphus grandiflora um arbusto decíduo Ele então incubou o disco em uma solução nutritiva simples em laboratório até o outono no tempo que a fo lha unida à planta havia se tornado amarela A imagem na Figura 229 mostra o disco sobreposto na folha intacta da qual foi removido ao final do experimento Embora as idades cronológicas da folha e do disco sejam as mesmas a folha é agora muito mais velha em desenvolvimento do que o tecido do disco A folha intacta foi submetida a uma diversidade de sinais internos vindos dos tecidos foliares adjacentes e de outras partes da planta enquanto o dis co foi literalmente isolado dessas influências Além dis so a folha unida à planta permaneceu ao ar livre exposta às mudanças estacionais enquanto o disco foi cultivado em laboratório sob condições mais ou menos constantes Protegido de sinais internos e externos o disco foliar per maneceu na mesma idade de desenvolvimento do início do experimento enquanto a folha unida se tornou mais velha no desenvolvimento Adiante neste capítulo serão discutidos os fatores que determinam a idade de desenvol vimento em mais detalhe A senescência foliar pode ser sequencial sazonal ou induzida por estresse A senescência foliar sob condições normais de crescimen to é governada pela idade de desenvolvimento da folha que é uma função de hormônios e outros fatores regu ladores Sob essas circunstâncias geralmente existe um gradiente de senescência a partir das folhas mais jovens localizadas próximo às extremidades em crescimento até as folhas mais velhas localizadas próximo à base do caule um padrão conhecido como senescência foliar sequen cial Figura 2210 As folhas de árvores decíduas em cli mas temperados ao contrário senescem todas ao mesmo tempo em resposta ao encurtamento dos dias e às tem peraturas mais baixas do outono um padrão conhecido Figura 229 Experimento do início da senescência foliar mos trando o retardo da senescência de um disco foliar cultivado em laboratório comparado com uma folha intacta de Philadelphus gran diflora a partir da qual o disco foi extraído De Stahl 1909 Taiz22indd 672 Taiz22indd 672 27102016 090933 27102016 090933 Capítulo 22 Senescência Vegetal e Morte Celular 673 como senescência foliar sazonal Figura 2211 As senes cências foliares sequencial e sazonal são variações da se nescência do desenvolvimento uma vez que elas ocorrem sob condições normais de crescimento Ao nível celular as senescências foliares sequencial e sazonal envolvem a rota de MCP do tipo vacuolar ver Figura 223A A senescência foliar também pode ocorrer prematu ramente sob condições ambientais estressantes desfavorá veis Entre os estresses abióticos conhecidos por promover a senescência foliar estão seca deficiência mineral radia ção UVB ozônio temperaturas extremas luz intensa e escuridão ver Capítulo 24 Estresses bióticos como her bivoria e infecção por patógenos também podem causar senescência foliar prematura ver Capítulo 23 As alterações morfológicas associadas à senescência foliar induzida por estresse diferem daquelas da senescên cia foliar do desenvolvimento Em folhas senescendo em consequência do desenvolvimento a senescência é coorde nada ao nível da folha inteira começando nos ápices ou nas margens das folhas e estendendose em direção à sua base Figura 2212 O estresse ambiental ao contrário pode ser destinado para locais específicos em uma folha Quando ocorre estresse localizado o tecido estressado senesce an tes do tecido não estressado O estresse por nutrientes mi nerais também pode alterar a senescência foliar sequencial ver Capítulo 5 A senescência foliar do desenvolvimento consiste em três fases distintas A senescência foliar do desenvolvimen to pode ser dividida em três fases distin tas a fase de iniciação a fase degenera tiva e a fase terminal ver Figura 2212 Durante a fase de iniciação a folha recebe sinais do desenvolvimento e ambientais que iniciam um declínio na fotossíntese e uma transição de ser um dreno de ni trogênio para uma fonte de nitrogênio A maior parte da autólise de organelas celulares e macromoléculas ocorre du rante a fase degenerativa da senescência foliar Os minerais solubilizados e os A 8 de setembro B 13 de setembro C 18 de setembro D 25 de setembro E 3 de outubro F 8 de outubro Figura 2210 Senescência foliar sequencial de hastes de trigo mostrando um gradiente de folhas mais velhas na base a folhas mais jovens próximas ao ápice Cortesia de Andreas M Fischer Figura 2211 Senescência foliar sazonal em um indivíduo de choupo Populus tremu la Todas as folhas começam a senescer no final de setembro e sofrem abscisão no início de outubro De Keskitalo et al 2005 N de RT É importante esclarecer que no hemisfério norte o outono começa em 22 de setembro e finaliza em 20 de dezembro Taiz22indd 673 Taiz22indd 673 27102016 090934 27102016 090934 674 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento 1 Fase de iniciação Transição de dreno de nitrogênio para fonte de nitrogênio Declínio da fotossíntese Eventos de sinalização iniciais 2 Fase degenerativa Desmonte dos constituintes celulares Degradação de macromoléculas 3 Fase terminal Perda da integridade celular Morte celular Abscisão foliar Nutrientes Clorofila Centros do fotossistema II ativos Degradação da clorofila Cloroplasto em gerontoplasto Degradação de carotenoides Acumulação de produtos da degradação de carotenoides Acumulação de antocianinas Cloroplasto PFEMitocôndrias PFE Acumulação de amido Esgotamento de açúcares solúveis Degradação de proteínas Redução de fosfatos Degradação de plastídios Mitocôndrias e núcleos presentes em células Perda do citoplasma 13 set 18 set 23 set 28 set 3 out 8 out Fase 1 Fase 2 Fase 3 Figura 2212 Os três estágios da senescência foliar Figura 2213 Cronograma dos eventos celula res durante a senescência foliar sazonal como na Figura 2212 no álamo choupo Populus tremula de 10 de setembro a 10 de outubro PFE principal fonte de energia De Keskitalo et al 2005 Taiz22indd 674 Taiz22indd 674 27102016 090934 27102016 090934 Capítulo 22 Senescência Vegetal e Morte Celular 675 nutrientes orgânicos são então remobilizados via floema para os drenos em crescimento tais como folhas jovens órgãos de armazenamento subterrâneos ou estruturas re produtivas A camada de abscisão formase durante a fase degenerativa da senescência foliar Durante a fase terminal a autólise é completada e a separação celular tem lugar na camada de abscisão resultando na abscisão da folha As primeiras alterações celulares durante a senescência foliar ocorrem no cloroplasto Os cloroplastos contêm cerca de 70 do total de proteína foliar a maioria consistindo em ribulose15bifosfato carboxilaseoxigenase rubisco localizada no estroma e na proteína do complexo de captação de luz II LHCP II lightharvesting chlorophyllbinding protein II associada às membranas tilacoides ver Capítulos 7 e 8 O catabolismo e a remobilização de proteínas cloroplastídicas portanto for necem a fonte primária de aminoácidos e nitrogênio para os órgãos dreno e representam a primeira alteração que ocorre durante a senescência foliar Isso é ilustrado no calendário celular de senescência foliar de outono em indivíduos de álamo Populus tremula mostrado na Figura 2213 A perda de clorofila começa por volta de 11 de setembro uma sema na antes de começar a perda de outros constituintes cito plasmáticos A fase degenerativa é em grande parte comple ta por volta de 30 de setembro e o processo de separação celular na camada de abscisão discutido a seguir começou vedando o floema da exportação de mais nutrientes A clorofila e seus produtos primários de degradação são extremamente fotorreativos e potencialmente letais para a célula Para evitar a necrose prematura a desmonta gem e a degradação das pilhas de grana contendo clorofila e tilacoides individuais devem ser conduzidas de um modo que permita a remoção e a disposição segura desses com postos potencialmente tóxicos Durante o catabolismo os cloroplastos são transformados em gerontoplastos que lembram cromoplastos ver Figura 122 Ultraestrutural mente a formação do gerontoplasto envolve o desempi lhamento progressivo dos grana a perda das membranas dos tilacoides e uma acumulação massiva de plastoglóbu los compostos de lipídeos Figura 2214 A desmontagem estrutural dos grana é acompanhada por um declínio nas reações fotoquímicas primárias e na eficiência das enzimas do ciclo de CalvinBenson incluindo a rubisco Diferente dos cromoplastos os gerontoplastos mantêm a capacidade de se dividir e seu desenvolvimento é reversível até certo li miar quando a reversibilidade é perdida e as células entram na fase terminal de senescência levando à morte celular Ao contrário dos cloroplastos o núcleo e as mito côndrias que são requeridos para a expressão gênica e a produção de energia permanecem intactos até os últimos estágios da senescência Entretanto nem todos os cloro plastos senescem na mesma velocidade Por exemplo os cloroplastos das célulasguarda são os últimos a se degra darem em uma folha sugerindo que podem continuar a funcionar mesmo após os cloroplastos do mesofilo se tor narem gerontoplastos Nos estágios finais da senescência foliar os sintomas típicos da MCP do tipo vacuolar como a decomposição do tonoplasto a condensação nuclear e a autólise geral iniciamse no ápice da folha e distribuem se para baixo em direção à base A autólise das proteínas do cloroplasto ocorre em múltiplos compartimentos A degradação das proteínas cloroplastídicas durante a se nescência envolve tanto enzimas localizadas nos plastí dios incluindo proteases como outros sistemas proteolí ticos fora dos cloroplastos Por exemplo a decomposição da rubisco e de outras proteínas do estroma ocorre princi palmente fora do cloroplasto mediante dois tipos de estru turas autofágicas os corpos contendo rubisco e os vacúo los associados à senescência Uma diferença importante entre eles é que os corpos contendo rubisco usam a ma quinaria autofágica enquanto os vacúolos associados à senescência não utilizam Os corpos contendo rubisco são circundados por uma dupla membrana e acreditase que sejam formados quando vesículas brotam do cloroplasto senescente encolhendo assim seu tamanho Os corpos contendo rubisco recémformados que contêm somente A B 05 μm 05 μm Figura 2214 Ultraestrutura de cloroplastos e gerontoplastos em células do mesofilo de folha de cevada A Cloroplastos antes da senescência e B gerontoplastos de folhas nas quais cerca de 50 da clorofila foram perdidos De Krupinska et al 2012 Taiz22indd 675 Taiz22indd 675 27102016 090934 27102016 090934 676 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento rubisco e outras enzimas do estroma são envolvidos por autofagossomos que liberam seus conteúdos ao vacúolo para subsequente degradação Em comparação aos corpos contendo rubisco os vacúolos associados à senescência são vacúolos pequenos ricos em proteases ácidos que aumen tam em número durante a senescência no mesofilo foliar e nas célulasguarda mas não em células epidérmicas não verdes Assim como os corpos contendo rubisco os vacúo los associados à senescência contêm rubisco e outras enzi mas do estroma e são capazes de degradálas diretamente embora também possam se fundir com o vacúolo central Os corpos contendo rubisco e os vacúolos associados à senescência podem reduzir o tamanho do cloroplasto se nescente e degradar proteínas do estroma mas não estão envolvidos na decomposição dos cloroplastos inteiros e de suas membranas Estudos demonstraram que a rota de autofagia é requerida para a decomposição do cloroplasto inteiro durante a senescência foliar induzida pelo escuro Como mostrado na Figura 2215 os cloroplastos de uma folha escurecida individualmente do tipo selvagem de Arabidopsis ver Figura 2215C são quase completamente degradados em comparação com aqueles de uma folha controle mantida na luz ver Figura 2215B Entretanto os cloroplastos do mutante atg4a4b1 não são decompos tos no escuro ver Figura 2215F sugerindo que a rota de autofagia esteja envolvida na degradação de cloroplastos inteiros Durante esse processo os cloroplastos inteiros podem ser engolfados pelo vacúolo É provável que os estágios iniciais da autólise das pro teínas cloroplastídicas ocorram dentro do cloroplasto Clo roplastos contêm numerosas proteases dependentes de ATP das famílias gênicas de Clp protease caseinolítica de Casei nolytic protease e FtsH filamentação sensitiva à temperatura H de Filamentation temperaturesensitive H que são reque ridas para o desenvolvimento do cloroplasto Algumas des sas proteases são reguladas para cima upregulated especi ficamente durante a senescência foliar embora seus papéis precisos na senescência permaneçam desconhecidos Cloro plastos isolados podem degradar parcialmente a rubisco in vitro Isso sugere que as proteases do cloroplasto participam nos estágios iniciais da senescência foliar A proteína STAYGREEN SGR é exigida tanto para a reciclagem da proteína LHCP II como para o catabolismo da clorofila Como discutido no Capítulo 8 a clorofila é firmemente li gada em complexos com proteínas Durante a senescência esses complexos clorofilaproteína devem ser desmonta dos para permitir que as apoproteínas sejam recicladas STAYGREEN SGR é uma proteína cloroplastídica que parece atuar na desestabilização dos complexos clorofila proteína e acreditase que seja requerida para a proteó lise de LHCP II dentro do cloroplasto Mutantes de SGR permanecem verdes durante a senescência porque a clo rofila não pode ser catabolizada quando está complexada à proteína O fenótipo de cotilédone verde nos clássicos ex perimentos de cruzamento com ervilhas Pisum sativum de Gregor Mendel foi causado por uma mutação no gene SGR A despeito de sua capacidade de reter sua clorofila os mutantes sgr exibem o mesmo declínio na eficiência fo tossintética durante a senescência como as plantas do tipo selvagem uma vez que a reciclagem turnover de proteí nas solúveis do estroma não é afetada pela mutação A desestabilização dos complexos clorofilaproteína por SGR talvez auxiliada pela clivagem proteolítica par cial libera as proteínas LHCP II para autólise As molé culas de clorofila liberadas são então parcialmente ca tabolizadas no plastídio e exportadas para o citosol para Tipo selvagem Mutante em autofagia atg4a4b1 A B C D E F Antes do tratamento Após 5 dias na luz Após 5 dias no escuro Figura 2215 A rota de autofagia é exigida para a degradação do cloro plasto na senescência foliar induzida pelo escuro em Arabidopsis AC Células do mesofilo do tipo selvagem DF Células do mesofilo do mutante de autofagia atg4a4b1 A D Cé lulas de folhas antes do tratamento com escuro B E Células de folhas expostas à luz por 5 dias C F Cé lulas de folhas expostas individual mente ao escuro após 5 dias no es curo A decomposição do cloroplasto ocorre no escuro em folhas do tipo selvagem C mas não em folhas mu tantes para a autofagia F De Wada et al 2009 Taiz22indd 676 Taiz22indd 676 27102016 090934 27102016 090934 Capítulo 22 Senescência Vegetal e Morte Celular 677 posterior modificação antes de serem armazenadas per manentemente no vacúolo Figura 2216 A senescência foliar é precedida por uma expressiva reprogramação da expressão gênica A transição de uma folha madura fotossinteticamente ativa para uma folha senescente é uma fase importante de mudança que requer expressiva reprogramação da ex pressão gênica Uma análise global da expressão gênica em Arabidopsis identificou 827 genes cujos níveis de trans critos são aumentados no mínimo três vezes em vários momentos durante a senescência foliar Genes regulados para cima são designados genes associados à senescên cia SAGs senescenceassociated genes Entre os primeiros SAGs a serem regulados para cima estão fatores de trans Complexos clorofilaproteína Várias modificações e conjugações Proteína liberada para reciclagem SGR produto gênico STAY GREEN Clorofila b Clorofila bredutase Reação de dequelação Feofitinase Clorofila a Cloroplasto Citosol Fitol Feofitina a Feoforbida a Catabólito vermelho de clorofila RCC Feoforbida aoxigenase Catabólito fluorescente de clorofila RCCredutase Transportador de catabólito dependente de ATP Mg2 Transportador ABC Vacúolo Catabólito não fluorescente de clorofila N N N N N N N N N N N N Fitol Mg N N N N Fitol N N N N Fitol N N N N N N N N Mg Figura 2216 A rota do catabolismo e a compartimentalização da clorofila durante a senescência foliar RCC red chlorophyll cata bolite crição exigidos para a expressão de outros SAGs Genes cuja expressão é reprimida pela senescência são chamados de genes de senescência regulados para baixo SDGs se nescence downregulated genes Uma comparação das rotas metabólicas que são ou estimuladas por SAGs ou repri midas por SDGs durante a senescência foliar sequencial em Arabidopsis é mostrada na Figura 2217 SAGs incluem muitos genes associados com estresse abiótico e biótico como autofagia resposta a espécies reativas de oxigênio EROs ligação a íons metálicos pectinesterase decom posição da parede celular decomposição lipídica e genes envolvidos na sinalização hormonal do ácido abscísico do ácido jasmônico e do etileno ver Capítulo 15 Uma vez que a senescência pode ter causas tanto in ternas como externas surge a questão se a senescência foliar relacionada ao estresse envolve as mesmas rotas metabólicas e programas genéticos que a senescência fo liar do desenvolvimento Comparações foram feitas entre os padrões de expressão gênica de folhas de Arabidopsis tratadas com uma diversidade de estresses abióticos e aqueles de folhas naturalmente senescentes Nos pri meiros estágios do tratamento os padrões de expressão gênica de folhas estressadas foram distintos daqueles de folhas naturalmente senescentes No momento em que as folhas começaram a amarelar entretanto os dois con juntos de dados convergiram Essas descobertas sugerem que o estresse abiótico inicialmente envolve rotas espe cíficas de transdução de sinal relacionadas ao estresse contudo uma vez iniciada a MCP as rotas induzidas por estresse coincidem em parte com as rotas de senescência do desenvolvimento Taiz22indd 677 Taiz22indd 677 27102016 090934 27102016 090934 678 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Senescência foliar a rede reguladora Muito tem sido aprendido em anos recentes sobre as rotas metabólicas e de regulação gênica envolvidas na iniciação da senescência na idade do desenvolvimento e no programa de senescência foliar Uma visão geral das rotas de sinalização e das redes reguladoras que abrange a fase de iniciação da senescência foliar é mostrada na Figura 2218 Entre os fatores internos importantes estão os hormônios vegetais e outras moléculas sinalizadoras como o ácido salicílico A idade de desenvolvimento de uma folha também é fortemente afetada por transições de fase como da fase juvenil para a fase vegetativa adulta e desta para a fase reprodutiva Fatores externos incluem as variações estacionais bem como os estresses bióticos e abióticos que sujeitam a planta a condições extremas fora de sua amplitude fisiológica normal Uma rede de rotas de sinalização sobrepostas integra o aporte input a partir de fatores internos e externos Essas rotas incluem sinalização baseada nas EROs rota ubiquitinaproteassomo proteínas quinase e fosfatase cascatas de sinalização de proteínas quinase ativadas por mitógeno MAPK mitogenactivated protein kinase ver Capítulo 15 e sinalização hormonal Todas essas rotas podem alterar a expressão gênica pela ativação ou pela repressão de fatores de transcrição Mecanismos epige néticos também alteram a expressão gênica mediante modificação de histonas e DNA e remodelação da cro matina Pequenos RNAs modulam a expressão gênica ao nível póstranscricional As proteínas associadas à senescência representam os produtos finais da rede de sinalização de idade do desenvolvimento que promovem diretamente o começo da senescência foliar As famílias dos genes NAC e WRKY são os fatores de transcrição mais abundantes que regulam a senescência foliar Os genes NAC e WRKY são as duas famílias mais abun dantes de fatores de transcrição regulados diferencial mente durante a senescência Os fatores de transcrição NAC denominados de acordo com as famílias de genes relacionados NAM ATAF e CUC em diferentes espécies contêm um domínio de ligação ao DNA Nterminal al tamente conservado e um domínio Cterminal regulador variável As proteínas do domínio NAC abrangem um dos maiores grupos de fatores de transcrição específicos de plantas e são codificadas por cerca de 105 genes em Arabi dopsis cerca de 140 genes no arroz e cerca de 101 genes na soja Elas têm sido implicadas na regulação de uma ampla gama de processos de desenvolvimento Os genes NAC foram descobertos primeiro em rela ção à senescência foliar em cereais A presença de um alelo NAC funcional chamado NAMB1 causa senescência fo liar precoce e retranslocação de nutrientes nitrogênio ferro e zinco para os grãos em desenvolvimento do trigo selva gem Triticum turgidum ssp dicoccoides o ancestral das va riedades de trigo domesticadas permitindo aos grãos obter o benefício completo dos nutrientes recuperados das folhas Em variedades domesticadas de trigo como o trigo tetra ploide Triticum turgidum ssp durum e o trigo hexaploide Triticum turgidum ssp aestivum uma mutação pontual por deleção ou adição de uma base nitrogenada frameshift mutation resulta em um alelo NAMB1 não funcional que retarda a senescência foliar Essa mutação parece ter sido selecionada inadvertidamente durante o início da domes ticação do trigo Entretanto as variedades domesticadas de trigo também contêm dois outros genes NAC estreitamente relacionados NAMA1 e NAMB2 que carecem da muta ção por deleção de base e são portanto funcionais como aceleradores de senescência Para testar a hipótese de que a Regulação para CIMA Regulação para BAIXO Autofagia Transporte Metabolismo de aminoácidos Pectinesterase Ribossomo Metabolismo da glicina Utilização de carbono Fotossíntese Citoesqueleto Metabolismo do caroteno Atividade da caspase Sinalização de ABA Sinalização de AJ Transcrição Biossíntese de clorofila Sinalização mediada por citocinina Biossíntese de carotenoide Ligação a íons metálicos Ligação ao DNA Ligação à proteína Atividade catalítica Transporte Sinalização do etileno Catabolismo de lipídeo Resposta às EROs Resposta à água 19 19 21 21 23 23 25 25 27 27 29 29 31 31 33 33 35 35 37 37 39 39 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 Figura 2217 Rotas metabólicas que são reguladas para cima upregulated ou reguladas para baixo downregulated durante a senescência em Arabidopsis De Breeze et al 2011 Taiz22indd 678 Taiz22indd 678 27102016 090934 27102016 090934 Capítulo 22 Senescência Vegetal e Morte Celular 679 senescência foliar retardada resulta em redução na proteína do grão e no conteúdo de nutrientes minerais a expressão de todos os três alelos NAM A1 B1 e B2 foi reduzida em plantas de trigo hexaploide pela transformação delas com uma construção RNAi que marca especificamente esses genes Como esperado a senescência foliar foi retardada nas plantas transgênicas em comparação com os controles do tipo selvagem não transgênicos e como consequência a proteína do grão e os conteúdos de nutrientes minerais foram reduzidos Figura 2219 O tamanho do grão das plantas transgênicas foi o mesmo que o dos controles não transgênicos indicando que o atraso na senescência não Fatores internos Hormônios Citocinina Etileno Auxina Ácido jasmônico Ácido abscísico Ácido salicílico Açúcares Mudança de fases Transdução de sinal Receptor proteína quinase Cascatas MAPK Metabolismo de hormônios e sinalização Espécies reativas de oxigênio Proteólise seletiva Fatores externos UV ou ozônio Limitação de nutrientes Calor ou frio Seca Sombreamento Ataque de patógeno ou lesão Regulação epigenética Modificação de histonas Modificação de DNA Remodelação da cromatina Pequenos RNAs Degeneração celular Degradação de macromoléculas Perda de clorofila Recuperação e translocação de nutrientes p ex nitrogênio e lipídeos Destoxificação e defesa p ex produção de antioxidante e ativação de genes relacionados à defesa Morte celular Padrão em escada do DNA Rompimento de núcleo e mitocôndrias Decomposição das membranas plasmática e vacuolar Idade do desenvolvimento Início da senescência REDE REGULADORA SINAIS FASE DEGENERATIVA FASE TERMINAL Expressão gênica TF gênico DNA mRNA TF TF SAG mRNA SAP FASE DE INICIAÇÃO Figura 2218 Visão geral das rotas de sinalização e das redes reguladoras envolvidas nos três estágios principais de senescên cia foliar ver texto para discus são MAPK proteína quinase ativada por mitógeno TF fator de transcrição transcription factor SAG gene associado à senescência SAP proteína asso ciada à senescência N de T A fragmentação apoptótica do DNA por caspases resulta em um padrão em escada característico DNA laddering visuali zado após a separação dos fragmentos por eletroforese em gel Taiz22indd 679 Taiz22indd 679 27102016 090934 27102016 090934 680 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento se traduz em grãos maiores Esses resultados são contrain tuitivos uma vez que normalmente se associa o atraso na senescência foliar a produtividades maiores O fato de que a senescência precoce melhora a qualidade nutricional do grão ilustra o papel crucial da remobilização de nutrientes durante a senescência foliar para o desenvolvimento nor mal do grão A importância dos fatores de transcrição NAC como reguladores da senescência foliar tem sido demons trada em outras espécies incluindo Arabidopsis e feijoeiro Phaseolus vulgaris Os fatores de transcrição WRKY pronunciado worky constituem outro grupo de fatores de transcrição específicos de plantas que desempenham papéis regula dores importantes em muitos processos metabólicos e de desenvolvimento Os fatores de transcrição WRKY contêm uma região de 60 aminoácidos denominada pela sequência conservada de aminoácidos WRKYGQK em seu domínio Nterminal Os fatores de transcrição WRKY são importan tes reguladores das interações plantapatógeno bem como da senescência Assim como os produtos do gene NAC os fatores de transcrição WRKY promovem a senescência fo liar precoce Em Arabidopsis a senescência foliar precoce é atrasada em mutantes nocauteados knockout mutants do gene WRKY53 Os promotores de vários SAGs e muitos outros membros da família WRKY são conhecidos como alvos diretos de WRKY53 WRKY53 ligase também ao promotor do gene WRKY53 inibindo sua própria expressão em um circuito de retroalimentação negativo Além disso WRKY22 está envolvido na regulação da senescência foliar induzida pelo escuro A expressão do gene é reprimida pela luz e promovida pela escuridão ou por EROs EROs servem como agentes de sinalização interna na senescência foliar Há uma crescente evidência de que EROs especialmente H2O2 desempenham papéis importantes como sinais du rante a senescência foliar EROs são compostos químicos tóxicos que causam dano oxidativo a DNA proteínas e li pídeos de membrana ver Capítulo 24 Elas são produzidas principalmente como subprodutos dos processos metabóli cos normais como a respiração e a fotossíntese em cloro plastos mitocôndrias e peroxissomos Elas também podem ser produzidas sobre a membrana plasmática Entretanto as EROs não desencadeiam senescência por causarem danos físicoquímicos às células mas mais propriamente atuam como sinais que ativam rotas de expressão gênica geneti camente programadas que conduzem a eventos regulados de morte celular As plantas utilizam sistemas de inativa ção de EROs como enzimas catalase superóxido dismuta se ascorbato peroxidase e moléculas antioxidantes p ex ascorbato e glutationa para proteger a si mesmas do dano oxidativo Contudo as concentrações de antioxidantes das plantas diminuem durante a senescência foliar enquanto os níveis de EROs aumentam A expressão do gene WRKY53 parece atuar como um interruptor regulador controlando a expressão de muitos SAGs durante a senescência foliar de Arabidopsis Em Ara bidopsis a expressão do gene WRKY53 aumenta em folhas durante o período de bolting rápido alongamento do caule associado com o florescimento e com a senescência foliar Os níveis foliares de H2O2 também aumentam durante o pe ríodo de bolting Mediante tratamento das folhas com H2O2 foi demonstrada a expressão de WRKY53 Portanto há boa evidência circunstancial de que o H2O2 atua como um sinal que desencadeia a senescência em Arabidopsis A sinalização por EROs durante a senescência foliar é ligada à atividade da rota de transdução de sinal MAPK Como descrito nos Capítulos 15 e 24 as MAPquinases MAPKs são proteínas quinase serina ou treoninaespecí ficas que estão envolvidas no direcionamento de respostas celulares a uma série de estímulos incluindo hormônios e vários tipos de estresses Há evidência de que a sinalização MAPK atue a montante upstream da expressão do gene WRKY53 durante a senescência foliar em Arabidopsis Açúcares acumulamse durante a senescência foliar e podem servir como um sinal Além de servirem como fonte de energia e como constituin tes estruturais para macromoléculas os açúcares também podem atuar como moléculas sinalizadoras regulando rotas A B Transgênico Tipo selvagem C Conteúdo proteico do grão Zn Fe ppm ppm Transgênico 1327 5245 3740 Tipo selvagem 1908 8250 6083 Figura 2219 A repressão da expressão do gene NAC retar da a senescência e reduz o conteúdo proteico e mineral no trigo hexaploide Triticum turgidum ssp aestivum A Partes aéreas completas de plantas transgênicas exibindo senescência retardada à esquerda em comparação com o tipo selvagem à direita B Comparações de espigas de plantas transgênicas à esquerda e do tipo selvagem à direita C Tabela mostrando conteúdo reduzido de proteína no grão e níveis menores de zinco e ferro nas plantas transgênicas Fotos e dados de Uauy et al 2006 Taiz22indd 680 Taiz22indd 680 27102016 090934 27102016 090934 Capítulo 22 Senescência Vegetal e Morte Celular 681 metabólicas bem como eventos do desenvolvimento Por exemplo como visto no Capítulo 8 a trealose6fosfato pode servir como um sinal que liga a biossíntese de amido ao status de carbono do citosol nas folhas Estudos mostraram que altas concentrações de açúcares diminuem a atividade fotossintética e podem mesmo desencadear a senescência foliar quando os açúcares excedem determinado limiar A senescência induzida por açúcar é especialmente impor tante sob condições de disponibilidade baixa de nitrogênio Recentemente foi mostrado que tanto trealose6fosfato como açúcares se acumulam em folhas senescentes de Ara bidopsis sugerindo que a trealose6fosfato pode desempe nhar um papel no começo da senescência foliar pelo menos sob condições de disponibilidade alta de carbono Os hormônios vegetais interagem na regulação da senescência foliar A senescência foliar é um processo evolutivamente sele cionado e geneticamente regulado que assegura a remo bilização eficiente de nutrientes para órgãosdreno vege tativos ou reprodutivos Nenhuma mutação tratamento ou condição ambiental foi ainda encontrado que anule o processo completamente sugerindo que a senescência fo liar é em última análise governada ou pela idade do de senvolvimento ou pela idade cronológica Todavia tanto o ritmo como a progressão da senescência são flexíveis e hormônios são sinaischave do desenvolvimento que ace leram ou retardam o ritmo da senescência foliar Alguns hormônios atuam como reguladores positivos da senes cência enquanto outros atuam como reguladores negati vos Entretanto o mesmo hormônio pode atuar como um regulador positivo ou negativo do processo de senescência dependendo da idade da folha Em outras palavras as fo lhas devem alcançar um estágio de maturidade antes que desenvolvam a competência para senescer Somente após a competência ser alcançada a folha pode responder a regu ladores positivos da resposta de senescência Hormônios também promovem as respostas a sinais ambientais pos sibilitando à planta maximizar a remobilização sob dife rentes condições ambientais Na discussão que se segue os hormônios serão dis cutidos individualmente mas é importante ter em mente que as rotas hormonais se sobrepõem e interagem de ma neira tanto cooperativa quanto antagonística na regulação da senescência foliar coerente com um mecanismo de controle do tipo rede Em geral os hormônios que regu lam a senescência podem ser divididos em duas categorias com base em seus efeitos mais comumente observados reguladores positivos da senescência promovendo e re guladores negativos da senescência reprimindo REGULADORES POSITIVOS DA SENESCÊNCIA ETILENO O etileno desempenha um papel importante no crescimento e no desenvolvimento vegetal A sinalização do etileno regula genes relacionados ao estresse que são importantes para a sobrevivência e o crescimento da plan ta O etileno também é considerado como um hormônio promotor da senescência uma vez que o tratamento com esse hormônio acelera a senescência de folhas e flores ini bidores da síntese e da ação do etileno podem retardar a senescência Como será discutido mais tarde no capítulo o etileno desempenha um papel importante também na abscisão A importância da sinalização do etileno duran te a senescência também pode ser inferida da senescência retardada do fenótipo de mutantes insensíveis ao etileno em Arabidopsis como etr11 Entretanto o etileno não é essencial para o início e para a progressão da senescência O efeito acelerador da senescência do etileno é elevado com o aumento da idade da folha e a exposição de folhas jovens ao etileno não tem efeito sobre sua senescência Muitos dos transcritos para a síntese de etileno e genes de sinalização aumentam quantitativamente por volta do momento em que a clorofila começa a declinar Essas observações suge rem que a sinalização do etileno regula os estágios finais da senescência foliar ÁCIDO ABSCÍSICO ABA Os níveis de ABA aumentam em folhas senescentes e a aplicação exógena de ABA pro move rapidamente a síndrome de senescência e a expres são de vários SAGs o que é coerente com os efeitos de ABA sobre a senescência foliar Entretanto assim como o etileno o ABA é considerado um intensificador em vez de um fator desencadeador da senescência foliar Durante a senescência foliar os genes associados com a síntese e a sinalização de ABA são regulados para cima e o nível endógeno de ABA aumenta Os níveis de ABA também são significativamente elevados sob condições de estres se ambiental que com frequência induzem a senescência foliar ver Capítulo 24 O fator de transcrição NAC VNI2 VNDINTERACTING 2 que é regulado para cima du rante a senescência foliar também é induzido ou por ABA ou por estresse salino Portanto há uma estreita interação entre a sinalização de estresse induzida por ABA e as rotas de sinalização da senescência foliar O ABA e o estresse hídrico estão associados durante a senescência foliar Folhas senescentes desidratamse mais rapidamente do que folhas não senescentes pois o fecha mento estomático induzido pelo ABA não funciona mais Os estômatos permanecem abertos porque em folhas se nescentes o ABA induz SAG113 um gene que codifica a proteína fosfatase 2C um componente regulador negativo na rota de sinalização do ABA ver Capítulo 15 A proteína fosfatase 2C inibe o fechamento estomático especificamen te em folhas senescentes Mutações silenciadoras knockout de SAG113 atrasam a senescência foliar enquanto sua su perexpressão acelera o processo Antes do começo da se nescência foliar a sinalização por ABA induz processos de tolerância ao estresse como o fechamento estomático que reduzem a perda de água e retardam a senescência Contu do à medida que a folha envelhece a sinalização por ABA muda para induzir transcritos tais como SAG113 que ini bem o fechamento estomático induzido por ABA aumen tando a perda de água e acelerando a senescência ÁCIDO JASMÔNICO AJ A aplicação exógena de AJ es timula a senescência foliar e controla a expressão de uma Taiz22indd 681 Taiz22indd 681 27102016 090934 27102016 090934 682 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento série de genes relacionados à senescência O receptor de AJ de Arabidopsis COI1 CORONATINEINSENSITIVE1 uma proteína Fbox é um componentechave da rota de sinalização do AJ ver Capítulo 15 O tratamento com AJ acelera a senescência foliar em plantas do tipo selvagem de Arabidopsis mas não em mutantes coi1 Além disso a abundância de transcritos de genes envolvidos na síntese de AJ aumenta durante a senescência foliar de desenvol vimento O conteúdo de jasmonato também aumenta em folhas à medida que elas senescem por desenvolvimento folhas de 10 semanas de idade de Arabidopsis apresenta ram 50 vezes mais AJ do que folhas de 6 semanas de idade A despeito da acumulação de AJ durante a senescência foliar tanto induzida pelo escuro como natural o hormô nio não é essencial para a iniciação ou a progressão desses processos de senescência Portanto os mutantes coi1 não exibem senescência foliar retardada em Arabidopsis em bora a abscisão foliar seja protelada Portanto o AJ pode desempenhar um papel mais importante na senescência floral do que na senescência foliar ao menos em Arabidop sis Como nos casos de etileno e ABA o efeito acelerador de senescência do AJ depende da idade Em Arabidopsis por exemplo as folhas mais velhas senescem muito mais rapi damente em resposta ao AJ do que as folhas mais jovens BRASSINOSTEROIDES BRs Os BRs parecem ser regula dores positivos da senescência uma vez que a aplicação des ses hormônios acelera a senescência e mutantes deficientes em BR exibem senescência retardada O mutante insensível a BR bri1 de Arabidopsis em que a resposta a BR foi inativada tem vida prolongada comparado com as plantas do tipo sel vagem e mostra também uma redução nos níveis de trans critos de vários SAGs Reciprocamente uma mutação que suprime a mutação bri1 exibe senescência acelerada devido a uma rota de resposta a BR constitutivamente ativa Entretan to a senescência retardada de mutantes BR é associada com outras alterações fenotípicas e portanto é possível que essa senescência seja um efeito secundário do desenvolvimen to alterado Os resultados parecem sugerir que BRs atuam como reguladores globais do desenvolvimento foliar em vez de como reguladores específicos da senescência foliar ÁCIDO SALICÍLICO AS O AS é um fitormônio fenólico que regula muitos aspectos do crescimento e do desenvol vimento vegetal bem como várias respostas a estresses bióticos e abióticos Ele também regula positivamente a se nescência foliar do desenvolvimento Por exemplo mutan tes de Arabidopsis defeituosos na biossíntese ou na sinali zação do AS exibem senescência retardada em comparação com plantas do tipo selvagem Ademais o conteúdo de AS de folhas de Arabidopsis aumenta na época em que as con centrações de clorofila começam a declinar A análise de transcriptoma confirmou que muitos dos genes envolvidos na biossíntese de AS são regulados para cima em folhas se nescentes cerca de 20 de SAGs são regulados para cima upregulated pela rota de sinalização de AS O tratamen to com AS induz a expressão de muitos SAGs incluindo WRKY53 que como já discutido atua como um controle mestre regulando outros genes WRKY associados com a senescência foliar Isso sugere que AS desempenha um pa pel no início da senescência bem como em sua progressão REGULADORES NEGATIVOS DA SENESCÊNCIA CITOCININAS O papel repressor da senescência exercido pelas citocininas parece ser universal em plantas e foi de monstrado em muitos tipos de estudos Embora a aplicação de citocinina não evite por completo a senescência seus efeitos podem ser drásticos sobretudo quando ela é asper gida sobre a planta intacta Se apenas uma folha for trata da esta permanece verde depois que as outras folhas de idade e desenvolvimento semelhantes tenham amarelado e sofrido abscisão Se um pequeno ponto em uma folha for tratado com citocinina ele permanecerá verde mesmo após o tecido adjacente ter iniciado a senescer Esse efeito ilha verde pode ser observado também em folhas infectadas por alguns fungos patogênicos bem como naqueles hos pedeiros de galhas produzidas por insetos Tais ilhas verdes têm níveis maiores de citocininas que os tecidos foliares em volta Diferentemente das folhas jovens as folhas maduras produzem pouca se alguma citocinina Durante a senes cência a abundância de transcritos de genes envolvidos na biossíntese de citocinina declina enquanto aumentam os transcritos de genes envolvidos na degradação de citoci ninas tais como a citocininaoxidase Folhas maduras po dem portanto depender de citocininas derivadas da raiz para adiar sua senescência Para testar o papel da citocinina na regulação do início da senescência foliar plantas de tabaco foram transforma das com um gene quimérico no qual um promotor SAG específico foi usado para governar a expressão do gene ipt de Agrobacterium tumefaciens que codifica a enzima que sintetiza citocinina Apêndice 3 na internet As plantas transformadas tinham níveis de citocininas comparáveis aos do tipo selvagem e se desenvolveram normalmente até o início da senescência foliar Entretanto à medida que as folhas envelheceram o promotor específico da senes cência foi ativado desencadeando a expressão do gene ipt nas células da folha assim que o processo de senescência tenha sido iniciado Os altos níveis de citocininas resul tantes não só bloquearam a senescência mas também li mitaram a expressão posterior do gene ipt impedindo a superprodução de citocinina Figura 2220 Esse resulta do sugere que as citocininas são reguladores naturais da senescência foliar O receptor AHK3 parece ser o receptor primário para citocinina que regula a senescência foliar em Arabidopsis ver Capítulo 15 O aumento da função do AHK3 resulta em um significativo atraso na senescência foliar De modo inverso a interrupção de AHK3 e não de outros genes receptores de citocinina resulta em senes cência foliar prematura Até agora o mecanismo molecular da ação da citoci nina em retardar a senescência foliar permanece obscuro De acordo com uma hipótese de longa data a citocinina reprime a senescência foliar pela regulação da mobiliza ção de nutrientes e das relações fontedreno Esse fenôme Taiz22indd 682 Taiz22indd 682 27102016 090934 27102016 090934 Capítulo 22 Senescência Vegetal e Morte Celular 683 no pode ser demonstrado quando nutrientes açúcares aminoácidos e outros marcados com 14C ou 3H são fornecidos aos vegetais após o tratamento de uma folha ou parte dela com citocinina Figura 2221 A autorradiografia subsequente de toda a planta revela o padrão de movimento e os locais nos quais os nutrientes marcados se acumula ram Experimentos dessa natureza demonstraram que os nutrientes são preferencialmente transportados e acumulados em tecidos tratados com citocinina Tem sido postulado que o hormônio causa a mobilização de nutrientes pela criação de uma nova relação fontedreno Conforme dis cutido no Capítulo 11 os nutrientes translocados no floema deslocamse de um local de produ ção ou armazenamento a fonte para um local de utilização o dreno O hormônio pode estimular o metabolismo da área tratada fazendo os nutrientes deslocaremse em dire ção a ela Por exemplo aumentos induzidos por citocini na na invertase extracelular poderiam regular as relações fontedreno pela hidrólise de sacarose a hexoses que são então transportadas para dentro da célula Entretanto não é necessário que os nutrientes sejam metabolizados nas cé lulasdreno pois mesmo os substratos análogos não meta bolizáveis também são mobilizados pelas citocininas ver Figura 2221 Os níveis de citocinina mudam em resposta à concentração de nu trientes aos quais as plantas estão expostas Por exemplo a aplicação de nitrato a plântulas de milho de ficientes em nitrogênio resulta em um rápido aumento nos níveis de citocinina nas raízes seguido pela mobilização de citocininas para a parte aérea via xilema Esse aumen to é devido pelo menos em parte à indução da expressão de IPT3 um membro da família de genes IPT Os níveis de citocinina também são influenciados pela concentração de fosfato no ambiente sendo que as citocininas alteram a expressão de genes de resposta a fosfato e sulfato sugerindo uma interação entre es sas rotas de resposta AUXINA A elucidação do papel da auxina na regulação da senes cência foliar tem sido complicada pois foi mostrado que a auxina desempenha um papel central em muitos aspectos do crescimento e do desenvolvimento vegetal Além da complexidade as altas concentrações de auxina estimulam a produção de etileno que promove a senescência em folhas maduras Entretanto muito da evidência obtida até agora aponta A planta expressando o gene ipt permanece verde e fotossintetizante O controle de mesma idade mostra senescência avançada Pulverizado apenas com água Não tratado Sítio de aplicação do ácido aminoisobutírico 14C Pulverizado com uma solução de cinetina Não tratado Não tratado sem radiatividade Pulverizado com uma solução de cinetina Plântula A Plântula B Plântula C Os pontos pretos representam a distribuição do aminoácido radiativo como revelado por autorradiografia Os resultados mostram que o cotilédone tratado com citocinina se tornou um dreno de nutrientes Entretanto a radiatividade é retida no cotilédone ao qual o aminoácido foi aplicado quando o cotilédone marcado é tratado com cinetina plântula C Na plântula A o cotilédone esquerdo foi pulverizado com água como um controle O cotilédone esquerdo da plântula B e o cotilédone direito da plântula C foram pulverizados cada um com uma solução contendo 50 mM de cinetina Figura 2220 A senescência foliar é retardada em uma planta transgênica de tabaco contendo o gene ipt para a bios síntese de citocinina de Agrobacterium tumefaciens fusionado a um promotor induzido por senescência O gene ipt é expresso em resposta aos sinais que indu zem a senescência De Gan e Amasino 1995 cortesia de R Amasino Figura 2221 Efeito da citocinina sobre o movimento de um ami noácido em plântulas de pepineiro Utilizouse um aminoácido não metabolizável marcado radiativamente como o ácido aminoisobutí rico aplicado em um pequeno ponto no cotilédone direito de cada uma das plântulas Os pontos pretos indicam a distribuição da radia tividade Desenhada a partir dos dados de Mothes e Schütte 1961 Taiz22indd 683 Taiz22indd 683 27102016 090934 27102016 090934 684 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento para um papel da auxina como um regulador negativo da senescência foliar Por exemplo a aplicação de auxina exó gena em Arabidopsis leva a um decréscimo na expressão de muitos SAGs A superexpressão de YUCCA6 a monoxi genase contendo flavina que catalisa a etapa limitante da velocidade na biossíntese de auxina retarda a senescência foliar e diminui a expressão de SAG Além disso o mu tante arf2 de Arabidopsis cuja senescência é retardada tem uma mutação no gene ARF2 AUXIN RESPONSE FAC TOR2 que é um repressor de genes de resposta à auxina Pela inativação do repressor ARF2 a mutação arf2 causa uma resposta constitutiva à auxina que adia a senescência foliar GIBERELINAS GAs As giberelinas são hormônios re pressores da senescência cujas formas ativas declinam nas folhas à medida que elas envelhecem Por exemplo a se nescência de discos excisados de folhas de Taraxacum e Ru mex é retardada pelo tratamento com ácido giberélico Além disso a expressão do gene codificando a GA 2oxidase que está envolvida na inativação da GA aumentou 18 vezes N de T O acrônimo GA deriva da locução inglesa gibberellic acid o ácido giberélico que é idêntico à GA3 durante a senescência indicando que a GA biologicamente ativa é removida durante a senescência foliar do desenvol vimento Ademais concentrações de GA em folhas de al face romana declinaram com a progressão da senescência devido à conversão de GA para uma GAglicosídeo inativa A senescência foliar é inibida pela disponibilidade de GA biologicamente ativa não conjugada GA4 e GA7 Abscisão foliar A queda de folhas de frutos de flores e de outras partes vegetais é denominada abscisão ver Tópico 221 na inter net A abscisão tem lugar dentro de camadas específicas de células chamadas de zona de abscisão localizada pró ximo à base do pecíolo Figura 2222 Essa zona torna se morfológica e bioquimicamente diferenciada durante o desenvolvimento do órgão muitos meses antes da sua separação ocorrer efetivamente Com frequência a zona de abscisão pode ser morfologicamente identificada como uma ou mais camadas de células achatadas isodiametrica mente ver Figura 2222 Dois mutantes de tomateiro jointless e lateral suppres sor não conseguem desenvolver uma zona de abscisão no pedicelo floral e os genes mutados responsáveis por esses Feixe vascular Camada de separação Gema axilar B C Zona de abscisão Pecíolo Caule A 08 mm Figura 2222 Zona de abscisão foliar e tecidos associados A Microgra fia óptica da zona de abscisão na base de uma folha de ginkgo Ginkgo bi loba B Diagrama de células da zona de abscisão mostrando a camada de separação verdeescuro C À medida que as paredes celulares na camada de separação são rompidas as células separamse Taiz22indd 684 Taiz22indd 684 27102016 090934 27102016 090934 Capítulo 22 Senescência Vegetal e Morte Celular 685 fenótipos foram identificados O gene JOINTLESS do tipo selvagem codifica uma proteína MADS box uma de um grupo de fatores de transcrição que controlam muitos aspectos do desen volvimento incluindo a identidade dos órgãos florais Antes da abscisão uma camada de separação formase dentro da zona de abscisão ver Figura 2222 A dissolução das paredes entre as cé lulas da camada de separação que não leva à morte celular posteriormente resulta na folha sendo desprendida da planta O gene LATERAL SUPPRESSOR regula também o desenvolvimento da gema axilar ver Capítulo 19 O ritmo da abscisão foliar é regulado pela interação de etileno e auxina O etileno desempenha um papelchave na ativação dos eventos que conduzem à separação celular dentro da zona de abscisão A capacidade de o gás etileno causar desfolhação em indivíduos de bétula é apresentada na Figura 2223 A árvore do tipo selvagem à esquerda perdeu a maioria das folhas Somente folhas mais jovens na ponta não sofreram abscisão A árvore à direita foi transformada com uma có pia do gene para o receptor de etileno de Arabidopsis ETR1 carregando a mutação dominante etr1 discutida anterior mente Essa árvore é incapaz de responder ao etileno e por isso não perde suas folhas após o tratamento com esse hormônio O processo de abscisão foliar pode ser dividido em três fases de desenvolvimento distintas durante as quais as células da zona de abscisão se tor nam competentes para responder ao etileno Figura 2224 1 Fase de manutenção da folha An tes da percepção de qualquer sinal interno ou externo que inicie o processo de abscisão a folha per manece saudável e completamente funcional Um gradiente de auxina da lâmina foliar para o caule man tém a zona de abscisão em um esta do insensível 2 Fase da indução da abscisão Uma redução ou reversão no gradiente de auxina da lâmina foliar normalmen te associado à senescência foliar torna a zona de abs Fase de manutenção da folha A auxina elevada a partir da folha reduz a sensibilidade da zona de abscisão ao etileno e evita a abscisão foliar Fase de indução da abscisão Uma redução na auxina a partir da folha aumenta a sensibilidade ao etileno da zona de abscisão que desencadeia a fase de abscisão Fase de abscisão A síntese de enzimas que hidrolisam os polissacarídeos da parede celular resulta na separação celular e na abscisão foliar Auxina Auxina Etileno Camada de separação digerida Amarelamento Figura 2223 Efeito do etileno sobre a abscisão em bétula Betula pendula A árvo re na esquerda é o tipo selvagem a árvore na direita foi transformada com uma versão mutada do gene receptor do etileno ETR1 de Arabidopsis A expressão desse gene estava sob controle transcricional de seu próprio pro motor Uma das características dessas árvores mutantes é que elas não perdem as folhas quando fumigadas por três dias com 50 ppm de etileno De Vahala et al 2003 Figura 2224 Visão esquemática dos papéis da auxina e do eti leno durante a abscisão foliar Na fase de indução da abscisão o nível de auxina diminui e o de etileno aumenta Essas mudanças no equilíbrio hormonal aumentam a sensibilidade das célulasalvo ao etileno De Morgan 1984 Taiz22indd 685 Taiz22indd 685 27102016 090934 27102016 090934 686 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento cisão sensível ao etileno Os tratamentos que aumen tam a senescência foliar podem promover a abscisão por interferir na síntese ou no transporte de auxina na folha 3 Fase da abscisão As células sensibilizadas da zona de abscisão respondem a baixas concentrações de etile no endógeno mediante síntese e secreção de enzimas que degradam e proteínas que remodelam a parede celular incluindo β14glucanase celulase poliga lacturonase xiloglicanoendotransglicosilasehidro lase e expansina Como consequência ocorre a sepa ração das células e a abscisão foliar No início da fase de manutenção foliar a auxina da folha impede a abscisão mantendo as células da zona de abscisão no estado insensível ao etileno É fato já conhe cido que a remoção da lâmina foliar o sítio de produção da auxina promove a abscisão do pecíolo A aplicação de auxina exógena ao pecíolo do qual a lâmina foliar foi re movida retarda o processo de abscisão Na fase de indução da abscisão em geral associada com a senescência da folha a quantidade de auxina da lâ mina foliar diminui e o nível de etileno aumenta O etile no parece diminuir a atividade da auxina tanto pela redu ção de sua síntese e transporte quanto pelo aumento de sua destruição A redução na concentração de auxina livre aumenta a resposta ao etileno de célulasalvo específicas na zona de abscisão A fase de abscisão é caracterizada pela indução de genes relacionados à abscisão codifican do enzimas hidrolíticas e remodeladoras específicas que afrouxam as paredes celulares na camada de abscisão Mutações inibindo a abscisão floral em Arabidopsis levaram à identificação de vários genes que regulam a iniciação da abscisão incluindo o pequeno peptídeo secretado INFLORESCENCE DEFICIENT IN ABSCIS SION IDA e seus prováveis receptores quinases do tipo receptor com sequências repetidas ricas em leucina HAESA HAE e HAESALIKE2 HSL2 Após a liga ção ao IDA acreditase que o complexo receptor HAE HSL2 desencadeie a cascata MAPK que leva à ativação transcricional de genes codificadores de enzimas que afrouxam a parede celular a expansão e a separação das células Figura 2225 Senescência da planta inteira As mortes programadas de células vegetais individuais e órgãos são adaptações que beneficiam a planta como um todo pelo incremento de sua aptidão fitness evolu tiva A morte da planta inteira entretanto não pode ser facilmente racionalizada em termos evolutivos ainda que a duração de vida de plantas individuais seja em grande parte determinada geneticamente e varie amplamente entre as espécies Nesta seção final do capítulo são abor dadas algumas das principais questões que têm sido estu dadas a respeito da senescência da planta inteira A senes cência da planta inteira é similar ao envelhecimento em animais Qual é a relação se há alguma entre a duração da vida de uma planta individual e a longevidade de suas células tecidos e órgãos componentes Qual é o papel da reprodução na senescência da planta inteira Por que os meristemas param de se dividir e a falência do meristema leva à senescência da planta inteira Como a senescência de plantas individuais difere daquela de plantas clonais E que papel o tamanho da planta desempenha na deter minação de seu tempo de vida Como será visto a regula ção das relações fontedreno figura em destaque em todos os modelos avançados para a senescência da planta inteira até agora Os ciclos de vida de angiospermas podem ser anuais bianuais ou perenes A duração de vida de uma planta individual varia desde umas poucas semanas no caso de espécies efêmeras do de serto que crescem e se reproduzem rapidamente em res Zona de abscisão Corpo da planta Auxina Órgão da planta Etileno Diferenciação Sinalização por IDA através de HAE e HSL2 Expansão celular Afrouxamento da parede celular Separação celular Camada de periderme IDA HAE e HSL2 Figura 2225 Modelo para a sinalização por peptídeo durante a abscisão Durante a abscisão células especializadas na zona de abs cisão capazes de experimentar a separação celular programada res pondem a níveis reduzidos de auxina proveniente da lâmina foliar e a níveis aumentados de etileno tornandose competentes para responder aos sinais de abscisão O peptídeosinal IDA indicado em roxo é expresso ao longo de uma região mais ampla do que seus receptores HAE e HSL2 contornos em azulescuro A ativação dos receptores por IDA leva à transcrição de genes remodeladores da parede celular Isso causa a expansão e a separação celular seguida pela formação de uma cobertura externa protetiva ou periderme para bloquear a infecção no local De Aalen et al 2013 Taiz22indd 686 Taiz22indd 686 27102016 090934 27102016 090934 Capítulo 22 Senescência Vegetal e Morte Celular 687 posta a breves episódios de chuva até cerca de 4600 anos no caso do pinheiro bristlecone Em geral plantas anuais crescem reproduzemse senescem e morrem em uma única temporada Plantas bianuais dedicam seu primeiro ano ao crescimento vegetativo e ao armazenamento de nu trientes e seu segundo ano para a reprodução a senescên cia e a morte Como as plantas anuais e bianuais passam por senescência do indivíduo inteiro após a produção de frutos e sementes ambas são chamadas de monocárpicas pois reproduzemse uma única vez Figura 2226 Plantas perenes vivem por três anos ou mais e podem ser herbáceas ou lenhosas A amplitude no tempo de vida máximo para plantas perenes é dada na Tabela 221 Plan tas perenes em geral são policárpicas produzindo frutos e sementes ao longo de múltiplas temporadas Entretanto há também exemplos de monocárpicas perenes tais como o agave Agave americana Figura 2227 e o bambuma deira japonês Phyllostachys bambusoides O agave cresce vegetativamente por 10 a 30 anos antes de florescer fru tificar e senescer enquanto o bambu japonês pode crescer vegetativamente por 60 a 120 anos antes de se reproduzir e morrer Digno de registro todos os clones da mesma ma triz de bambus florescem e senescem simultaneamente independentemente da localização geográfica ou condição climática o que sugere a presença de algum tipo de relógio biológico de longa duração Muitas plantas perenes que formam clones por repro dução assexuada podem proliferar em comunidades de indivíduos interligados que alcançam idades espantosas como lomátiadeking Lomatia tasmanica um arbusto da Tasmânia da família Proteaceae que pode ter mais de 43 mil anos de idade Cada planta individual de lomátia vive apenas cerca de 300 anos mas uma vez que não transfere qualquer sinal de senescência para seus clones a comunidade clonal aparentemente cresce e se prolifera indefinidamente A senescência da planta inteira difere do envelhecimento em animais O envelhecimento em animais em geral é associado à de terioração gradual o efeito cumulativo do desgaste do or TABELA 221 Longevidade de várias plantas individuais e clonais Espécie Idade anos Plantas individuais Pinheiro bristlecone Pinus longaeva 4600 Sequoiagigante Sequoiadendron giganteum 3200 Pinheiro suíço Pinus cembra 1200 Faiaeuropeia Fagus sylvatica 930 Tupelonegro Nyssa sylvatica 679 Pinheirodaescócia Pinus silvestris 500 Carvalhocastanheiro Quercus montana 427 Carvalhoamericano Quercus rubra 326 Freixoeuropeu Fraxinus excelsior 250 Hera Hedera helix 200 Cornisoflorido Cornus florida 125 Choupo americano de folha dentada Populus grandidentata 113 Urzeescocesa Calluna vulgaris 42 Urzedeinverno Erica carnea 21 Tomilhoescandinavo Thymus chamaedrys 14 Plantas clonais Lomátiadeking Lomatia tasmanica 43000 Creosoto Larrea tridentata 11000 Samambaia verdadeira Pteridium aquilinum 1400 Ervaovelha Festuca ovina 1000 Pinheirinhodejardim Lycopodium complanatum 850 Reed grass Calamagrostis epigeios 400 Sálviabastarda Teucrium scorodonia 10 Fonte Thomas 2013 Figura 2226 Senescência monocárpica na soja Glycine max A planta inteira à esquerda sofreu senescência após o florescimento e a produção de frutos vagens A planta à direita permaneceu verde e vegetativa porque suas flores foram continuamente removidas Cortesia de L Noodén Taiz22indd 687 Taiz22indd 687 27102016 090934 27102016 090934 688 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento ganismo De acordo com alguns modelos a senescência da planta inteira é simplesmente uma forma acelerada de envelhecimento Órgãos tecidos e células senescentes são programados ou para enfraquecer rapidamente ou para ser deficientes em mecanismos que de outro modo os protege riam contra o declínio fisiológico De acordo com essa teoria as capacidades de plantas perenes de longa duração para manterem a integridade de seus meristemas por milhares de anos derivam de programas de desenvolvimento que evitam exitosamente os efeitos degenerativos do tempo Um tipo de dano celular com base no tempo que foi investigado em plantas é a carga mutacional Mesmo sendo da mais alta fidelidade seria esperado que os me canismos de replicação celular propagassem um número significativo de erros ao longo de milhares de anos A taxa mutacional pode mesmo aumentar ao longo do tempo devido ao acúmulo EROs Entretanto em indivíduos do pinheiro bristlecone nenhuma relação estatisticamente significante foi encontrada entre a idade do indivíduo e a frequência de mutações no pólen na semente e nas plân tulas Por outro lado um declínio significativo no número médio de grãos de pólen viáveis por amentilho inflores cência por rameta foi encontrado em Populus tremuloides com o aumento da idade clonal Contudo enquanto a re dução na viabilidade polínica é coerente com a carga mu tacional ela não desempenha um papel direto na determi nação da longevidade das comunidades clonais Os aumentos dependentes da idade nas mutações so máticas que levam à produção de quimeras e sports par tes de plantas que diferem fenotipicamente da planta pa rental têm sido observados em muitas espécies perenes Entretanto a evidência de que tais mutações contribuem para a senescência da planta inteira é muito fraca Na ver dade as plantas parecem ter uma elevada tolerância ao mosaicismo genético e possuem mecanismos robustos para remover células mutantes deletérias Outro tipo de danos às células com base no tempo que contribuiria potencialmente para a senescência da planta inteira é o encurtamento dos telômeros Os telômeros são regiões de DNA repetitivo que formam as extremida des do cromossomo e os protegem da degradação ver Ca pítulo 1 A replicação normal do cromossomo resulta no encurtamento do telômero sem qualquer mecanismo para o reparo do telômero ele finalmente desapareceria após sucessivos ciclos de divisão celular A telomerase um complexo ribonucleoproteico enzimático estende as ex tremidades dos telômeros após a replicação pela atividade da transcriptase telomerase reversa Embora os animais com telomerase disfuncional envelheçam prematuramen te mutantes de Arabidopsis sem a atividade da telomera se crescem e se reproduzem por até dez gerações Além disso observações em indivíduos de pinheiro bristlecone e Ginkgo biloba não conseguiram demonstrar o encurta mento progressivo dos telômeros com o aumento da idade A causa de diferenças entre telômeros de plantas e ani mais com respeito ao envelhecimento é obscura A determinação dos meristemas apicais da parte aérea é regulada pelo desenvolvimento As plantas com frequência são descritas como tendo cres cimento indeterminado devido às atividades dos meriste mas apicais mas a determinação dos meristemas apicais está sob estrito controle do desenvolvimento Por exemplo os meristemas apicais do caule podem ser continuamente meristemáticos indeterminados ou podem cessar a ati vidade determinados pela diferenciação em um órgão terminal como uma flor ou pela interrupção do cresci mento ou senescência De fato os hábitos de crescimento os ciclos de vida e os perfis de senescência de diferentes plantas estão intimamente conectados a seus padrões de determinação do meristema apical Em espécies monocárpicas todos os ápices vegetati vos indeterminados do caule tornamse ápices florais e a planta inteira senesce e morre após a dispersão das se mentes Espécies perenes policárpicas ao contrário retêm uma população de ápices caulinares indeterminados bem como aqueles ápices que se tornam reprodutivos e deter minados A senescência monocárpica geralmente envolve três eventos coordenados 1 a senescência de órgãos somáti Figura 2227 Flores de agave Agave americana após 10 a 30 anos de crescimento vegetativo Depois desse período ela sofre se nescência monocárpica Taiz22indd 688 Taiz22indd 688 27102016 090934 27102016 090934 Capítulo 22 Senescência Vegetal e Morte Celular 689 cos e tecidos como folhas 2 a interrupção do crescimen to e a senescência dos meristemas apicais do caule e 3 a supressão das gemas axilares Em ervilhas foi mostrado que a senescência do meristema apical do caule é regulada tanto pelo fotoperíodo como por giberelinas Como dis cutido no Capítulo 19 a auxina de gemas terminais com crescimento ativo suprime o crescimento de gemas axi lares um fenômeno conhecido como dominância apical A estrigolactona e a citocinina desempenham papéis du rante a dominância apical com a estrigolactona impedindo o crescimento e a citocinina promovendo o crescimento de gemas apicais ver Capítulo 19 A remoção ou a morte da gema terminal reduz o transporte de auxina e favorece a sinalização de citocinina nas gemas laterais promovendo a formação de ramificação Entretanto a paralisação do me ristema apical do caule durante a senescência monocárpica não leva à ativação das gemas axilares O mecanismo molecular da supressão de gemas axila res durante a senescência monocárpica foi investigado em Arabidopsis A expressão do gene para o fator de transcrição AtMYB2 no entrenó basal está associada à supressão tanto da biossíntese de citocinina como da formação de ramos durante a senescência monocárpica Mutantes de inserção TDNA sem uma proteína funcional AtMYB2 são ramifica dos como resultado do aumento da produção de citocinina Significativamente a senescência é atrasada no mutante ramificado indicando que a citocinina atua como um re gulador negativo da senescência da planta inteira A redistribuição de nutrientes ou hormonal pode desencadear a senescência em plantas monocárpicas Uma característica diagnóstica da senescência monocárpica é a capacidade de retardála bem além do tempo normal de vida da planta mediante remoção das estruturas reprodu tivas Por exemplo a retirada repetida das vagens permite aos indivíduos de soja permanecerem vegetativos por mui tos anos sob condições favoráveis de crescimento levando a uma aparência semelhante a uma árvore Qual é a relação entre o desenvolvimento do fruto e a senescência da planta inteira Uma das primeiras explicações para a senescência monocárpica foi baseada na redistribuição de nutrientes vi tais via floema a partir de fontes vegetativas para drenos re produtivos Essa explicação ainda ajustase bem à evidência atualmente disponível A explicação alternativa de que os frutos em desenvolvimento produzem um hormônio letal hipotético nunca foi convincentemente demonstrada Muitos estudos mostraram que alterações nas relações fontedreno dos tecidos vegetativos e reprodutivos podem afetar o curso da senescência Como discutido anterior mente em relação à senescência foliar as citocininas au mentam a força do dreno em folhas e também retardam a senescência foliar Durante a senescência monocárpica em ervilhas níveis endógenos elevados de GA nas gemas ve getativas estão correlacionados com força do dreno elevada crescimento vegetativo vigoroso e retardo da senescência da planta inteira Por outro lado níveis elevados de auxina em gemas florais estão correlacionados com força do dreno elevada das estruturas reprodutivas e desenvolvimento re produtivo rápido seguido pela senescência da planta inteira Se sementes e frutos em desenvolvimento são drenos tão fortes que podem desencadear a senescência do resto da planta por que plantas masculinas de espécies dioi cas como o espinafre Spinacea oleracea que nunca pro duzem sementes ou frutos senescem ao mesmo tempo que as plantas fêmeas que produzem sementes e frutos abundantes Experimentos conduzidos no final da década de 1950 mostraram que a remoção das minúsculas flores produtoras de pólen das plantas masculinas atrasava a se nescência na mesma magnitude que a remoção das flores femininas Esse resultado parecia contradizer o modelo da redistribuição de recursos pois foi assumido que o uso de fontes de carbono pelas flores estaminadas de espinafre seria insignificante se comparado com o uso de carboidra tos das flores pistiladas Entretanto estudos mais recentes mostraram que ao contrário das suposições anteriores a demanda nutricional de flores estaminadas na verdade excede a demanda nutricional das flores pistiladas espe cialmente no início do desenvolvimento floral e portanto poderia ser um fator determinante no desencadeamento da senescência monocárpica mesmo em plantas masculinas Embora a redistribuição de recursos possa muito bem desencadear a senescência monocárpica o composto crí tico não é um carboidrato uma vez que muitos estudos têm mostrado que o conteúdo de carboidratos de folhas na verdade aumenta durante a senescência Essa observa ção é coerente com a capacidade de açúcares exógenos de desencadear a senescência Em vez da perda de carboidra tos alterações nas relações fontedreno causadas pelo de senvolvimento floral podem induzir uma alteração global no equilíbrio hormonal ou nutricional dos órgãos vegeta tivos Uma perda de nitrogênio vinculada a uma acumu lação simultânea de carboidrato causaria um aumento na razão CN que tem sido associada à MCP do tipo vacuolar em folhas senescentes A taxa de acumulação de carbono em árvores aumenta continuamente com o tamanho delas Todas as árvores individuais finalmente morrem há muito se assume que a taxa de crescimento das árvores declina com seu tamanho e sua massa crescentes De fato está bem estabelecido que à medida que as árvores se tornam mais altas suas taxas de crescimento em altura diminuem Figura 2228 Para explicar esse declínio na taxa de cres cimento do alongamento ao longo do tempo foi argumen tado que em algum ponto a altura de uma árvore come çará a atingir os limites do sistema vascular em transportar suprimentos adequados de água minerais e açúcares para os ápices em crescimento dos extensos sistemas do caule e das raízes À medida que água e outros recursos se tornam limitados deveriam ocorrer declínios na produtividade fo tossintética O declínio na eficiência fotossintética com a idade crescente da árvore é bem documentado O cresci mento arbóreo declinante relacionado à idade também tem Taiz22indd 689 Taiz22indd 689 27102016 090934 27102016 090934 690 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento sido visto como uma consequência inevitável da alocação crescente de recursos para a reprodução Embora os resultados de alguns estudos de uma úni ca espécie tenham sido coerentes com as reduções nas taxas de crescimento à medida que as árvores aumentam em altura a maior parte da evidência citada em apoio ao declínio do crescimento arbóreo não foi baseada em me dições da massa de árvores individuais Ela baseouse em declínios relacionados à idade seja na produtividade primá ria líquida de estandes florestais com todas as árvores de idades similares ou na taxa de ganho de massa por unidade de área foliar com o pressuposto implícito de que o declínio da produtividade ao nível foliar individual pode ser extra polado para a árvore inteira Recentemente no entanto foi realizada uma análise das taxas de crescimento em massa de 673046 árvores pertencendo a 403 espécies arbóreas tropicais subtropi cais e temperadas em florestas de cada continente Em cada continente as taxas de crescimento da massa arbórea acima do solo para a maioria das espécies aumentou con tinuamente com o log10 da massa arbórea Os resultados para a América do Norte são mostrados na Figura 2229 No caso das árvores maiores 97 das espécies exibiram essa tendência Em termos absolutos diferentes espécies de árvores com diâmetros de 100 cm de tronco tipicamen te adicionaram de 10 a 200 kg de massa seca acima do solo a cada ano com média de 103 kg por ano Isso é cerca de três vezes a taxa para árvores das mesmas espécies com troncos de 50 cm de diâmetro No caso das espécies ar bóreas de maior porte como Eucalyptus regnans e Sequoia sempervirens árvores individuais podem adicionar até 600 kg à massa acima do solo a cada ano Esses resultados demonstram que embora a eficiên cia do crescimento crescimento da massa arbórea por unidade de área foliar ou massa foliar com frequência de cline com o tamanho arbóreo crescente a massa total de folhas da árvore aumenta com o quadrado do diâmetro do tronco Uma árvore típica que experimenta um aumento de 10 vezes no diâmetro passará portanto por um au mento de cerca de 100 vezes na massa foliar total e um aumento de 50 a 100 vezes na área foliar total Aumentos na área foliar total são portanto suficientes para sobrepu jar o declínio na eficiência do crescimento e causam o au mento na taxa de acumulação de carbono da árvore inteira à medida que o tamanho da árvore aumenta Entretanto em algum ponto um limite é de fato alcançado e a se nescência ocorre quando a taxa de crescimento em massa está em seu pico Essas descobertas sugerem que a senes cência da árvore inteira é causada pela falência expressiva dos órgãos ao longo de um período relativamente curto em vez de um lento declínio devido ao envelhecimento A extensão na qual tal senescência rápida da árvore é cau sada por fatores internos versus fatores externos como fogo esgotamento de nutrientes estresse hídrico ou ata que de patógenos ainda é pouco compreendida 0 10 20 30 40 50 60 Crescimento em altura cm 60 70 80 90 100 110 Altura da árvore m Eucalyptus regnans Sequoia sempervirens Figura 2228 Crescimento anual em altura de indivíduos de eu calipto e sequoia como uma função da altura inicial da árvore no ano 2006 Em ambos os casos o crescimento em altura declinou com a altura da árvore De Sillett et al 2010 00 01 02 03 Taxa de crescimento em massa Mg ano1 2 1 10 20 40 100 0 1 2 Log10 massa Mg Diâmetro do tronco cm Figura 2229 Taxas de crescimento em massa acima do solo de 110153 árvores pertencentes a 89 espécies na América do Norte EUA O diâmetro do tronco cm é mostrado no eixo horizontal su perior a massa da árvore acima do solo expressa como log10 mas sa em Mg megagramas é mostrada no eixo horizontal inferior a taxa de crescimento em massa Mg ano1 é mostrada no eixo vertical A taxa de crescimento em massa aumenta com a massa da árvore acima do solo Resultados similares foram obtidos para 562893 árvores pertencentes a 314 espécies crescendo em cinco outros continentes De Stephenson et al 2014 Taiz22indd 690 Taiz22indd 690 27102016 090934 27102016 090934 Capítulo 22 Senescência Vegetal e Morte Celular 691 RESUMO Células órgãos e organismos vegetais experimentam desgaste tanto pelos efeitos do envelhecimento como de estresses exter nos Para decompor tecidos velhos ou danificados ou para pro mover algumas rotas de desenvolvimento as plantas passam por senescência ou morte celular geneticamente programada Figura 222 A senescência difere da necrose que é a morte inesperada de tecidos causada por dano físico ou químico ou outros agentes externos Morte celular programada e autólise A MCP durante o desenvolvimento normal ocorre via dilatação vacuolar e ruptura celular e é chamada de MCP do tipo vacuo lar A MCP durante a resposta de hipersensibilidade ocorre via perda de água vacuolar e contração celular e é chamada de MCP do tipo resposta de hipersensibilidade Figura 223 Autofagossomos capturam constituintes celulares danificados e liberam seus conteúdos dentro do vacúolo central para serem degradados em monômeros reutilizáveis Figuras 224 225 Um subconjunto de genes e proteínas relacionado à autofagia regula a formação dos autofagossomos Figura 226 Além de seu papel na senescência a rota autofágica é um me canismo homeostático que mantém a integridade metabólica e estrutural da célula Figura 227 A síndrome de senescência foliar A senescência foliar envolve a decomposição de proteínas carboidratos e ácidos nucleicos celulares e a redistribuição de seus componentes de volta para dentro do corpo principal da planta para as áreas em crescimento ativo Minerais também são transportados para fora de folhas senescentes de volta para dentro da planta A MCP pode ser manipulada para induzir tecidos a permanecerem em estágios menos maduros de desenvolvimento Figura 229 A senescência foliar pode exibir um padrão sequencial ou sazo nal ou se ela for induzida por estresse pode ser destinada para locais específicos em uma folha Figuras 2210 2211 A senescência do desenvolvimento foliar consiste em três fases iniciação degeneração e terminal Figuras 2212 2213 As primeiras alterações celulares durante a senescência foliar ocorrem no cloroplasto A transformação dos cloroplastos em gerontoplastos permite a remoção e a eliminação seguras de compostos potencialmente tóxicos produzidos pela degrada ção da clorofila Figura 2214 A autólise de proteínas cloroplastídicas ocorre em múltiplos compartimentos A proteína STAYGREEN SGR é exigida tanto para a recicla gem da proteína LHCP II como para o catabolismo da clorofila Figura 2216 A senescência foliar é precedida por uma reprogramação ex pressiva da expressão gênica Figura 2217 Senescência foliar a rede reguladora Uma rede de rotas de sinalização sobrepostas integra aportes input internos e externos para regular a senescência pela ex pressão gênica Figura 2218 As famílias gênicas NAC e WRKY altamente conservadas são os fatores de transcrição mais abundantes que regulam a se nescência Existe evidência crescente de que as espécies reativas de oxigê nio EROs especialmente o H2O2 podem servir como um sinal interno para promover a senescência Concentrações altas de açúcares também podem servir para sinalizar a senescência foliar especialmente sob condições de disponibilidade baixa de nitrogênio Os fitormônios interagem para regular a senescência foliar em bora eles sejam eficazes somente em promover a senescência assim que a folha alcance certo estágio de maturidade Os reguladores que promovem a senescência abrangem o eti leno o ácido abscísico o ácido jasmônico os brassinosteroides e o ácido salicílico Os reguladores que reprimem a senescência abrangem citocini nas auxinas e giberelinas Figuras 2220 2221 Abscisão foliar Abscisão é o desprendimento de folhas frutos flores ou outras partes da planta e ocorre dentro de camadas celulares específi cas chamadas de zona de abscisão Figura 2222 Níveis altos de auxina mantêm o tecido foliar em um estado insensível ao etileno mas à medida que os níveis de auxina caem os efeitos do etileno promotores da abscisão e repres sores da auxina tornamse mais fortes Figuras 22232225 Senescência da planta inteira Em geral plantas anuais e bianuais reproduzemse somente uma vez antes de senescer enquanto plantas perenes podem se reproduzir múltiplas vezes antes da senescência De acordo com alguns modelos a senescência da planta intei ra representa uma forma acelerada de envelhecimento em que os tecidos são programados à falência rápida tão logo certos limiares sejam alcançados A redistribuição de nutrientes e hormonal a partir de estruturas vegetativas para drenos reprodutivos pode desencadear a se nescência da planta inteira em organismos monocárpicos Enquanto a eficiência do crescimento declina em árvores com o aumento em seu tamanho a massa foliar aumenta com o quadrado do diâmetro do tronco e pode superar essa perda em eficiência até que fatores internos ou externos iniciem a senes cência da árvore inteira Figuras 2228 2229 Taiz22indd 691 Taiz22indd 691 27102016 090934 27102016 090934 692 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Leituras sugeridas Aalen R B Wildhagen M Stø I M and Butenko M A 2013 IDA A peptide ligand regulating cell separation processes in Arabidopsis J Exp Bot 64 52535261 Breeze E Harrison E McHattie S Hughes L Hickman R Hill C Kiddle S Kim YS Penfold C A Jenkins D et al 2011 Highresolution temporal profiling of transcripts during arabidopsis leaf senescence reveals a distinct chronology of processes and regulation Plant Cell 23 873 894 Davies P J and Gan S 2012 Towards an integrated view of monocarpic plant senescence Russ J Plant Physiol 59 467 478 Fischer A M 2012 The complex regulation of senescence Crit Rev Plant Sci 31 124147 Humbeck K 2013 Epigenetic and small RNA regulation of senescence Plant Mol Biol 82 529537 Lui Y and Bassham D C 2012 Autophagy Pathways for self eating in plant cells Annu Rev Plant Biol 63 215237 Luo P G Deng K J Hu X Y Li L Q Li X Chen J B Zhang H Y Tang Z X Zhang Y Sun Q X et al 2013 Chloroplast ultrastructure regeneration with protection of photosystem II is responsible for the functional staygreen trait in wheat Plant Cell Environ 36 683696 Nakano T and Yasuhiro I 2013 Molecular mechanisms controlling plant organ abscission Plant Biotechnol 30 209216 Noodén L D 2013 Defining senescence and death in photosynthetic tissues In Advances in Photosynthesis and Respiration Vol 36 Plastid Development in Leaves during Growth and Senescence B Biswal K Krupinska and U C Biswal eds Springer pp 283306 Ono Y 2013 Evidence for contribution of autophagy to rubisco degradation during leaf senescence in Arabidopsis thaliana Plant Cell Environ 36 11471159 Thomas H 2013 Senescence ageing and death of the whole plant New Phytol 197 696711 Wang Y Lin A Loake G J and Chu C 2013 H2O2induced leaf cell death and the crosstalk of reactive nitricoxygen species J Integr Plant Biol 55 202208 MATERIAL DA INTERNET Tópico 221 A abscisão e o alvorecer da agricultura Um curto ensaio sobre a domesticação dos cereais modernos com base na seleção artificial para manter a integridade das raques Taiz22indd 692 Taiz22indd 692 27102016 090934 27102016 090934 23 E m hábitats naturais as plantas vivem em diversos ambientes comple xos nos quais interagem com uma grande diversidade de organismos Figura 231 Algumas interações são claramente benéficas se não essen ciais tanto para a planta quanto para o outro organismo Tais interações bióticas mutuamente benéficas são denominadas mutualismos Exemplos de mutualismo abrangem as interações plantapolinizador a relação sim biótica entre bactérias fixadoras de nitrogênio rizóbios e leguminosas as associações micorrízicas entre raízes e fungos e os fungos endofíticos de fo lhas Outros tipos de interações bióticas incluindo a herbivoria a infecção por patógenos microbianos ou parasitas e a alelopatia guerra química entre plantas são prejudiciais Em resposta a esse último as plantas desen volveram mecanismos de defesa complexos para se protegerem contra os organismos nocivos e estes desenvolveram mecanismos opostos para derro tar essas defesas Tais processos evolutivos olho por olho são exemplos de coevolução responsável pelas interações complexas entre plantas e outros organismos No entanto seria uma simplificação excessiva caracterizar todos os or ganismos que interagem com plantas como benéficos ou prejudiciais Por exemplo acreditase que fungos micorrízicos sejam mutualistas que aumen tam o desempenho da planta ver Capítulos 5 e 13 Contudo plantas asso ciadas a micorrizas podem ocupar várias posições ao longo do continuum de parasitismo até mutualismo Da mesma forma o pastejo de flores por mamíferos diminui o desempenho em algumas espécies vegetais mas em outras pode levar ao aumento no número de pedúnculos florais melhoran do assim o desempenho Há também organismos que se beneficiam de sua interação com a planta sem causar quaisquer efeitos nocivos Tais interações neutras do ponto de vista da planta são denominadas comensalismo Os organismos comensais podem tornarse benéficos se protegerem a planta de um segundo organismo prejudicial Por exemplo as rizobactérias não patogênicas e os fungos do solo que não causam dano à planta podem es timular o sistema imunológico inato do vegetal discutido mais adiante neste capítulo e assim protegêlo de microrganismos patogênicos Interações Bióticas Taiz23indd 693 Taiz23indd 693 27102016 105530 27102016 105530 694 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento A primeira linha de defesa contra organismos poten cialmente prejudiciais é a superfície da planta A cutícula a camada exterior de cera a periderme e outras barrei ras mecânicas ajudam a bloquear a entrada de bactérias fungos e insetos ver Tópico 231 na internet A segun da linha de defesa costuma envolver mecanismos bio químicos que podem ser constitutivos ou induzidos As defesas constitutivas estão sempre presentes enquanto as defesas induzidas são desencadeadas em resposta ao ataque Ao contrário das defesas constitutivas as induzi das requerem sistemas específicos de detecção e rotas de transdução de sinal que podem detectar a presença de um herbívoro ou de um patógeno e alterar adequadamente a expressão gênica e o metabolismo Para iniciar a discussão sobre interações bióticas se rão apresentados exemplos de associações benéficas entre plantas e microrganismos Em seguida serão considerados vários tipos de interações prejudiciais entre plantas herbí voros e patógenos As barreiras mecânicas e os metabóli tos secundários tóxicos são dois tipos principais de defesa constitutiva das plantas contra insetos e outros herbívoros Será avaliada então a vasta gama de defesas indu zidas que as plantas desenvolveram para afastar insetos herbívoros bem como as moléculas de sinalização e as ro tas de transdução de sinal que as regulam Será destacado o papel importante que os compostos orgânicos voláteis desempenham em repelir herbívoros atrair insetos preda dores e agir como sinais de alerta entre diferentes partes de plantas e entre plantas vizinhas A descrição das respostas induzidas contra a herbivo ria será seguida por uma discussão sobre as respostas in duzidas contra patógenos microbianos Embora as plantas não possuam sistema imunológico do tipo animal várias respostas específicas das plantas ao estresse biótico podem conferir resistência tanto local quanto sistêmica a patóge nos Por fim serão discutidos os mecanismos de dois outros Herbívoros de folhas Patógenos de folhas Patógenos de raízes Herbívoros de raízes Nematódeos Microrganismos do solo Simbiontes Competidores Formigas Polinizadores Figura 231 Praticamente to das as partes da planta são adap tadas para coexistir com organis mos em seu ambiente imediato De van Dam 2009 Taiz23indd 694 Taiz23indd 694 27102016 105530 27102016 105530 Capítulo 23 Interações Bióticas 695 tipos de patógenos de plantas os nematódeos e as plantas parasitas e o papel ecológico que exsudatos de raízes tóxi cos desempenham na competição plantaplanta Interações benéficas entre plantas e microrganismos É provável que as associações simbióticas entre algas e fun gos sejam anteriores ao surgimento das primeiras plantas terrestres cerca de 450 a 500 milhões de anos atrás MAA Por exemplo os primeiros liquens que são associações obri gatórias entre um fungo e uma alga verde ou uma ciano bactéria aparecem no registro fóssil cerca de 400 MAA na época em que as primeiras associações micorrízicas com plantas terrestres surgiram Isso sugere que a invasão da ter ra por plantas verdes pode ter sido auxiliada por associações simbióticas com fungos No ambiente natural as plantas terrestres são colonizadas por uma ampla diversidade de mi crorganismos benéficos fungos endofíticos e micorrízicos bactérias sob a forma de biofilmes sobre as superfícies das folhas e raízes bactérias endofíticas e bactérias fixadoras de nitrogênio contidas em nódulos na raiz ou no caule Nesta seção são focalizados os mecanismos de sina lização envolvidos em interações benéficas de plantas com três tipos de microrganismos bactérias fixadoras de nitro gênio fungos micorrízicos e rizobactérias Nos Capítulos 5 e 13 foram discutidas essas interações bióticas do ponto de vista anatômico e fisiológico Aqui são examinados os mecanismos de sinalização moleculares que controlam a formação dessas associações A simbiose com micorrizas arbusculares é muito antiga e como já mencionado apareceu há mais de 400 MAA Em comparação acreditase que a simbiose rizóbiolegumino sa tenha aparecido cerca de 60 MAA O parceiro fúngico nessas associações micorrízicas arbusculares pertence ao antigo filo Glomeromycota que perdeu a capacidade de completar seu ciclo de vida fora da planta Devido à dificul dade de realização de análises genéticas em um simbionte obrigatório o progresso na sinalização de micorrizas ar busculares avançou lentamente Como resultado as bases da rota de sinalização simbiótica foram trabalhadas inicial mente para a associação rizóbioleguminosa que se acredi ta ter evoluído a partir da rota de micorrizas arbusculares Os fatores Nod são reconhecidos pelo receptor de fator Nod NFR em leguminosas Conforme descrito no Capítulo 13 os rizóbios simbióti cos fixadores de nitrogênio liberam fatores de nodulação Nod como agentes de sinalização à medida que se apro ximam da superfície da raiz da leguminosa A interação de fatores específicos Nod e seus receptores correspondentes é a base para a especificidade de hospedeirosimbiontes Os fatores Nod são oligossacarídeos de lipoquitina que se ligam a uma classe específica de receptores do tipo quina se RLKs receptorlike kinases que contêm motivos lisina LysM de ligação à Nacetilglicosamina no domínio extra celular O termo lisina referese a uma enzima que hidro lisa os peptidoglicanos das paredes de células bacterianas Os primeiros receptores quinases com domínio LysM fo ram identificados na leguminosa Lotus japonicus a qual tem dois receptores receptor de fator Nod 1 e 5 NFR1 e NFR5 NFR Nod factor receptor Ambos os receptores apresentam três domínios LysM extracelulares que reconhecem os fa tores Nod de modo específico Figura 232 NFR1 e NFR5 também contêm domínios intracelulares semelhantes às proteínas quinase de serinatreonina de plantas mas so mente NFR1 apresenta atividade de quinase Apesar disso acreditase que as duas proteínas se liguem a fatores Nod no estado de heterodímero ver Figura 232 Após a ligação a fatores Nod o heterodímero NFR ini cia dois processos separados O primeiro envolve uma rota de sinalização que facilita o próprio processo de infecção O segundo envolve a ativação de um conjunto de genes que regulam a formação de nódulos na raiz Acreditase que um segundo tipo de receptor denominado receptor do tipo quinase de simbiose SYMRK symbiosis receptorlike kina se participe em ambos os processos SYMRK possui um domínio extracelular que inclui uma região com repetições ricas em leucina LRR leucine rich repeat e um domínio proteína quinase intracelular O receptor SYMRK é reque rido não só para a interação de leguminosas com rizóbios mas também para as interações da actinobactéria Frankia com as raízes de plantas actinorrízicas como a árvore Ca suarina glauca e a cucurbitácea Datisca glomerata Por isso ele é parte da rota comum de simbiose que é ativada tan to em associações com rizóbios e actinorrízicos quanto nas simbioses com micorrizas arbusculares Após a ligação aos fatores Nod acreditase que o SYMRK ative as etapas sub sequentes compartilhadas por essas associações incluindo as flutuações da concentração de cálcio spiking de cálcio para dentro e em torno do núcleo da célula infectada da epi derme o que causa a ativação dos genes simbióticos essen ciais Figura 233 As etapas finais que levam à nodulação envolvem a sinalização por citocinina ver Capítulo 15 Associações com micorrizas arbusculares e simbiose de fixação de nitrogênio envolvem rotas de sinalização Em leguminosas SYMRK e vários outros genes simbióticos essenciais são requeridos para a nodulação e para a formação da micorriza arbuscular Isso sugere que a interação entre le guminosas e rizóbios fixadores de nitrogênio evoluiu a partir de interações mais antigas entre plantas e fungos micorrízi cos Como já mencionado os sinaischave da simbiose são os oligossacarídeos de lipoquitina denominados fatores Nod Da mesma forma o fungo micorrízico arbuscular Glomus in traradices libera oligossacarídeos de lipoquitina denomina dos fatores Myc que estimulam a formação de micorrizas em uma grande diversidade de plantas As simbioses com fixadores de nitrogênio e com mi corrizas arbusculares também podem envolver receptores relacionados A Parasponia andersonii é uma árvore tropical Taiz23indd 695 Taiz23indd 695 27102016 105530 27102016 105530 696 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento 1 A ligação dos fatores Nod aos receptores de fator Nod NFRs os quais contêm domínios LysM extracelulares inicia uma interação com receptores do tipo quinase SYMRK conservado contendo um domínio com repetições ricas em leucina 2 A interação entre NFR e SYMRK inicia oscilações de cálcio no núcleo provavelmente via uma segunda molécula mensageira 3 Os genes simbióticos essenciais são ativados 4 A sinalização por citocinina é iniciada 5 A sinalização por citocinina leva a alterações morfológicas associadas à nodulação 1 2 3 NFR1 NFR5 Fator NOD Domínio LRR Domínio quinase Domínio LysM Domínio quinase Oscilações de cálcio Núcleo Ativação dos genes simbióticos essenciais 4 Sinalização de citocinina 5 NODULAÇÃO NFR SYMRK Rota comum de simbiose ΔFrFr 35 Ápice ΔFrFr 35 Núcleo ΔFrFr 35 0 1 2 3 4 5 Tempo min Célula Figura 232 Modelo para sinalização de fator Nod na epi derme da raiz De Gough e Cullimore 2011 Markmann e Parniske 2009 Figura 233 Oscilações de cálcio em um pelo emergente de raiz de ervilha Pisum sativum em resposta à adição de fator Nod A célula tinha sido previamente injetada com um fluorocromo sen sível ao cálcio Oscilações proeminentes de cálcio spiking de cálcio ocorrem em torno do núcleo com flutuações mais fracas no ápice Nenhuma fluorescência de cálcio ocorre na parte principal da célu la De Oldroyd e Downie 2004 cortesia de S Walker John Innes Centre Taiz23indd 696 Taiz23indd 696 27102016 105530 27102016 105530 Capítulo 23 Interações Bióticas 697 não leguminosa que estabelece simbiose com rizóbios fixadores de nitrogênio Embora essa planta esteja apenas remotamente relacionada a leguminosas ela apresenta um receptor LysM que é necessário para a formação de micorriza e para a nodulação das raízes induzida pela bac téria Rhizobium Os receptores de fator Nod são também relacionados a dois receptores identifi cados em Arabidopsis e arroz Oryza sativa an giospermas não noduladoras Esses receptores são necessários para a percepção de oligômeros de quitina relacionados à defesa compostos que são uma assinatura química dos fungos e são estruturalmente relacionados com fatores Nod e fatores Myc Isso sugere que durante a evolução um receptor LysM na planta envolvido na sina lização de defesa foi recrutado para ativar genes envolvidos em associações simbióticas Rizobactérias podem aumentar a disponibilidade de nutrientes estimular a ramificação da raiz e proteger contra patógenos As raízes das plantas fornecem um hábitat rico em nutrientes para a proliferação das bactérias do solo que se desenvolvem em exsudatos e lisados os quais podem representar até 40 do carbono total fixado pela fotossíntese As densidades de população de bactérias na rizosfera podem ser até 100 vezes mais elevadas do que no solo total e até 15 da superfície da raiz podem ser cobertos por microcolônias de várias cepas bacterianas Ao mesmo tempo que utilizam os nutrientes que são liberados da planta hospedeira essas bactérias também secretam metabólitos na rizosfera Um grupo amplamente definido como rizo bactérias promotoras do crescimento vegetal PGPR plant growth promoting rhizobacteria fornece vários benefícios para plantas em crescimento Figura 234 Por exemplo os voláteis produzidos pela bactéria Bacillus subtilis aumentam a liberação de prótons por raízes de Arabidopsis em meio de cultura com deficiência de ferro facilitando as sim a absorção desse elemento O aumento resultante no teor de ferro das plantas tratadas com voláteis de B subtilis está correlacionado com o maior teor de clorofila a maior eficiência fotossintética e o aumento de tamanho Os voláteis de B subtilis também modificam a arquitetura do conjunto de raízes pois alteram o comprimento das raízes e a densi dade de raízes laterais As PGPRs podem também controlar o acúmulo de or ganismos prejudiciais no solo como no caso da supressão do fungo patogênico Gaeumannomyces graminis por uma espécie de Pseudomonas que sintetiza o composto antifún gico 24diacetilfloroglucinol Os microrganismos PGPRs podem ainda fornecer proteção cruzada contra organismos patogênicos ativando a rota de resistência sistêmica induzida que será discutida mais adiante neste capítulo Além dis so vários estudos têm sugerido que Pseudomonas aerugino sa pode aliviar os sintomas de estresses biótico e abiótico pela liberação de antibióticos ou sideróforos para remoção de ferro ver Capítulo 13 As quantidades dos compostos liberados por P aeruginosa são controladas por sinalização por percepção de quorum quorum sensing que é ativado quando a densidade populacional da bactéria atinge deter minado nível As plantas podem influenciar a quantidade de antibióticos ou sideróforos lançados pelas rizobactérias pela produção de exsudatos da raiz que regulam rotas de quorum sensing bacterianas Interações nocivas entre plantas patógenos e herbívoros A patologia vegetal é o estudo de doenças de plantas Os microrganismos que provocam doenças infecciosas em plantas abrangem fungos oomicetos bactérias e ví rus A maioria dos fungos pertence aos Ascomicetos que Promoção das defesas vegetais pelas bactérias Regulação da percepção de quorum quorum sensing bacteriano pela planta Voláteis e sideróforos Antibióticos Patógenos do solo Cooperação e competição Rizobactérias promotoras do crescimento vegetal PGPRs Nutrientes outros exsudatos Percepção de quorum Figura 234 Diagrama das interações entre plantas e rizobactérias pro motoras do crescimento vegetal como Pseudomonas aeruginosa que libera antibióticos ou sideróforos para o solo aliviando o estresse abiótico ou biótico da planta A planta exerce controle sobre a população bacteriana mediante re gulação das rotas de sinalização do quorum sensing bacteriano pela liberação de exsudatos pelas raízes De Goh et al 2013 Taiz23indd 697 Taiz23indd 697 27102016 105530 27102016 105530 698 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento produzem esporos em esporângios chamados ascos e aos Basidiomicetos que produzem esporos em uma estrutura em forma de clava chamada basídio Os oomicetos são or ganismos semelhantes aos fungos que incluem alguns dos patógenos vegetais mais destrutivos da história incluindo o gênero Phytophthora causador da requeima da batata da Grande Fome Irlandesa 18451849 As bactérias fitopato gênicas também causam muitas doenças graves de plan tas mas estão em menor número e são menos devastado ras do que as doenças causadas por fungos e vírus Além de patógenos microbianos cerca da metade de quase 1 milhão de espécies de insetos se alimenta de plantas Em mais de 350 milhões de anos de coevolução plantainseto os insetos desenvolveram diversos estilos e comportamentos alimentares As plantas por sua vez desenvolveram mecanismos para se defender contra a her bivoria de insetos incluindo barreiras mecânicas defesas químicas constitutivas e defesas induzidas diretas e indi retas Aparentemente esses mecanismos de defesa têm sido eficazes uma vez que a maioria das espécies vegetais é resistente à maioria das espécies de insetos Na verdade cerca de 90 dos insetos herbívoros estão restritos a uma única família de plantas ou algumas espécies de plantas intimamente relacionadas enquanto apenas 10 são ge neralistas Isso sugere que a grande maioria das interações plantaherbívoro envolveu a coevolução Barreiras mecânicas fornecem uma primeira linha de defesa contra insetospraga e patógenos As barreiras mecânicas incluindo estruturas de superfície cristais minerais e movimentos foliares tigmonásticos in duzidos por toque muitas vezes fornecem uma primeira linha de defesa contra predadores e patógenos para muitas espécies vegetais As estruturas de superfície mais comuns são espi nhos gloquídios acúleos e tricomas Figura 235 Os es pinhos são ramos modificados como em citros e acácia gloquídios são estruturas agrupadas encontradas em al guns cactos os acúleos são oriundos principalmente da epiderme e portanto podem ser facilmente arrancados do caule como em roseiras Essas estruturas possuem extre midades pontudas e afiadas que protegem fisicamente as plantas contra herbívoros maiores como mamíferos em bora sejam menos eficazes contra herbívoros pequenos como os insetospraga que podem facilmente ultrapassar essas defesas e alcançar as partes comestíveis da folha Os tricomas proporcionam uma defesa mais eficaz con tra insetos com base em seus mecanismos de deterrência física e química Eles possuem formas variadas podendo ser simples ou glandulares Os tricomas glandulares ar mazenam metabólitos secundários específicos da espécie discutidos na próxima seção como fenóis e terpenos A B C D Figura 235 Exemplos de barreiras mecânicas desenvolvidas pelas plantas A Espinhos em um limoeiro Citrus sp são ramos modificados como pode ser visto por sua posição na axila de uma folha B Gloquídios que são carac terísticos de cactos Opuntia spp no Novo Mundo são folhas modificadas C Acúleos podem ser encontrados no caule e no pecíolo de roseiras Rosa spp e são formados pela epiderme D Tricomas em caules e folhas de to mateiro Solanum lycopersicum também são derivados de células epidérmicas Fotografias J Engelberth Taiz23indd 698 Taiz23indd 698 27102016 105531 27102016 105531 Capítulo 23 Interações Bióticas 699 em uma bolsa formada entre a parede celular e a cutícula Mediante contato essas bolsas rebentam e liberam seus conteúdos e o cheiro forte e o sabor amargo desses com postos repelem os insetos herbívoros As folhas da urtiga Urtica dioica possuem tricomas urticantes altamente especializados que formam uma bar reira física e química eficaz contra herbívoros maiores As paredes celulares desses tricomas ocos semelhantes a agu lhas são reforçadas com vidro silicatos e preenchidas com um desagradável coquetel de histamina ácido oxálico áci do tartárico ácido fórmico e serotonina Figura 236 o que pode causar grave irritação e inflamação Antes de entrar em contato a ponta do tricoma é coberta por uma pequena ampola vítrea com uma ponta afiada que facilmente se des prende quando tocada por um herbívoro ou um ser humano sem sorte que acidentalmente toca nela A pressão de con tato empurra o tricoma semelhante a uma agulha para baixo sobre o tecido esponjoso na base que atua como o êmbolo de uma seringa para injetar o coquetel na pele Além de servirem como barreiras à herbivoria de inse tos os tricomas quando dobrados ou danificados tam bém podem atuar como sensores de herbívoros mediante envio de sinais elétricos ou químicos às células adjacentes Tais sinais podem desencadear a indução de compostos de defesa no mesofilo da folha Um tipo diferente de obstáculo mecânico para a her bivoria é criado por cristais minerais que estão presentes em muitas espécies vegetais Por exemplo cristais de síli ca chamado fitólitos formamse nas paredes das células epidérmicas e por vezes nos vacúolos de Poaceae Os fi tólitos conferem dureza às paredes celulares e dificultam para os insetos herbívoros a mastigação das folhas de gra míneas As paredes celulares da cavalinha Equisetum hye male contêm tanta sílica que os nati vos nos Estados Unidos e no México usavam as hastes para polir panelas Os cristais de oxalato de cálcio estão presentes nos vacúolos de mui tas espécies e podem ser distribuídos uniformemente por toda a folha ou ficar restritos a células especializa das chamadas idioblastos ver Figu ra 135C Alguns cristais de oxalato de cálcio formam feixes de estruturas semelhantes a agulhas denominadas ráfides Figura 237 que podem ser prejudiciais para os herbívoros de maior porte Mais de 200 famílias de plantas contêm esses cristais incluin do espécies dos gêneros Vitis Agave e Medicago As ráfides apresentam os ápices extremamente afiados capazes de penetrar o tecido mole da garganta e do esôfago de um herbívoro Dieffenbachia uma planta doméstica tropical rica em ráfides é chamada de dumb cane canado mudo pois mascar as folhas leva à perda temporária da voz devido a uma reação inflamatória Além de causar O C H OH Ácido fórmico HO O Ácido tartárico OH OH OH O HO O Ácido oxálico OH O HO Serotonina N NH2 H NH2 N N H Histamina Compostos na urtiga Tricoma Figura 236 Tricomas de urtigas Urtica dioica têm uma base multicelular e uma única célula pontiaguda proeminente A pa rede celular dessa célula única é reforçada por silicatos e quebra facilmente mediante contato libertando um coquetel de me tabólitos secundários que podem causar grave irritação na pele de animais 40 μm Figura 237 Cristais de oxalato de cálcio ráfides em folhas de agave Agave weberi Essas ráfides são altamente empacotadas em células especializadas os idioblastos e liberadas quando a célula é danificada Observar o tamanho e as extremidades pontiagudas dessas estruturas Taiz23indd 699 Taiz23indd 699 27102016 105531 27102016 105531 700 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento danos mecânicos as ráfides podem ainda permitir que ou tros compostos tóxicos produzidos pela planta penetrem pelos ferimentos que provocam Mesmo os cristais de oxa lato de cálcio prismáticos têm efeitos abrasivos sobre os apêndices bucais de insetos herbívoros especialmente as mandíbulas atuando assim como um impedimento me cânico para insetos moluscos e outros herbívoros Outro meio diferente de evitar a herbivoria é empre gado pela sensitiva Mimosa spp cujas folhas são com postas de muitos folíolos individuais que são conectados à nervura central por uma estrutura chamada de pulvino Esse pulvino funciona como uma dobradiça acionada pelo turgor permitindo que cada par de folíolos se dobre em resposta a vários estímulos incluindo toque dano calor e ciclos diurnos nictinastia e em resposta ao estresse hí drico Se um inseto herbívoro tenta morder um folíolo de mimosa o folíolo danificado dobrase imediatamente e a resposta logo propagase para os outros folíolos não da nificados Se o sinal de estresse for suficientemente forte toda a folha colapsa devido à ação de outro pulvino loca lizado na base do pecíolo Tais movimentos rápidos de fo líolos e folhas podem afastar insetos fitófagos e herbívoros pastejadores surpreendendoos Figura 238 Os metabólitos secundários vegetais podem afastar insetos herbívoros Os mecanismos de defesa química compreendem uma segunda linha de defesa contra pragas e patógenos As plantas produzem uma grande diversidade de produtos químicos que podem ser classificados como metabóli tos primários e secundários Os metabólitos primários são aqueles compostos que todas as plantas produzem e que estão diretamente envolvidos no crescimento e no desenvolvimento Isso inclui açúcares aminoácidos áci dos graxos lipídeos e nucleotídeos assim como molé culas maiores que são sintetizadas a partir deles como proteínas polissacarídeos membranas DNA e RNA Os metabólitos secundários ou metabólitos especializados ao contrário são altamente espécieespecíficos e em geral pertencem a uma das três principais classes de moléculas terpenos compostos fenólicos ou alcaloides Figura 239 ver também Ensaio 231 na internet Uma exceção im portante a essa regra é o grupo de cinco hormônios ve getais citocininas giberelinas brassinosteroides ácido abscísico e estrigolactona todos derivados de uma dessas rotas Porém eles são considerados metabólitos primários pois todas as plantas necessitam deles para seu crescimen to e desenvolvimento e portanto possuem a maquinaria bioquímica para sua síntese A auxina e o etileno são hor mônios sintetizados pelo metabolismo primário uma vez que seus precursores são aminoácidos A B Figura 238 As folhas da sensitiva Mimosa spp respondem ra pidamente em poucos segundos ao toque dobrando seus folíolos individuais Esse movimento rápido pode inibir insetos herbívoros A Folhas não tocadas controle B Folhas 5 segundos após o to que Fotografias J Engelberth INTERAÇÕES COM O AMBIENTE EXTERNO Respostas a estresses bióticos respostas a estresses abióticos e interações benéficas METABÓLITOS SECUNDÁRIOS METABOLISMO PRIMÁRIO Compostos fenólicos terpenos alcaloides Figura 239 Os metabólitos secundários estão localizados na in terface entre o metabolismo primário e a interação dos organismos com seu ambiente Como tal eles desempenham um papel impor tante na resposta de defesa da planta contra pragas e patógenos na regulação das interações benéficas incluindo a atração de poliniza dores e como moduladores da resposta ao estresse abiótico Taiz23indd 700 Taiz23indd 700 27102016 105531 27102016 105531 Capítulo 23 Interações Bióticas 701 As plantas armazenam compostos tóxicos constitutivos em estruturas especializadas As plantas podem sintetizar uma ampla gama de metabó litos secundários que apresentam efeitos negativos sobre o crescimento e o desenvolvimento de outros organismos e que podem portanto ser considerados como tóxicos Exemplos clássicos de plantas que são tóxicas para os seres humanos são a cicuta Cicuta spp e a dedaleira Digitalis spp Figura 2310 Os metabólitos que causam sintomas em seres humanos são bem conhecidos e demonstram o potencial dessas moléculas como agentes de defesa contra mamíferos herbívoros Em alguns casos esses compostos provaram ser úteis para fins medicinais Por exemplo o poliacetileno cicutoxina de cicuta prolonga a fase de re polarização de potenciais de ação neuronais presumi velmente pelo bloqueio dos canais de K dependentes de voltagem O princípio ativo na dedaleira a digitoxina é um cardenolídeo um dos dois grupos de glicosídeos car diotônicos esteroidais produzidos por plantas Os cardio glicosídeos são drogas usadas para tratar a insuficiência cardíaca e a arritmia cardíaca A digitoxina inibe a bomba de NaKATPase nas membranas das células do coração levando ao aumento da contração do miocárdio Os metabólitos secundários produzidos constitutiva mente e que se acumulam nas células poderiam potencial mente ter efeitos tóxicos sobre a própria planta Para evitar a toxicidade esses compostos devem ser armazenados de forma segura em compartimentos celulares à prova de va zamentos devendo também ser relativamente isolados de tecidos sensíveis devido a danos celulares que podem ser causados pelo vazamento As plantas portanto tendem a acumular metabólitos secundários tóxicos em organe las de armazenamento como vacúolos ou em estruturas anatômicas especializadas como canais resiníferos laticí feros células produtoras de látex ou tricomas glandula res Após um ataque por herbívoros ou patógenos as to xinas são liberadas e tornamse ativas no local do dano sem afetar negativamente as áreas vitais de crescimento Os canais resiníferos de coníferas encontrados no cór tex e no floema contêm uma mistura de diversos terpe nos incluindo monoterpenos bicíclicos como αpineno e βpineno terpenos monocíclicos como limoneno e terpi noleno e sesquiterpenos tricíclicos incluindo longifoleno cariofileno e ácidos δcadineno bem como ácidos resiní feros que são liberados imediatamente após dano por her bívoros Figura 2311 Uma vez liberados eles podem ser diretamente tóxicos a um inseto herbívoro ou atuar como um adesivo que pode unir as peças bucais do animal Em casos extremos a resina pode até envolver todo o inseto ou patógeno levando à morte do organismo agressor A maioria dos canais resiníferos em coníferas é consi derada defesa constitutiva embora também possa ser in duzida após um dano causado por herbívoros A formação desses canais resiníferos adventícios por vezes referidos como canais resiníferos de trauma assim como a biossíntese de resina é regulada pelo hormônio metiljasmonato um derivado do ácido jasmônico discutido mais adiante no capítulo Os laticíferos são compostos de células que pro duzem um líquido leitoso constituído de componentes emulsificados que coagulam após exposição ao ar Esse líquido muitas vezes também é referido como látex Em comparação com as resinas o látex normalmente é muito Cicutoxina Digitoxina HO O O O O O O O O H H H H H H OH OH OH OH HO OH A Cicuta sp B Digitalis sp Figura 2310 As defesas químicas constitutivas são eficazes contra muitos herbívoros diferentes incluindo insetos e mamíferos A cicuta Cicuta sp pro duz cicutoxina um poliacetileno que prolonga a repolarização de potenciais de ação neuronais O princípio ativo na dedaleira Digitalis sp é a digitoxi na um glicosídeo cardíaco que inibe a atividade ATPase e pode aumentar a contração do miocárdio Fotografia J Engelberth Taiz23indd 701 Taiz23indd 701 27102016 105531 27102016 105531 702 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento mais complexo e pode conter proteínas e açúcares além de metabólitos secundários tóxicos ou repelentes Os lati cíferos podem consistir em uma série de células fusiona das laticíferos articulados ou uma célula longa sincicial laticíferos não articulados Figura 2312 A mais notável entre as plantas produtoras de látex é a seringueira He vea brasiliensis que tem sido cultivada comercialmente como fonte de borracha natural Mediante ferimento essa planta libera enormes quantidades de látex que é recolhi do e mais tarde convertido em borracha Essa borracha é constituída por um polímero de isopreno cis14poliiso preno e pode ter um peso molecular de até 1 milhão de Da Em condições naturais a borracha liberada por árvo res feridas defende a planta contra herbívoros e patógenos repelindoos ou prendendoos Canal resinífero A B C Células secretoras Células parenquimáticas Glóbulos de resina Traqueídes Resina δcadineno Ácido abiético Longifoleno Terpinoleno αpineno H O H H HO Laticífero articulado Núcleos Amoreira Morus sp Espirradeira Nerium oleander Células parenquimáticas Laticífero não articulado Figura 2311 A Canal resinífero no lenho de um pinheiro Araucaria sp Observase que o canal resinífero é circundado por células secretoras que liberam componentes de resina no seu siste ma B Mediante ferimento a resina é liberada no local danificado onde veda o dano e atua como repelente contra possível herbivoria C Componentes comuns da resina principalmente terpenos Fo tografia J Engelberth Figura 2312 Os laticíferos são compostos de células in dividuais e podem ocorrer como sistemas articulados células individuais ligadas por um pequeno tubo ou como sistemas não articulados uma grande célula sincicial O látex nos lati cíferos é liberado mediante dano e muitas vezes contém gli cosídeos cardiotônicos que repelem os herbívoros Enquanto a amoreira Morus sp produz um látex leitoso em seus laticí feros articulados a espirradeira Nerium oleander libera um látex claro a partir de laticíferos não articulados Fotografias J Engelberth Taiz23indd 702 Taiz23indd 702 27102016 105531 27102016 105531 Capítulo 23 Interações Bióticas 703 Outra planta comercialmente importante que pro duz látex é a papoula Papaver somniferum O látex dessa planta contém uma elevada concentração de opiáceos em particular a morfina e a codeína Quando consumidos es ses compostos ligamse a receptores opiáceos no sistema nervoso de herbívoros e exercem efeitos analgésicos O látex produzido por oficialdesala Asclepias curas savica e táxons afins como a espirradeira Nerium olean der contém quantidades significativas de cardenolídeos que estão presentes em altas concentrações nos laticíferos A atividade desses esteroides venenosos é semelhante à da digitoxina ver anteriormente e em concentrações eleva das pode resultar em parada cardíaca Os cardenolídeos também ativam centros nervosos no cérebro de vertebra dos induzindo vômito Os insetos herbívoros generalis tas sujeitos a esses compostos ou são repelidos ou sofrem espasmos que levam à morte Por outro lado as lagartas especialistas da borboletamonarca Danaus plexippus são insensíveis às toxinas Elas se alimentam de folhas de A curassavica e retêm os cardenolídeos Como consequência a maioria das aves insetívoras aprende rapidamente a evi tar tanto as larvas quanto as borboletamonarca adultas A coloração brilhante e distinta das lagartas e borboletas serve para alertar as aves O percevejo Oncopeltus fasciatus e o pulgão Aphis nerii do oficialdesala também podem incorporar os cardenolídeos em seus corpos e se tornar tóxicos Figura 2313 Apesar de todos esses insetos se alimentarem preferencialmente desta espécie o pulgão e o percevejo também podem se alimentar da espirradeira que produz oleandrina como seu principal cardenolídeo Outro fato interessante do oficialdesala é que a mos ca parasita Zenillia adamsoni pode obter o cardenolídeo de segunda mão da lagarta da borboletamonarca Quando a mosca fêmea está pronta para a oviposição ela procura uma lagartamonarca e deposita seus ovos em sua super fície Após a eclosão as larvas desenvolvemse dentro da lagarta e a consomem por dentro Além de usar a lagar ta para a alimentação as larvas da mosca são capazes de armazenar o cardenolídeo tóxico da lagarta e retêlo até a idade adulta Frequentemente as plantas armazenam moléculas de defesa no vacúolo como conjugados de açúcar hidrossolúveis e não tóxicos Um mecanismo comum para o armazenamento de meta bólitos secundários tóxicos é conjugálos a um açúcar o que também os torna mais hidrossolúveis Como já descri to a maioria dos cardenolídeos e outros esteroides tóxicos relacionados é abundante como glicosídeos no látex e tam bém em outros compartimentos da célula vegetal como no vacúolo Para se tornarem ativos as ligações glicosídicas com frequência precisam ser hidrolisadas e a ativação des controlada é impedida pela separação espacial das hidrola ses ativadoras e seus respectivos substratos tóxicos Um bom exemplo dessa separação espacial é encon trado na ordem Brassicales Os membros das Brassica les produzem glicosinolatos compostos orgânicos que contêm enxofre derivados de glicose e um aminoácido como seus principais metabólitos secundários de defesa ver Apêndice 4 na internet A enzima de hidrólise a mi rosinase uma tioglicosidase está armazenada em células diferentes daquelas onde estão os substratos Enquanto as células contendo mirosinase são geralmente livres de glicosinolatos as células ricas em enxofre ou células S contêm em altas concentrações Quando o tecido é danifi A Borboletamonarca Danaus plexippus B Percevejo de oficialdesala Oncopeltus fasciatus C Pulgão de oficialdesala Aphis nerii Figura 2313 Enquanto a maioria dos herbívoros é muito sensível aos metabólitos tóxicos presentes no látex de indivíduos de oficial desala e espirradeira alguns insetos herbívoros incorporam esses compostos em seus corpos e os mostram a seus potenciais predado res apresentando cores brilhantes Aqui são mostrados três insetos herbívoros especialistas que se alimentam dessas plantas produtoras de látex a lagarta da borboletamonarca A o percevejo de oficial desala B e o pulgão de oficialdesala C Destes os dois últimos usam a espirradeira como fonte de alimento se as plantas de oficial desala não estiverem disponíveis Fotografia J Engelberth Taiz23indd 703 Taiz23indd 703 27102016 105531 27102016 105531 704 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento cado a mirosinase e a mistura de glicosinolatos são libera das resultando na produção irreversível de uma aglicona instável que em seguida reorganizase originando uma diversidade de compostos biologicamente ativos prin cipalmente nitrilas e isotiocianatos Figura 2314 Essas bombas de óleo de mostarda em particular os isotio cianatos são muito eficazes contra a maioria dos insetos herbívoros generalistas Os aromas de mostarda wasabi rabanete couvedebruxelas e outras espécies relaciona das são decorrentes da presença de isotiocianatos Os membros da família Poaceae que inclui todas as culturas de cereais usam benzoxazinoides alcaloides de rivados de triptofano como metabólitos secundários de defesa produzidos constitutivamente Benzoxazinoides especialmente 24dihidróxi14benzoxazin3ona DI BOA e seu derivado 24dihidróxi7metóxi14benzo xazin3ona DIMBOA normalmente são armazenados no vacúolo como glicosídeos ligados à Dglicose Glc Fi gura 2315 Após o dano os glicosídeos inativos são hi Glicose Glicose Glicosinolato Sinigrina Aglicona Nitrila Tioglicosidase Espontâneo Isotiocianato C S N R O SO3 C SH N R O SO3 SO4 2 R N C S R C N HO HO OH OH O O O O OK S S N Indol DIBOA DIBOAGlc DIMBOAGlc Vacúolo N H O O N OH OH O O N OH OGlc DIBOAGlc O O N OH OGlc O O N OH OGlc H3CO DIMBOAGlc O O N OH OGlc H3CO Figura 2314 Hidrólise de glico sinolatos em compostos voláteis da mostarda R representa vários substi tuintes alquila ou arila Por exemplo se R é CH2 CHCH2 o compos to é sinigrina o principal glicosinolato das sementes de mostardapreta e raízes de armorácia raizforte drolisados gerando agliconas que são tóxicas não só para insetos herbívoros mas também para patógenos Uma vez que a reação é reversível DIBOA e DIMBOA podem ser desintoxicados pela formação de glicosídeos uma reação catalisada por glicosiltransferases Os benzoxazinoides li berados no solo pelas raízes de milho Zea mays e outros membros da família Poaceae também são tóxicos para as plantas vizinhas mas podem ser desintoxicados por essas plantas por hidroxilação e reações de Nglicosilação Os glicosídeos cianogênicos representam particular mente uma classe de metabólitos secundários tóxicos que contém N Posterior ao dano nos tecidos esses glicosíde os são decompostos e liberam o ácido cianídrico HCN O cianeto inibe a citocromo c oxidase na mitocôndria que bloqueia a cadeia de transporte de elétrons Como conse quência o transporte de elétrons e a síntese de ATP chegam a um impasse e a célula finalmente morre Várias espécies vegetais de importância econômica e nutricional incluindo o sorgo Sorghum bicolor e a mandioca Manihot esculenta produzem diferentes tipos de glicosídeos cianogênicos O principal glicosídeo cianogênico do sorgo é a durrina que é derivada de tirosina e armazenada como um glicosídeo No entanto quando consumido por herbívoros o glicosí deo é rapidamente hidrolisado resultando em açúcar e uma aglicona que é muito instável e libera HCN Figura 2316 Figura 2315 Em membros da família Poaceae os benzoxazinoides alcaloides derivados da rota de trip tofano são os principais metabólitos secundários de defesa O composto 24dihidróxi14benzoxazin3 ona DIBOA e seu derivado 24dihidróxi7metó xi14benzoxazin3ona DIMBOA são armazenados no vacúolo como glicosídeos ligados à Dglicose Glc Após o dano os glicosídeos são hidrolisados e liberam as agliconas tóxicas Taiz23indd 704 Taiz23indd 704 27102016 105532 27102016 105532 Capítulo 23 Interações Bióticas 705 A mandioca acumula linamarina e lotaustralina como seus principais glicosídeos cianogênicos ver Figura 2316 As raízes da mandioca são fonte importante de proteína em regiões tropicais mas elas devem ser cuidadosamente preparadas para evitar toxicidade por cianeto O consumo contínuo de mandioca processada incorretamente mesmo com baixas concentrações endógenas de glicosídeos cia nogênicos pode levar à paralisia bem como a danos ao fígado e aos rins Há muitas outras plantas que produzem metabólitos secundários constitutivos e os armazenam em células ou compartimentos específicos de onde podem ser liberados após um dano causado por herbívoros ou patógenos Ape sar da presença de moléculas de defesa os seres huma nos muitas vezes apreciam essas plantas ou partes delas por suas propriedades medicinais ou sabores culinários Nenhuma prateleira de temperos estaria completa sem as folhas secas de manjericão sálvia tomilho alecrim e oré gano embora a única razão para os altos teores de meta bólitos secundários nessas plantas seja a proteção contra os danos causados por pragas e patógenos Os níveis constitutivos de compostos secundários são mais elevados em folhas jovens em desenvolvimento do que nos tecidos mais velhos A natureza indeterminada e modular do crescimento vege tativo de plantas significa que sempre haverá um gradiente de idade das folhas maduras para a gema apical A maioria dos mecanismos de defesa vegetal não é uniformemente dis tribuída através desse gradiente de idade mas os mecanis C O C R R N C OH C R R N N C O HC R R Glicosidase Açúcar Açúcar Glicosídeo cianogênico Ácido cianídrico Cianohidrina Hidroxinitrila liase ou espontâneo Cetona C HO HO OH OH O O HO HO OH O N O HO HO OH OH O O CH3 H3C C N HO HO O OH OH OH O HO O H OH OH O A B Durrina Amigdalina Lotaustralina Linamarina C N C N Figura 2316 A Hidrólise enzimática dos glicosídeos cianogê nicos para liberar ácido cianídrico B R e R em A representam vários substituintes alquila ou arila Por exemplo se R é fenil R é hidrogênio e o açúcar é um dissacarídeo βgentiobiose o compos to é amigdalina um glicosídeo cianogênico comum encontrado nas sementes de amêndoa damasco cereja e pêssego Outros com postos que liberam cianeto tóxico são durrina do sorgo bem como linamarina e lotaustralina da mandioca O grupo cianeto está mar cado por um círculo mos são continuamente ajustados por estímulos ambientais e de desenvolvimento De acordo com a hipótese da defesa ótima o suprimento limitado de compostos de defesa está concentrado onde é mais necessário para maximizar a ade quação ao ambiente Como as folhas maduras sofrem senes cência mais cedo do que as folhas mais jovens e portanto têm menos valor a hipótese prevê que as concentrações de metabólitos secundários devem ser maiores nas folhas mais jovens De fato um grande número de estudos tem mostrado que as folhas jovens em desenvolvimento têm níveis cons titutivos mais elevados de compostos secundários do que as folhas mais velhas A lista crescente de metabólitos secun dários que apresentam esse comportamento particular in clui compostos fenólicos glicosinolatos alcaloides cianeto furanocumarinas compostos orgânicos voláteis e proteínas de defesa Um padrão semelhante de distribuição também foi observado em tecidos subterrâneos Coerente com a hipótese da defesa ótima os tecidos jovens não só contêm os níveis mais altos de compostos secundários constitutivos mas também são mais sensíveis à herbivoria Assim as folhas mais jovens exibem defesas induzidas mais robustas contra os herbívoros do que as fo lhas mais velhas Respostas de defesa induzidas contra insetos herbívoros Enquanto as defesas químicas constitutivas proporcionam proteção básica para as plantas contra muitos predadores e patógenos e são comuns entre as plantas na natureza existem desvantagens para esse tipo de estratégia de de fesa Em primeiro lugar as defesas constitutivas têm alto custo para a planta A produção de metabólitos secundá rios requer um investimento significativo de energia deri vada do metabolismo primário que passa então a ser in disponível para uso no crescimento e na reprodução Essa compensação é mais evidente nas culturas agrícolas em que a produtividade é aumentada em parte pela redução da capacidade da planta de se defender Em segundo lu Taiz23indd 705 Taiz23indd 705 27102016 105532 27102016 105532 706 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento gar predadores e patógenos podem se adaptar às defesas químicas constitutivas da planta como visto no caso da la gartamonarca e do oficialdesala Certas espécies de in setos herbívoros e patógenos microbianos desenvolveram mecanismos fisiológicos para desintoxicar metabólitos se cundários que de outro modo seriam letais podendo até mesmo usar esses compostos para se defender contra seus próprios predadores ou parasitas Consequentemente a maioria das plantas desenvolveu sistemas de defesa indu zida apesar de qualquer defesa constitutiva que possam ter Os sistemas de defesa induzida permitem que as plan tas respondam de forma mais flexível a todo o conjunto de ameaças apresentadas por predadores e patógenos Com base em seu comportamento alimentar três grandes categorias de insetos herbívoros podem ser dis tinguidas 1 Os sugadores de seiva como os afídeos e a moscabranca causam dano pequeno à epiderme e do mesofilo Os insetos sugadores inserem seu estilete estreito que é uma peça bucal alongada nos elementos de tubo cri vado floema de folhas e caules A resposta de defesa da planta a esses insetos é mais semelhante à resposta a patógenos do que a herbívoros Embora a extensão da injúria direta seja pequena esses insetos podem causar danos muito maiores quando são vetores de vírus 2 Os sugadores de conteúdo celular como ácaros e Thrips são insetos perfuradoressugadores que causam danos físicos de extensão intermediária às células vegetais 3 Os insetos mastigadores como lagartas larvas de ma riposas e borboletas gafanhotos e besouros causam os danos mais significativos às plantas Na discussão que segue neste capítulo a definição de herbivoria por insetos será restrita a esse tipo de dano Nos próximos parágrafos são discutidos alguns dos mecanismos pelos quais as plantas reconhecem os insetos herbívoros e como sinalizam defesas que incluem a síntese de novo de proteínas e de metabólitos secundários tóxicos além do recrutamento de inimigos naturais do agressor Os mecanismos pelos quais as plantas avisam as plantas vizinhas para se prepararem contra a herbivoria também são abordados As plantas podem reconhecer componentes específicos na saliva dos insetos Para estabelecer uma defesa induzida eficaz contra pra gas ou patógenos a planta hospedeira deve ser capaz de distinguir entre um dano mecânico como vento ou grani zo e um ataque biótico real A maioria das respostas das plantas aos insetos herbívoros envolve tanto a resposta ao ferimento quanto o reconhecimento de certos compostos abundantes na saliva ou na regurgitação dos insetos Es ses compostos pertencem a um grupo amplo de moléculas denominadas eliciadores os quais podem desencadear respostas de defesa vegetal contra uma diversidade de herbívoros e patógenos Um termo recentemente criado para eliciadores derivados de insetos é padrões molecula res associados a herbívoros HAMPs herbivoreassociated molecular patterns Embora em algumas plantas a lesão mecânica repetida possa induzir respostas similares àque las causadas por herbivoria algumas moléculas na saliva do inseto podem servir como promotores desse estímulo Além disso os eliciadores derivados de insetos podem de sencadear sistemicamente rotas de sinalização ou seja por toda a planta iniciando assim as respostas de defesa que podem minimizar danos futuros em regiões distais do vegetal ver também Ensaio 231 na internet Os primeiros eliciadores identificados na saliva dos insetos foram os ácidos graxos conjugados a aminoácidos ou ácidos graxos amidas nas secreções orais das larvas da lagartadabeterraba Spodoptera exigua Foi demonstra do que esses compostos eliciam uma resposta semelhan te àquela obtida com insetos mastigadores mas diferente da resposta observada quando somente a lesão mecânica é provocada A biossíntese desses conjugados depende da planta como fonte dos ácidos graxos linolênico 183 e li noleico 182 Após ingerir tecido vegetal contendo esses ácidos graxos uma enzima no trato digestório do inseto conjuga o ácido graxo oriundo da planta a um aminoáci do derivado do inseto em geral a glutamina Em algumas lagartas o composto resultante da conjugação do ácido li nolênico com a glutamina é processado pela adição de uma hidroxila na posição 17 do ácido linolênico Figura 2317A Esse composto N17hidroxilinolenoilLglutamina foi denominado volicitina devido a seu potencial de indução de metabólitos secundários voláteis em plantas de milho Desde a descoberta da volicitina diversos ácidos gra xos amidas foram identificados não só em espécies de lepidópteros mas também em grilos e moscasdafruta e a maioria deles exibiu atividade de eliciador quando aplicada nas plantas Enquanto os ácidos graxos amidas apresentam uma ampla gama de atividade entre dife rentes espécies vegetais pouco se sabe sobre os eventos de sinalização imediatos induzidos por esses compostos A volicitina ligase rapidamente às membranas plasmá ticas isoladas de folhas de milho de uma maneira típica de receptorligante Embora isso implique na existência de um receptor específico de ácido graxo amida na superfície da célula tal proteína ainda não foi identificada Os ácidos graxos modificados secretados por gafanhotos atuam como eliciadores de acúmulo de ácido jasmônico e emissão de etileno Uma nova classe de eliciadores derivados de insetos foi isolada e caracterizada a partir das secreções orais de um gafanhoto Schistocerca americana Até agora esses ilicia dores foram encontrados somente na subordem Caelifera sendo então denominados caeliferinas Figura 2317B Lembrese que a nomenclatura dos ácidos graxos é padronizada por XY onde X é o número de átomos de carbono e Y é o número de ligações duplas cis Taiz23indd 706 Taiz23indd 706 27102016 105532 27102016 105532 Capítulo 23 Interações Bióticas 707 As caeliferinas são também compostos baseados em áci dos graxos com uma cadeia de 15 a 19 carbonos e geral mente são saturadas ou monoinsaturadas Para caelife rinas do grupo A hidroxilas nas posições α e ω ômega são sulfatadas ver Figura 2317B Caeliferinas do grupo B são diácidos com um sulfato na posição α e uma glici na conjugada ao ω carboxil Em um bioensaio de voláteis com plântulas de milho a caeliferinaA161 mostrou ser o composto mais ativo desse grupo de eliciadores enquanto a caeliferinaA160 foi ativa em Arabidopsis A aplicação de caeliferina A no local de lesão em Arabidopsis induziu um pico transitório de produção de etileno e um aumento sig nificativo do acúmulo de ácido jasmônico em comparação com a planta que sofreu somente a lesão Até o momento a caeliferinaA160 é o único eliciador derivado de inseto com atividade biológica em Arabidopsis A atividade biológica de caeliferinas parece ser espé cieespecífica Nem as leguminosas ou as solanáceas res pondem a esse eliciador com aumento da sinalização de defesa Ao contrário dos ácidos graxos amidas as caelife rinas não derivam das plantas Além de apresentarem ca deias de comprimentos irregulares elas são caracterizadas por uma ligação dupla de configuração trans Nenhuma dessas características está presente em plantas sugerindo a origem dessas moléculas nos gafanhotos Os insetos sugadores ativam rotas de sinalização de defesa semelhantes àquelas ativadas por infecções por patógenos Embora os insetos sugadores como pulgões causem pou co dano mecânico às plantas eles são sérias pragas agrí colas e podem reduzir significativamente a produtivida de das culturas Na natureza as plantas desenvolveram mecanismos para reconhecer e se defender contra insetos sugadores de seiva do floema Diferentemente dos insetos perfuradoresmastigadores que infligem danos graves ao tecido resultando na ativação da rota de sinalização do ácido jasmônico discutido a seguir os sugadores ativam a rota de sinalização do ácido salicílico que geralmente está associada a infecções por agentes patogênicos Como a resposta de defesa para sugadores de seiva envolve complexos receptorligante que estão intimamente rela cionados àqueles envolvidos na resposta a patógenos os mecanismos de sinalização dessa classe de herbívoros são descritos no final do capítulo quando são discutidas as in fecções microbianas A sinalização de cálcio e a ativação da rota da MAPquinase são eventos iniciais associados à herbivoria de insetos Quando as plantas reconhecem eliciadores da saliva de in setos uma rede complexa de transdução de sinal é ativada Um aumento na concentração de Ca2 citosólico Ca2cit é um sinal precoce que medeia as respostas induzidas por eliciadores derivados de insetos Ca2 é um mensageiro se cundário ubíquo em múltiplas respostas celulares de todos os sistemas eucarióticos ver Capítulo 15 Sob condições normais Ca2cit é muito baixa cerca de 100 nM Após a estimulação por um eliciador os íons Ca2 são rapidamente liberados para o citosol a partir de compartimentos de reser va como mitocôndrias retículo endoplasmático vacúolos e parede celular Em seguida o aumento dos níveis de Ca2 no citosol ativa uma série de proteínasalvo como a calmoduli na e outras proteínas de ligação ao Ca2 bem como proteínas quinases dependentes de Ca2 que posteriormente ativam alvos a jusante da rota de sinalização Esses alvos a jusan te em geral incluem a fosforilação de proteínas e a ativação transcricional de respostas específicas ao estímulo Embora pouco se conheça sobre o papel detalhado do Ca2 na sinalização das defesas contra herbívoros evidên cias emergentes sugerem fortemente que ele desempenhe um papel importante Em feijãofava Phaseolus lunatus por exemplo os aumentos mais significativos na concen tração de Ca2 citosólico em resposta à herbivoria de inse tos ocorrem em camadas celulares mais próximas do local do dano mas também são detectáveis em níveis mais bai xos em tecidos mais distantes Em Arabidopsis um regulador da transcrição de liga ção à calmodulina chamado IQD1 foi identificado como um mediador importante das respostas de defesa contra insetos herbívoros O IQD1 ligase à calmodulina uma importante proteína de ligação ao Ca2 de modo depen Volicitina N17hidroxilinolenoilLglutamina CaeliferinaA161 CaeliferinaB161 O O OH N H H OH CH3 O NH2 O HO O O O O OH O O S S OH 1 2 O HO O O O N H OH O O S OH 1 3 A B Figura 2317 Estruturas dos principais eliciadores derivados de insetos A Conjugados de ácido linolênicoaminoácido como volicitina induzem a liberação de metabólitos secundários voláteis em plântulas de milho Esses compostos e seus análogos de ácido linoleico foram encontrados na regurgitação das larvas de várias es pécies de lepidópteros e mais recentemente em grilos e larvas de Drosophila B Caeliferinas foram isoladas e identificadas a partir da regurgitação de Schistocerca americana Caeliferinas no grupo A com hidroxilas nas posições α 1 e ω 2 são sulfatadas Caeliferinas no grupo B são diácidos com um sulfato na posição α 1 e uma glici na conjugada no ω carboxil 3 Pouco se conhece sobre a atividade biológica das caeliferinas do tipo B Taiz23indd 707 Taiz23indd 707 27102016 105532 27102016 105532 708 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento dente de Ca2 e posteriormente ativa genes envolvidos na biossíntese de glicosinolatos Consequentemente a su perexpressão de IQD1 em Arabidopsis inibe a herbivoria Esses resultados são consistentes com o papel importante do Ca2 na regulação de mecanismos de defesa antiherbi voria em plantas Além do papel do Ca2 como ativador de defesas um estudo mais recente demonstrou que esse composto sina lizador também está envolvido na regulação para baixo downregulation da sinalização de defesa em particular a rota do ácido jasmônico Pelo silenciamento gênico indu zido por vírus de duas proteínas quinase dependentes de cálcio CDPKs calciumdependent protein kinases no tabaco selvagem Nicotiana attenuata demonstrouse que o acú mulo de ácido jasmônico após a herbivoria continuou por um período muito mais longo do que em plantas do tipo selvagem Consequentemente as plantas silenciadas tam bém produziram mais metabólitos de defesa e retardaram de maneira significativa o crescimento de um herbívoro especialista a lagarta da folha do tabaco Manduca sexta A sinalização de defesa induzida por insetos herbí voros também envolve vários tipos de proteínas quinase ativadas por mitógenos MAPKs mitogenactivated protein kinases No tabaco o silenciamento induzido por vírus dos genes para a proteína quinase induzida por lesão WIPK woundinduced protein kinase e para a proteína quinase induzida por ácido salicílico SIPK salicylic acidinduced protein kinase membros da família MAPK revelou que ambos estão envolvidos na regulação de defesas anti herbivoria Esses genes são significativamente induzi dos após a herbivoria de insetos e o tratamento com os eliciadores ácidos graxos amidas SIPK e WIPK também parecem ser essenciais para os diferentes aspectos da rota do ácido jasmônico discutida mais adiante neste capí tulo O silenciamento de SIPK afeta principalmente as primeiras etapas na rota biossintética do ácido jasmônico enquanto as plantas silenciadas para WIPK são prejudica das em etapas posteriores dessa rota No tomateiro pelo menos três MAPKs diferentes são necessárias para ativar completamente defesas contra as lagartas do tabaco Da mesma forma o acúmulo de ácido jasmônico e a produ ção de metabólitos de defesa foram reduzidos de maneira significativa em plantas silenciadas para esses três genes Esses exemplos demonstram a importância de um conjun to diversificado de MAPKs na regulação da defesa vegetal contra insetos herbívoros O ácido jasmônico ativa respostas de defesa contra insetos herbívoros Uma importante rota de sinalização envolvida na maioria das defesas das plantas contra insetos herbí voros é a rota dos octadecanoides que leva à produção do hormônio ácido jasmônico AJ ver Capítulo 15 Junto com outros produtos derivados de ácidos graxos oxigenados os octadecanoides pertencem à família das oxilipinas Os níveis AJ aumentam rapidamente em resposta ao dano causado por insetos herbívoros desencadeando a formação de muitas proteínas envol vidas nas defesas vegetais A demonstração direta da ação do AJ na resistência a insetos tem sido resultado de pesquisas em linhagens mutantes de Arabidopsis tomateiro e milho Tais mutantes são facilmente mor tos por insetospraga que normalmente não danifi cam plantas do tipo selvagem A aplicação de AJ exó geno restabelece a resistência em níveis próximos aos observados nas plantas selvagens A estrutura e a biossíntese do AJ têm intrigado os botânicos devido à semelhança com oxilipinas que são os centros das respostas inflamatórias e de outros processos fisiológicos em mamíferos Em vegetais o AJ é sintetizado a partir do ácido linolênico 183 COOH COOH COOH O O O OOH Lipoxigenase HOOC HOOC Ciclização Redução e βoxidação Ácido jasmônico Ácido linolênico Ácido 13hidro peróxi linolênico COOH O Ácido 12oxofito dienoico OPDA Citosol Ácido 12oxo fitodienoico Cloroplasto Peroxissomo Figura 2318 Etapas na rota de conversão do ácido linolênico 183 em ácido jasmônico A primeira etapa enzimática ocorre no cloroplasto resultando em um produto cíclico o ácido 12oxofito dienoico OPDA Esse intermediário é transportado para o peroxis somo onde é inicialmente reduzido e após convertido em ácido jasmônico por βoxidação Taiz23indd 708 Taiz23indd 708 27102016 105532 27102016 105532 Capítulo 23 Interações Bióticas 709 que é liberado dos lipídeos da membrana plasmática e en tão convertido em AJ conforme ilustrado na Figura 2318 Duas organelas participam na biossíntese do AJ cloroplas tos e peroxissomos No cloroplasto um intermediário deri vado do ácido linolênico é transformado em um composto cíclico e após transportado para o peroxissomo onde as enzimas da rota de βoxidação ver Capítulo 12 comple tam a conversão em AJ ver Ensaio 233 na internet O AJ induz a transcrição de vários genes que codificam enzimas chave em todas as principais rotas para a produção dos metabólitos secundários O ácido jasmônico atua por um mecanismo conservado de sinalização de ubiquitina ligase O AJ não só ativa os genes relacionados à defesa mas tam bém desliga o crescimento A supressão do crescimento in duzida por AJ permite a realocação de recursos para rotas metabólicas envolvidas na defesa O AJ atua mediante um mecanismo conservado de sinalização baseado na ubiquiti na ligase o qual tem estreita semelhança com aqueles des critos para auxinas e giberelinas Figura 2319 ver Capítulo 15 Embora o AJ não conjugado seja hormonalmente ativo muitas respostas ao AJ necessitam da ativação desse hormô nio mediante conversão em um conjugado de aminoácido como ácido jasmônicoisoleucina AJIle para uma ativida de ideal Essa conjugação é realizada por enzimas denomi nadas proteínas de resistência ao ácido jasmônico JAR jasmonic acid resistance pertencentes à família de enzimas de conjugação de ácido carboxílico A JAR1 por exemplo exibe alta afinidade de substrato para AJ e isoleucina e parece ser de especial importância para a sinalização de defesa depen dente de AJ Quando os níveis de AJ estão baixos a expressão de genes de resposta ao jasmonato é reprimida por membros da família de proteínas JAZ JAZMONATE ZIMDOMAIN as quais são reguladoreschave da resposta ao jasmonato Os repressores JAZ atuam pela ligação do fator de transcri ção MYC2 com função na ativação dos genes dependentes de AJ Além disso esses repressores mantêm a cromatina em estado fechado impedindo a ligação dos fatores de transcrição de resposta ao AJ aos seus genesalvo Para manter a cromatina no estado inativo as proteínas JAZ ligamse à proteína Fbox COI1 que é um componente essencial do complexo de proteína de SCFCOI1 um complexo multiproteico ubiquitina E3 ligase Duas proteínas adicio nais e duas enzimas histonas desacetilase HDA6 e HDA19 atuam como correpressores junto com o complexo JAZCOI1 e são importantes na manutenção da cromatina no estado inativo ver Figura 2319 A ligação de AJIle ao correcep tor JAZCOI1 leva à ubiquitinação de JAZ pelo complexo SCFCOI1AJIle seguida pela degradação de JAZ via proteasso mo 26S ver Figura 2319 A destruição de JAZ libera o fator de transcrição MYC2 que após recruta várias outras proteí nas de remodelamento de cromatina e fatores de transcrição que levam à expressão de genes de resposta ao AJ Interações hormonais contribuem para as interações entre plantas e insetos herbívoros Vários outros agentes de sinalização incluindo etileno ácido salicílico e metilsalicilato com frequência são indu zidos por insetos herbívoros Em particular o etileno pa rece desempenhar um papel importante nesse contexto Quando aplicado isoladamente às plantas o etileno tem pouco efeito sobre a ativação de genes relacionados à de SCF COl1 SCF COl1 AJlle AJlle SCF COl1 AJlle MYC2 DNA Sem transcrição JAZ MYC2 JAZ Transcrição Ubiquitina Poliubiquitinação Proteassomo 26S Degradação Ativação 1 AJIle forma um complexo com SCFCOl1 2 O complexo SCFCOl1AJIle ligase ao repressor JAZ removendoo do fator de transcrição MYC2 O complexo também leva JAZ à ubiquitinação 3 MYC2 é ativado e transcreve genes dependentes de AJ 4 JAZ ubiquitinado é degradado por proteassomos Figura 2319 Sinalização por ácido jasmônico O ácido jasmô nico necessita ser inicialmente conjugado a um aminoácido aqui a isoleucina para se ligar à COI1 como parte de um complexo pro teico SCFCOI1 Esse complexo marca JAZ um repressor de transcri ção levando à degradação dessas proteínas em um proteassomo Fatores de transcrição como MYC2 iniciam então a transcrição de genes dependentes de AJ incluindo aqueles para a defesa Taiz23indd 709 Taiz23indd 709 27102016 105532 27102016 105532 710 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento fesa No entanto quando aplicado junto com AJ parece aumentar as respostas a esse hormônio Do mesmo modo quando as plantas são tratadas com eliciadores como áci dos graxos amidas que por si só não induzem a produção de quantidades significativas de etileno em combinação com etileno as respostas de defesa são significativamen te aumentadas Resultados como esses demonstram que é necessária uma ação conjunta desses compostos de sina lização para a ativação completa das respostas de defesa induzidas O controle multifatorial permite que as plantas integrem vários sinais ambientais na modulação da res posta de defesa O ácido jasmônico inicia a produção de proteínas de defesa que inibem a digestão de herbívoros Além de ativar as rotas para a produção de metabólitos secundários tóxicos ou repelentes o AJ também inicia a biossíntese de proteínas de defesa A maior parte dessas proteínas interfere no sistema digestório de herbívoros Por exemplo algumas leguminosas sintetizam inibidores da αamilase que bloqueiam a ação da enzima αamilase responsável pela digestão de amido Outras espécies vege tais produzem lectinas proteínas de defesa que se ligam a carboidratos ou a proteínas contendo carboidratos Após a ingestão por um herbívoro as lectinas ligamse às células epiteliais que revestem o trato digestório e interferem na absorção de nutrientes Um ataque mais direto sobre o sistema digestório do inseto herbívoro é realizado por algumas plantas por meio da produção de uma protease de cisteína capaz de romper a membrana peritrófica que protege o epitélio in testinal de muitos insetos Embora nenhum desses genes seja essencial para o crescimento vegetativo da planta eles provavelmente evoluíram a partir de genes constitu tivos durante a coevolução de plantas e de seus insetos herbívoros As proteínas antidigestivas mais bem conhecidas nos vegetais são os inibidores de proteases Encontradas nas leguminosas no tomateiro e em outros vegetais tais subs tâncias bloqueiam a ação das enzimas proteolíticas protea ses dos herbívoros Estando no trato digestório desses ani mais elas ligamse especificamente ao sítio ativo de enzimas proteolíticas como tripsina e quimotripsina impedindo a digestão das proteínas Insetos que se alimentam de plantas contendo inibidores de protease sofrem redução nas taxas de crescimento e desenvolvimento o que pode ser compensado pela suplementação de aminoácidos em sua dieta A função dos inibidores de protease na defesa vegetal tem sido confirmada por experimentos com tabaco trans gênico As plantas transformadas para acumular níveis aumentados de inibidores de proteases sofreram menos danos causados por insetos herbívoros do que as plantas não transformadas Tal como acontece com os glicosinola tos alguns insetos herbívoros se adaptaram aos inibidores de proteases produzindo proteases digestivas resistentes à inibição Os danos causados por herbívoros induzem defesas sistêmicas Durante o ataque de herbívoros o dano mecânico libe ra enzimas líticas da planta que podem comprometer as barreiras estruturais dos tecidos vegetais Alguns dos produtos gerados por essas enzimas podem atuar como eliciadores endógenos chamados padrões moleculares associados ao dano DAMPs damage associated molecular patterns Como será discutido adiante os DAMPs são re conhecidos por receptores de reconhecimento de padrões PRRs pattern recognition receptors localizados na superfí cie da célula Os DAMPs em geral surgem no citoplasma e podem induzir proteção contra uma ampla gama de or ganismos uma resposta conhecida como imunidade inata Os oligogalacturonídeos liberados pela parede celular por exemplo podem agir como eliciadores endógenos embora o sistema de percepção permaneça indefinível No tomateiro o ataque de um inseto leva a um rápi do acúmulo de inibidores de protease em toda a planta mesmo em áreas não danificadas distantes do local do ataque A produção sistêmica de inibidores de proteases nas plantas jovens de tomateiro é desencadeada por uma sequência complexa de eventos Figura 2320 1 As folhas danificadas de tomateiro sintetizam pró sistemina uma proteína precursora grande 200 aminoácidos 2 A prósistemina é processada proteoliticamente e produz um pequeno polipeptídeo 18 aminoácidos DAMP chamado sistemina 3 A sistemina é liberada no apoplasto pelas células da nificadas 4 No tecido adjacente parênquima floemático a sis temina ligase a seu receptor de reconhecimento de padrões na membrana plasmática ver seção Defesas vegetais contra patógenos e Ensaio 234 na internet 5 O receptor da sistemina ativado tornase fosforilado e ativa a fosfolipase A2 PLA2 6 A PLA2 ativada gera o sinal que inicia a biossíntese de AJ 7 O AJ é então transportado via floema sistemicamen te pela planta por um mecanismo ainda desconhe cido 8 O AJ é captado pelos tecidosalvo e ativa a expressão de genes que codificam os inibidores de proteases Embora se acreditasse que os sinais peptídicos como a sistemina eram restritos às solanáceas nos últimos anos tornouse claro que espécies de outras famílias também produzem peptídeos como moléculas de sinalização em resposta à herbivoria Recentemente um peptídeo sinal ZmPep3 foi identificado no milho em resposta ao trata mento com eliciador derivado de insetos Descobriuse que o ZmPep3 derivado do precursor ZmPROPEP3 era capaz de eliciar respostas de defesa antiherbivoria in cluindo a produção de benzoxazinoides e a liberação de compostos voláteis Como são produzidos em resposta ao Taiz23indd 710 Taiz23indd 710 27102016 105532 27102016 105532 Capítulo 23 Interações Bióticas 711 Sistemina polipeptídeo com ação hormonal Receptor de sistemina N C Clivagem Prósistemina PLA2 Cloroplasto Peroxissomo Ácido jasmônico AJX AJ Biossíntese do ácido jasmônico ver Figura 2318 Cascata MAPK SISTÊMICO LOCAL Resposta local Núcleo Genesalvo Célula do parênquima floemático Célula companheira Sistema vascular Célulasalvo Translocação no floema Ativação dos genes inibidores de protease Reconhecimento do sinal e resposta Transporte do sinal Geração do sinal Plasmodesmos Núcleo Genesalvo Ácido linolênico COOH O COOH Figura 2320 Rota de sinalização proposta para a rápida in dução da biossíntese de inibidor de protease em plantas de toma teiro danificadas Essas folhas danificadas embaixo à esquerda da figura sintetizam prósistemina nas células do parênquima flo emático e esse peptídeo é processado proteoliticamente resul tando em sistemina A sistemina é liberada das células parenqui máticas do floema e ligase a receptores na membrana plasmática das células companheiras adjacentes Isso ativa uma cascata de sinalização que envolve a fosfolipase A2 PLA2 e a proteínas qui nase ativadas por mitógeno MAPK resultando na biossíntese de ácido jasmônico AJ O AJ é então transportado pelos elemen tos de tubo crivado possivelmente de forma conjugada AJX às folhas intactas onde inicia uma rota de sinalização nas células alvo do mesofilo resultando na ativação dos genes de inibidores de protease Os plasmodesmos facilitam a dispersão do sinal em várias etapas da rota Taiz23indd 711 Taiz23indd 711 27102016 105532 27102016 105532 712 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento tratamento com eliciador esses peptídeos parecem servir como intensificadores da resposta de defesa como no caso da sistemina Ortólogos do própeptídeo ZmPROPEP3 são encontrados também em outras famílias vegetais in cluindo Fabaceae leguminosas e podem representar os análogos funcionais da sistemina em outras famílias além das Solanaceae Genes de receptor tipo glutamato GLR são necessários para a sinalização elétrica de longa distância durante a herbivoria Em resposta à herbivoria o AJ acumulase em poucos minutos tanto localmente no sítio do dano causado pelo herbívoro quanto distalmente em tecidos intactos da mesma folha e de outras folhas Embora as plantas não possuam sistema nervoso várias evidências são coerentes com o papel de sinalização elétrica em respostas de de fesa que ocorrem a alguma distância do local do dano causado pelo herbívoro Por exemplo o forrageio da larva do curuquerê do algodoeiro egípcio Spodoptera littoralis nas folhas de feijoeiro induz uma onda de despolarizações que se propaga para áreas não danificadas da folha Além disso a despolarização da membrana plasmática induzida por ionóforo em células de tomateiro resulta na expressão de genes regulados por jasmonato Medições de potencial de superfície em folhas de Arabi dopsis em resposta à mastigação pela larva de S littoralis con firmaram o papel da sinalização elétrica na propagação da resposta de defesa por jasmonato nas folhas não danificadas Durante o forrageio os sinais elétricos induzidos próximos ao local do ataque posteriormente se propagam para as fo lhas vizinhas a uma velocidade máxima de 9 cm por minuto Figura 2321 Uma vez que a transmissão do sinal elétrico é mais eficiente para folhas diretamente acima ou abaixo da folha lesada o sistema vascular é um bom candidato para a Sinalização elétrica Ácido jasmônico Ácido jasmônico Sinalização elétrica Ácido jasmônico Ácido jasmônico Respostas de defesa Respostas de defesa Canal GLR Canal GLR Respostas de defesa Respostas de defesa Respostas de defesa Figura 2321 Modelo para a resposta de sinalização elétrica de Arabidopsis ao ataque de herbívoros A lesão na folha causada por herbivoria ativa canais iônicos dos recepto res tipo glutamato GLR no sistema vascular Acreditase que os sinais elétricos se deslo quem através do sistema vascular e estimulem a produção do ácido jasmônico AJ tanto lo calmente como em outras folhas A produção de AJ em seguida inicia as respostas de defe sa que desencorajam ainda mais a herbivoria De Christmann e Grill 2013 transmissão dos sinais elétricos às outras folhas Em todos os sítios que recebem os sinais elétricos a expressão gênica mediada por jasmonato é ligada e inicia a expressão de ge nes de resposta de defesa Uma família de genes de receptor tipo glutamato GLR glutamate receptorlike foi identificada em triagens de mutantes com sinalização elétrica defeituosa No mutante duplo glr33glr36 a onda elétrica não se pro paga após o dano e a expressão de genes de resposta ao jasmonato é reduzida nas folhas distantes do local lesado A evidência sugere que em algumas plantas pelo menos os genes GLR os quais foram anteriormente vinculados ao re conhecimento de outros padrões moleculares relacionados a microrganismos são responsáveis pela sinalização de defesa de longa distância em resposta à herbivoria A relação da si nalização elétrica com outros tipos de sinalização de defesa de longa distância não está clara Os voláteis induzidos por herbívoros podem repelir herbívoros e atrair inimigos naturais A indução e a emissão de compostos orgânicos voláteis também referidos como voláteis em resposta ao dano causado pela herbivoria por insetos fornecem um excelente exemplo das funções ecológicas complexas dos metabólitos secundários na natureza Com frequência a combinação de moléculas emitidas é exclusiva para cada espécie de insetos herbívoros e em geral inclui representantes das três princi pais rotas do metabolismo secundário terpenos alcaloides e compostos fenólicos ver Ensaio 231 na internet Além disso em resposta ao dano mecânico todas as plantas emitem produtos derivados de lipídeos como os voláteis de folhas verdes uma mistura de aldeídos de seis carbo nos alcoóis e ésteres ver Ensaios 235 236 na internet As funções ecológicas desses voláteis são muitas Figura 2322 Com frequência eles atraem inimigos naturais do inseto atacante predadores ou parasitas que utilizam os voláteis como sinais para encontrar suas presas ou hospedeiros para sua progê nie Como observado anteriormente no milho o eliciador volicitina que está presente na saliva da lagartadabeter raba Spodoptera exigua pode induzir a síntese de produtos voláteis que atraem Taiz23indd 712 Taiz23indd 712 27102016 105533 27102016 105533 Capítulo 23 Interações Bióticas 713 parasitoides Plântulas de milho tratadas com concentra ções muito baixas de volicitina liberam quantidades rela tivamente grandes de terpenos que atraem as diminutas vespas parasitoides Microplitis croceipes Por outro lado os voláteis liberados pelas folhas durante a oviposição postu ra de ovos da mariposa podem atuar como repelentes para outras mariposas fêmeas impedindo assim a nova ovi posição e a herbivoria Muitos desses compostos embora voláteis permanecem ligados à superfície da folha e atuam como inibidores do forrageio devido a seu sabor Os vegetais são capazes de distinguir entre várias es pécies de insetos herbívoros e responder diferencialmente a cada uma delas Por exemplo N attenuata uma espécie selvagem de tabaco encontrada nos desertos da Great Ba sin Estados Unidos produz níveis altos de nicotina mo lécula tóxica para o sistema nervoso central do inseto En tretanto quando a planta é atacada por lagartas tolerantes à nicotina não há aumento nos níveis desse alcaloide Em vez disso elas liberam terpenos voláteis que atraem inse tos predadores das lagartas ver Ensaio 231 na internet Evidentemente as espécies selvagens de tabaco e outras plantas devem possuir maneiras de determinar qual tipo de herbívoro é danoso às suas folhas Os herbívoros de vem sinalizar sua presença pelo tipo de dano que causam ou pelos compostos químicos distintos que liberam em suas secreções orais Os voláteis induzidos por herbívoros podem servir como sinais de longa distância entre as plantas O papel dos voláteis vegetais induzidos por herbívoros não se limita à mediação de interações ecológicas entre plantas e insetos Certos voláteis emitidos por plantas infestadas também podem servir como sinais às plantas vizinhas para iniciarem a expressão de genes relacionados à defe sa ver Figura 2322 Além de vários terpenos os voláteis de folhas verdes atuam como sinais potentes nesse pro Parte aérea Nematódeos parasitas de insetos Atração de inimigos naturais Atração de inimigos naturais Repelência de outros herbívoros Alerta para plantas vizinhas priming Mariposas fêmeas Predadores e parasitas Respostas sistêmicas ativadas HIPV HIPV HIPV HIPV Parte subterrânea Figura 2322 Funções ecológicas dos voláteis de vegetais induzi dos por insetos herbívoros HIPVs herbivoreinduced plant volatiles Muitas plantas liberam uma fragrância específica de compostos orgâ nicos voláteis quando atacadas por insetos herbívoros Esses produtos voláteis podem consistir em compostos de todas as principais rotas de metabólitos secundários incluindo terpenos mono e sesquiterpe nos alcaloides indol e fenilpropanoides metilsalicilato bem como os voláteis de folhas verdes Esses voláteis podem atuar como pistas para os inimigos naturais do inseto herbívoro por exemplo as vespas parasitas As partes subterrâneas das plantas podem também liberar compostos voláteis quando atacadas por herbívoros Foi demonstrado que os voláteis atraem nematódeos parasitas de insetos Os voláteis também atuam como repelentes para mariposas fêmeas evitando assim a oviposição Mais recentemente descobriuse que os voláteis atuam como sinais de defesa sistêmica em plantas altamente setori zadas com conexões vasculares interrompidas e também em curtas distâncias entre plantas Assim esses sinais voláteis preparam a planta receptora contra a herbivoria iminente por respostas de defesa pre paratórias priming resultando em uma resposta mais rápida e mais forte quando a planta receptora for realmente atacada Taiz23indd 713 Taiz23indd 713 27102016 105533 27102016 105533 714 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento cesso Os voláteis de folhas verdes que são semelhantes às oxilipinas AJ produzidas a partir do ácido linolênico são os principais componentes do aroma familiar de gra ma recémcortada ver Ensaio 235 na internet A rota biossintética inicia com o ácido 13hidroperóxilinolênico e é catalisada pela enzima hidroperóxido liase HPL Os produtos principais dessa rota são Z3hexenal Z3 hexenol e acetato de Z3hexenil e seus respectivos E2 enantiômeros Adicionalmente essa rota produz ácido 12oxoZ9decenoico o precursor natural de traumatina o primeiro hormônio de lesão descrito para as plantas Embora a rota de HPL tenha sido caracterizada há 100 anos só recentemente ganhou importância quando foi demonstrado que os produtos voláteis dessa rota de sina lização servem como potentes sinais inter e intraplantas Quando as plantas de milho foram expostas a substân cias voláteis de folhas verdes o AJ e a expressão gênica relacionados ao AJ foram rapidamente induzidos Mais importante porém foi a constatação de que a exposição a substâncias voláteis de folhas verdes preparou as defesas da planta de milho para responder mais fortemente a ata ques posteriores por insetos herbívoros Foi demonstrado que os voláteis de folhas verdes preparam ou sensibilizam os mecanismos de defesa de várias outras espécies vege tais incluindo feijãofava P lunatus artemísia Artemisia tridentata Arabidopsis thaliana choupo Populus tremula e mirtilo Vaccinium spp Além disso eles ativam a pro dução de fitoalexinas e outros compostos antimicrobianos discutido na seção seguinte ver também Ensaio 236 na internet e parecem desempenhar um papel importante nas estratégias gerais de defesa das plantas Os voláteis induzidos por herbívoros também podem atuar como sinais sistêmicos em uma mesma planta Além de fornecerem um sinal para plantas vizinhas plantas infestadas podem também enviar um sinal vo látil para outras partes de si mesmas ver Figura 2322 De um ponto de vista evolutivo essa pode ser a função original desses voláteis Foi demonstrado que os voláteis atuam como indutores de resistência a herbívoros entre ramos diferentes de artemísia e verificouse que o fluxo de ar era essencial para a indução da resistência induzida A artemísia como outras plantas do deserto é altamente setorial ou seja o sistema vascular da planta não está bem integrado por interconexões Embora muitas plantas sejam capazes de responder de forma sistemática aos herbívoros por meio de sinais químicos que se movem internamente através de interconexões vasculares a artemísia e muitas outras espécies do deserto são incapazes de fazêlo Em vez disso os voláteis são usados para superar essas limita ções e proporcionar a sinalização sistêmica Foi observado um efeito semelhante de voláteis em feijãofava que uti liza nectários extraflorais localizados na base de lâminas foliares para atrair artrópodes predadores e parasitoides para protegêlo contra vários tipos de herbívoros Figura 2323 Por exemplo quando besouros atacam plantas de feijãofava voláteis em particular voláteis de folhas ver des são liberados imediatamente do local de dano e sina lizam para outras partes da mesma planta para ativar suas defesas incluindo a produção de néctar extrafloral As respostas de defesa contra herbívoros e patógenos são reguladas por ritmos circadianos Muitos aspectos do metabolismo e do desenvolvimento vegetais são regulados por ritmos circadianos ver Capítu lo 20 Estimase que cerca de um terço de todos os genes de plantas exibam regulação circadiana em sua expressão A lista de genes com a transcrição regulada ciclicamente inclui não só os previsivelmente envolvidos na fotossín tese no metabolismo de carbono e na absorção de água mas muitos genes envolvidos na defesa das plantas Essa observação levou à proposta de que a resistência à herbi voria por insetos poderia estar sob o controle circadiano Essa hipótese foi confirmada recentemente por um estudo das interações entre Arabidopsis e a lagartada couve Trichoplusia ni um lepidóptero herbívoro genera lista Figura 2324A Tanto esse herbívoro quanto a defesa da planta mediada por jasmonato seguem os ritmos circa dianos com pico durante o dia Isso sugere que o momen to da resposta de defesa mediada por jasmonato pode ser uma adaptação que maximiza a defesa contra herbívoros Para testar se o relógio circadiano vegetal aumenta a de fesa contra insetos predadores a herbivoria foi comparada em plantas de Arabidopsis cujas respostas de defesa me diadas por jasmonato estavam ou em fase Figura 2324B ou fora de fase Figura 2324C com o ritmo circadiano da atividade alimentar da lagartadacouve Após deixar a lagarta forragear livremente sobre as plantas durante 72 horas as plantas cujas respostas foram de defesa em fase com as lagartas apresentavam visivelmente menos danos aos tecidos do que as plantas cujo ritmo circadiano estava fora de fase com o dos insetos Figura 2324D Como re sultado durante o mesmo período as lagartas que se ali mentaram de plantas de Arabidopsis que mudaram de fase ganharam três vezes mais peso que as plantascontrole sincronizadas Figura 2324E Figura 2323 Nectários extraflorais de feijãofava Phaseolus lunatus Taiz23indd 714 Taiz23indd 714 27102016 105533 27102016 105533 Capítulo 23 Interações Bióticas 715 O ácido salicílico que medeia as respostas de defesa contra organismos patogênicos mostrou acúmulo pro gressivo em fase oposta em relação ao jasmonato com pi cos que ocorrem no meio da noite Esse acúmulo diurno de salicilatos pode contribuir para o aumento da resistência de Arabidopsis contra bactérias patogênicas quando a infec ção ocorre no início da manhã em oposição ao anoitecer Os insetos desenvolveram mecanismos para anular as defesas vegetais A despeito dos mecanismos químicos que as plantas de senvolveram para se protegerem os insetos herbívoros ad quiriram evolutivamente estratégias para evitar ou superar essas defesas vegetais pelo processo de evolução recíproca um tipo de coevolução Essas adaptações assim como as respostas de defesa vegetal podem ser constitutivas ou in duzidas As adaptações constitutivas são mais amplamente distribuídas entre os insetos especialistas os quais podem se alimentar somente de algumas espécies vegetais As adaptações induzidas por sua vez são encontradas com mais probabilidade entre insetos generalistas quanto às suas dietas Embora nem sempre sejam óbvias na maioria dos ambientes naturais as interações plantainseto levam a uma situação de equilíbrio onde cada um pode se desen volver e sobreviver sob condições subótimas Defesas vegetais contra patógenos Embora os vegetais não apresentem um sistema imunológi co comparável aos animais eles são surpreendentemente re sistentes a doenças provocadas por fungos bactérias vírus e nematódeos que estão sempre presentes no ambiente Nesta seção são examinados os diversos mecanismos que os ve getais desenvolveram para resistir localmente à infecção in cluindo a imunidade desencadeada por padrões moleculares associados a microrganismos MAMPs microbeassociated molecular patterns a imunidade desencadeada por efetores a produção de agentes antimicrobianos e um tipo de morte celular programada chamado resposta de hipersensibilida de São também discutidos dois tipos de imunidade vegetal sistêmica referidos como resistência sistêmica adquirida SAR systemic acquired resistance e resistência sistêmica induzida ISR induced systemic resistence Os agentes patogênicos microbianos desenvolveram várias estratégias para invadir as plantas hospedeiras Ao longo de suas vidas as plantas são continuamente expostas a uma diversificada série de patógenos Os patógenos bemsucedidos desenvolveram vários me canismos para invadir sua planta hospedeira e causar 0 C 12 24 36 48 Tempo h B A D E Forrageio da lagarta Defesas vegetais 0 1 2 3 4 5 6 Massa mg da lagarta dacouve Fora de fase Em fase Fora de fase Em fase Figura 2324 Exemplo de ritmos circadianos influenciando a de fesa vegetal contra a herbivoria A Trichoplusia ni lagartadacouve forrageando em planta de Arabidopsis B Normalmente os relógios circadianos das lagartas e das plantas são sincronizados e tanto a ativi dade de forrageio curva vermelha quanto as defesas vegetais media das por jasmonato curva verde apresentam o pico durante o dia Isso otimiza as defesas vegetais e reduz a taxa de crescimento da lagarta C Se o ritmo circadiano de Arabidopsis é deslocado em 12 horas a resposta de defesa da planta curva verde está no mínimo quando a atividade da lagarta está no máximo curva vermelha e a lagarta cresce mais rapidamente D As plantas de Arabidopsis fora de fase à direita sofrem mais dano do que as plantas em fase à esquerda E Comparação das massas de lagartadacouve crescendo sobre plantas em fase ou fora de fase BE de Goodspeed et al 2012 Taiz23indd 715 Taiz23indd 715 27102016 105533 27102016 105533 716 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento doença Figura 2325 Alguns penetram diretamen te pela cutícula e pela parede celular pela secreção de enzimas líticas as quais digerem essas barreiras me cânicas Outros entram na planta através de aberturas naturais como estômatos hidatódios e lenticelas Um terceiro grupo invade a planta através de locais com lesões por exemplo aquelas causadas por insetos her bívoros Assim como outros tipos de patógenos muitos vírus transferidos por insetos herbívoros que atuam como vetores também invadem a planta pelo local de forrageio do inseto Os insetos sugadores de seiva como as moscasbrancas e os afídeos depositam os patógenos diretamente no sistema vascular a partir do qual eles facilmente se propagam pela planta Uma vez no interior da planta os patógenos em geral empregam uma das três principais estratégias de ataque para utilizar a planta hospedeira como substrato para sua própria proliferação Os patógenos necrotróficos atacam seu hospedeiro pela secreção de enzimas ou toxinas de gradadoras da parede celular o que finalmente mata as células vegetais afetadas levando à extensa maceração dos tecidos amolecimento dos tecidos após a morte por autólise Esse tecido morto é então colonizado pelo pa tógeno e é utilizado como fonte de alimento Outra estra tégia é usada por patógenos biotróficos após a infecção a maior parte do tecido vegetal permanece viva e apenas danos celulares mínimos podem ser observados à medida que os patógenos se alimentam dos substratos fornecidos por seu hospedeiro Os patógenos hemibiotróficos são caracterizados por uma fase inicial biotrófica em que as células hospedeiras são mantidas vivas conforme descrito para os patógenos biotróficos Essa fase é seguida por uma fase necrotrófica na qual o patógeno pode causar dano tecidual amplo Embora essas estratégias de invasão e infecção sejam individualmente bemsucedidas epidemias de doenças vegetais são raras em ecossistemas naturais Isso se deve ao fato de plantas terem desenvolvido estratégias eficazes contra esse conjunto diverso de patógenos Patógenos produzem moléculas efetoras que auxiliam na colonização de suas células hospedeiras vegetais Os fitopatógenos podem produzir uma ampla série de efetores que sustentam sua capacidade de colonizar com sucesso seu hospedeiro e obter benefícios nutricionais Os efetores são moléculas que alteram a estrutura o meta bolismo ou a regulação hormonal da planta conferindo vantagem ao patógeno Eles podem ser divididos em três classes principais enzimas toxinas e reguladores de cresci mento A invasão de um hospedeiro suscetível é com fre quência a etapa mais difícil para um patógeno por isso muitos agentes patogênicos produzem enzimas que po dem degradar a cutícula e a parede celular vegetal Entre as enzimas estão cutinases celulases xilanases pectina ses e poligalacturonases Essas enzimas têm a capacidade de comprometer a integridade da cutícula bem como as paredes celulares primárias e secundárias Muitos patógenos também produzem uma ampla série de toxinas que atuam sobre proteínasalvo específicas da planta Figura 2326 Por exemplo a toxina HC do fun go Cochliobolus carbonum que causa a doença da mancha foliar inibe as histonas desacetilase específicas no milho Em geral a diminuição da desacetilação de histonas que são essenciais na organização da cromatina tende a au mentar a expressão de genes associados ver Figura 213 No entanto não se sabe ainda se essa é a maneira pela qual a toxina HC causa a doença no milho A fusicoccina ver Figura 2326 é uma toxina não es pecífica produzida pelo fungo Fusicoccum amygdali Ela ativa constitutivamente a HATPase da membrana plasmática da planta pela ligação inicial a uma proteína específica de reguladores do grupo 1433 Esse complexo em seguida ligase à região Cterminal da HATPase e a ativa irrever sivelmente levando à superacidificação da parede celular e à hiperpolarização da membrana plasmática Esses efeitos da fusicoccina são de particular importância para as célu lasguarda estômato ver Capítulo 10 A hiperpolariza ção da membrana plasmática induzida por fusicoccina em célulasguarda provoca grande absorção de K e a abertura estomática permanente o que leva à murcha e por fim à morte da planta Ainda não está claro se e como o patógeno se beneficia da murcha excessiva de seu hospedeiro Alguns patógenos produzem moléculas efetoras que in terferem significativamente no equilíbrio hormonal da plan ta hospedeira O fungo Gibberella fujikuroi que faz as partes aéreas do arroz infectado crescerem muito mais rapidamente em relação às plantas não infectadas produz ácido giberéli co GA3 e outras giberelinas As giberelinas são portanto responsáveis pela doença da planta boba do arroz Acre Fungos penetrando as células diretamente Bactérias penetrando a planta por um local de lesão Fungos penetrando a planta pelos estômatos Bactérias penetrando a planta pelos estômatos Figura 2325 Fitopatógenos como bactérias e fungos desen volveram vários métodos para invadir as plantas Alguns fungos apresentam mecanismos que lhes permitem penetrar diretamente a cutícula ou a parede celular do vegetal Outros fungos assim como bactérias patogênicas entram por aberturas naturais como estôma to ou por lesões causadas por herbívoros Taiz23indd 716 Taiz23indd 716 27102016 105534 27102016 105534 Capítulo 23 Interações Bióticas 717 ditavase que os esporos fúngicos liberados das plantas in fectadas mais altas eram mais propensos a se propagarem para as plantas vizinhas por causa de sua vantagem de altu ra Posteriormente foi demonstrado que as giberelinas são hormônios vegetais naturais ver Capítulo 15 Os efetores de algumas bactérias patogênicas como Xanthomonas são proteínas que têm como alvo o núcleo da célula vegetal e causam mudanças marcantes na ex pressão gênica Esses efetores do tipo ativadores da trans crição TAL transcription activatorlike ligamse ao DNA da planta hospedeira e ativam a expressão de genes be néficos para o crescimento e a disseminação do patógeno A infecção por patógeno pode originar sinais de perigo moleculares que são percebidos por receptores de reconhecimento de padrões PRRs de superfície celular Para distinguir entre o que é dela e o que não pertence a ela durante a infecção por patógenos a planta possui PRRs que percebem MAMPs padrões moleculares associados a microrganismos que são conservados entre uma classe es pecífica de microrganismos como quitina para fungos fla gelos para bactéria mas inexistem no hospedeiro As RLKs descritas anteriormente em conexão com interações planta microrganismos benéficas e as proteínas tipo receptor RLPs receptorlike proteins são PRRschave para os sinais moleculares derivados de microrganismos e plantas asso ciados à infecção pelo patógeno Figura 2327 Em geral as RLKs contêm um domínio extracelular como um domínio com LRRs ou um LysM um domínio transmembrana e um domínio intracelular de quinase As RLPs contêm um do mínio extracelular e um domínio transmembrana mas não possuem um domínio intracelular de quinase Os PRRs ocorrem em complexos de proteínas que são mantidos em estado de repouso antes da ligação ao ligan te Acreditase que as RLPs que não possuem os domí nios de quinase citoplasmáticos típicos interagem com as RLKs para permitir que os sinais sejam transduzidos para o citoplasma Após a ligação aos seus ligantes molecula res muitos eventos celulares são ativados ver a seguir culminando na ativação da transcrição de um grande nú mero de genes de resposta de defesa Como mencionado anteriormente os sinais molecu lares de alarme também podem surgir a partir da própria planta quer a partir de danos causados por microrganis mos ou como resultado de danos causados pela mastiga ção de insetos Tais sinais derivados de plantas são coleti vamente chamados de DAMPs ver Figura 2327 A sistemina como discutido anteriormente é um exem plo de DAMP derivado de planta encontrado no tomateiro a qual é produzida em resposta à lesão associada à herbivoria Entre os MAMPs mais bem estudados estão o Pep13 um peptídeo de 13 aminoácidos da transglutaminase localizada na parede celular do oomiceto Phytophthora o agente causa dor da requeima da batata na Irlanda o flg22 um peptídeo de 22 aminoácidos derivado da proteína flagelina bacteriana e o elf18 um fragmento de 18 aminoácidos do fator de alon gamento Tu bacteriano Como essas moléculas são comuns em muitas espécies entre os grupos de microrganismos seu reconhecimento permite à planta perceber classes inteiras de organismos potencialmente patogênicos como bactérias grampositivas versus gramnegativas A percepção de MAMPs ou DAMPs por PRRs da su perfície celular inicia uma resposta de defesa basal e loca lizada denominada imunidade desencadeada por MAMP que inibe o crescimento e a atividade de patógenos ou pregas não adaptados Como exemplo o controle sobre a abertura estomática um local comum para a invasão pelo patógeno atua como a primeira linha de defesa contra essa invasão Quando uma folha de Arabidopsis é expos ta a bactérias na superfície foliar ou ao MAMP flg22 a abertura estomática diminui retardando assim a invasão pelo patógeno Como discutido no Capítulo 10 a abertura estomática é facilitada pelos canais de entrada de K das célulasguarda que fazem a absorção de K O MAMP flg22 parece induzir o fechamento parcial do estômato mediante inibição da absorção de K pelas célulasguarda A resposta eliciada por flg22 é dependente da presença de receptor do tipo quinase com LRR FLS2 bem como de uma proteína G heterotrimérica HO O OH CO H3C CH2 COOH OCH3 H H H H HO HO OH OH O O O O O O O Toxina HC Ácido giberélico GA3 Fusicoccina O O O O H H H N H H H3C CH3 O O N N N Figura 2326 Moléculas efetoras produzidas por patógenos au xiliam a invasão das células Alguns patógenos produzem moléculas efetoras específicas que alteram significativamente a fisiologia da planta A toxina HC um peptídeo cíclico atua na enzima histona desacetilase no núcleo e compromete a expressão de genes envol vidos na defesa A fusicoccina ligase às HATPases da membrana plasmática principalmente àquelas nos estômatos e as ativa irrever sivelmente As giberelinas produzidas pelo fungo Gibberella fujiku roi aceleram o crescimento resultando em plantas maiores quando comparadas às não infestadas As giberelinas produzidas pelo fungo são idênticas àquelas produzidas de forma endógena pela planta Taiz23indd 717 Taiz23indd 717 27102016 105534 27102016 105534 718 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Genes R fornecem resistência a patógenos particulares pelo reconhecimento de efetores linhagemespecíficos Os organismos patogênicos microbianos bem adaptados são capazes de subverter a imunidade desencadeada por MAMP mediante introdução de uma grande diversidade de efetores diretamente no citoplasma da célula hospedei ra Por exemplo as bactérias gramnegativas patogênicas com um sistema de secreção do Tipo III desenvolveram uma estrutura em forma de seringa chamada injectis soma que atravessa as membranas interna e externa da bactéria e contém uma projeção extracelular semelhante a uma agulha Os fungos e oomicetos desenvolveram ou tros métodos para transportar efetores diretamente para dentro das células vegetais Uma vez dentro das células esses efetores não podem mais ser detectados por PRRs da membrana e sem um sistema de segurança a planta ficaria desprotegida contra o ataque Membrana plasmática Bactérias Microrganismos prototípicos Fitopatógenos especializados Fungos Oomicetos Parede celular Citoplasma PRRs como detectores de superfície RLKs RLPs RLKs RLPs RLKs RLPs Proteínas R p ex NBSLRRs Enzimas de degradação da parede celular Patógenos obtenção de novos efetores e funções de virulência Hospedeiros obtenção de novos PRRs e proteínas R Perigo Perigo Perigo Resposta de defesa Detecção de efetores ou DAMPs causados por eles por proteínas R Perigo MAMPs DAMPs Efetores extracelulares Efetores intracelulares Imunidade desencadeada por MAMP Imunidade desencadeada por efetores Figura 2327 As plantas desenvolveram respostas de defesa a uma diversidade de sinais de perigo de origem biótica Esses si nais incluem padrões moleculares associados a microrganismos MAMPs padrões moleculares associados a dano DAMPs e efeto res MAMPs extracelulares produzidos por microrganismos e DAMPs liberados por enzimas microbianas se ligam a receptores de reco nhecimento de padrões PRRs na superfície celular À medida que as plantas coevoluíram com os patógenos estes adquiriram efetores como fatores de virulência e as plantas desenvolveram novos PRRs para perceber efetores extracelulares e novas proteínas de resistên cia R para perceber efetores intracelulares Quando MAMPs DAMPs e efetores se ligam aos PRRs e às proteínas R dois tipos de respos tas de defesa são induzidos imunidade desencadeada por MAMP e imunidade desencadeada por efetores RLK receptor do tipo qui nase RLP proteína do tipo receptor NBSLRR sítio de ligação ao nucleotídeorepetições ricas em leucina De Boller e Felix 2009 Taiz23indd 718 Taiz23indd 718 27102016 105534 27102016 105534 Capítulo 23 Interações Bióticas 719 Essa inovação microbiana colocou as plantas sob enorme pressão evolutiva Por exemplo a toxina bac teriana coronatina produzida por várias cepas pato gênicas de Pseudomonas syringae reverte os efeitos inibidores do flg22 na absorção de K e na abertura estomática As plantas por sua vez desenvolveram uma segunda linha de defesa com base em uma clas se de genes de resistência R especializados que reconhecem esses efetores intracelulares e desenca deiam respostas de defesa para tornálos inofensivos Como consequência as plantas possuem um segun do tipo de imunidade denominada imunidade de sencadeada por efetores mediada por um grupo de receptores intracelulares altamente específicos Há vários tipos de produtos de genes R com base no arranjo de seus domínios funcionais Destes o grupo mais abundante é o de receptores com domí nios de sítio de ligação ao nucleotídeorepetição rica em leucina NBSLRR nucleotide binding site leucine rich repeat Um subgrupo de receptores NBS LRR transita entre o citoplasma e o núcleo onde os receptores regulam a expressão gênica enquanto os outros estão presos à membrana plasmática onde podem rapidamente encontrar um efetor e desencadear as rotas de transdução de sinal Alguns NBSLRRs se tornam ativados por ligação direta a um efetor do patógeno mas a maioria dos NBS LRRs reconhece e ligase a proteínas de plantas que são os alvos dos efetores de patógenos De acordo com a hipó teseguarda os produtos dos genes R guardam proteí nas celulares chamadas de guardee Figura 2328 A inte ração entre as proteínas guardee e os efetores do patógeno é necessária para o sucesso da infecção pelo patógeno O receptor NBSLRR permanece inativo enquanto estiver ligado à proteína guardee Entretanto quando o efetor in terage com a proteína guardee alterando sua conformação ou modificandoa quimicamente o receptor NBSLRR é ativado desencadeando a cascata de sinalização que leva à resposta de defesa A exposição aos eliciadores induz uma cascata de transdução de sinais Poucos minutos após os eliciadores efetores ou MAMPs terem sido reconhecidos por um produto dos genes R ou por um PRR rotas complexas de sinalização são ativadas e finalmente levam às respostas de defesa ver Figura 2327 Um elemento inicial comum dessas cascatas é uma mu dança transitória na permeabilidade iônica da membrana plasmática A ativação do produto do gene R estimula a entrada dos íons Ca2 e H na célula e a saída de K e Cl No passado os genes de efetores microbianos foram erroneamente denominados genes de avirulência avr com base na observa ção de que eles tornavam o patógeno avirulento devido à sua função não intencional de ativar a imunidade desencadeada por efetor enquanto esses genes codificavam efetores de virulência A entrada de Ca2 na célula ativa a explosão oxidativa que pode atuar diretamente na defesa conforme descrito an teriormente bem como induzir outras reações de defesa Ainda outros componentes das rotas de transdução de sinal estimulados por patógenos incluem óxido nítrico MAPquinases proteínas quinase dependentes de cálcio e os ácidos jasmônico e salicílico Os efetores liberados por insetos sugadores também ativam os receptores NBSLRR Evidências em várias espécies como arroz melão e toma teiro sugerem que os genes de resistência reconhecem os efetores liberados por insetos sugadores e ativam as defe sas apropriadas Por exemplo o gene R Mi1 no tomateiro confere resistência a afídeos e moscasbrancas o gene R Bph14 em arroz confere resistência ao gafanhotocasta nho e o gene R Vat no melão está relacionado à resistência contra o afídeo do algodoeiro Todos esses genes R codifi cam receptores NBSLRR Até o momento várias proteínas da saliva de afí deos foram identificadas e compartilham características funcionais com os efetores dos fitopatógenos incluindo Mp10 e Mp42 no afídeo Myzus persicae A superexpres são dessas duas proteínas juntas no tabaco Nicotiana benthamiana reduziu a fecundidade de afídeos que se alimentam das plantas transgênicas Curiosamente a superexpressão de Mp10 ativou tanto a rota de sinaliza ção por ácido jasmônico quanto a de ácido salicílico no tabaco e conferiu resistência parcial ao oomiceto patogê nico Phytophthora capsici Portanto Mp10 e Mp42 pare cem ser efetores que desencadeiam respostas de defesa tanto contra afídeos quanto contra patógenos embora as proteínas sejam produzidas somente por afídeos Domínio LRR Iniciação do sinal Efetor Receptor NBSLRR inativo Receptor NBSLRR ativado Domínio NBS Domínio Nterminal Guardee Figura 2328 Hipótese de guarda para a sinalização do gene R durante a defesa vegetal contra patógenos Receptores solúveis do sítio de ligação ao nucleotídeorepetição rica em leucina NBSLRR ligamse a proteínas celulares e as usam como guardees O receptor NBSLRR é inativo desde que esteja ligado a seu guardee Quando os efetores introduzidos no citoplasma por patógenos se ligam ao guardee este se dissocia do receptor desencadeando a resposta de defesa Taiz23indd 719 Taiz23indd 719 27102016 105534 27102016 105534 720 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento A resposta de hipersensibilidade é uma defesa comum contra patógenos Um fenótipo fisiológico comum associado à imunidade desencadeada por efetores é a resposta de hipersensibi lidade na qual as células adjacentes ao local de infecção morrem rapidamente privando o patógeno de nutrientes e impedindo sua propagação Se a resposta de hipersensibi lidade tiver sucesso uma pequena região do tecido morto permanece no local do ataque do patógeno mas o restante da planta não é afetado Esse tipo de resposta é muitas vezes precedido pela produção de espécies reativas de oxigênio e óxido nítrico NO As células vizinhas do local de infecção sintetizam uma diversidade de compostos tóxicos formados pela re dução do oxigênio molecular incluindo o ânion superó xido O2 o peróxido de hidrogênio H2O2 e o radical hidroxila OH Acreditase que uma oxidase NADPH dependente localizada na membrana plasmática Figura 2329 produza O2 o qual é convertido em OH e H2O2 O radical hidroxila é o oxidante mais forte dessas es pécies reativas de oxigênio e pode iniciar reações de radi cais em cadeia com várias moléculas orgânicas levando à peroxidação lipídica à inativação de enzimas e à degra dação de ácidos nucleicos As espécies reativas de oxigê nio podem contribuir para a morte celular como parte da resposta de hipersensibilidade ou atuar diretamente na morte do patógeno Um rápido pico na produção de NO acompanha a explosão oxidativa nas folhas infectadas O NO que atua como mensageiro secundário em muitas rotas de sinaliza ção em animais e plantas ver Capítulo 15 é sintetizado a partir do aminoácido arginina pela enzima óxido nítri co sintase NOsintase Um aumento na concentração de cálcio citosólico parece ser necessário para a ativação da NOsintase durante a resposta de hipersensibilidade O aumento tanto de NO quanto de espécies reativas de oxigênio é essencial para a ativação da resposta de hiper sensibilidade o aumento de somente um desses sinais tem pouco efeito na indução da morte celular Muitas espécies reagem à invasão por fungos ou bac térias sintetizando lignina ou calose Acreditase que es ses polímeros sirvam como barreiras separando tais pa tógenos do resto da planta bloqueando fisicamente sua propagação Uma resposta relacionada é a modificação das proteínas da parede celular Algumas proteínas da pa rede ricas em prolina formam ligações cruzadas após o ataque do patógeno em uma reação de oxidação mediada por H2O2 ver Figura 2329 Esse processo fortalece as pa redes celulares das células próximas ao local da infecção aumentando sua resistência à digestão microbiana Outra resposta de defesa à infecção é a formação de en zimas hidrolíticas que atacam a parede celular do patógeno Várias glucanases quitinases e outras hidrolases são induzi das pela invasão fúngica A quitina um polímero de resíduos de Nacetilglicosamina é o principal componente da parede celular dos fungos Essas enzimas hidrolíticas pertencem ao grupo de peptídeos antimicrobianos que com frequência são induzidos durante a infecção por patógenos Receptor Membrana plasmática Óxido nítrico sintase Óxido nítrico NO Arginina Parede celular Exterior da célula Citoplasma Biossíntese de ácido salicílico Resposta de hipersensibilidade Biossíntese de fitoalexinas Biossíntese de lignina Biossíntese de enzimas hidrolíticas Patógeno Eliciador NADPH oxidase O2 Espécies reativas de oxigênio O2 H2O2 Resistência sistêmica adquirida H2O2 Ca2 Ca2 CaMCa2 Calmodulina CaM AtSR1 Ca2 Ca2Ca2 Figura 2329 Muitos tipos de defesas contra patógenos são in duzidos pela infecção Os fragmentos de moléculas dos patógenos denominados eliciadores iniciam uma complexa rota de sinaliza ção que leva à ativação das respostas de defesa Um aumento brus co na atividade oxidativa e na produção de óxido nítrico estimula a resposta de hipersensibilidade e outros mecanismos de defesa Observase que Ca2 é necessário para a ativação de algumas defe sas enquanto também é um regulador negativo da biossíntese do ácido salicílico ver texto para detalhes Taiz23indd 720 Taiz23indd 720 27102016 105534 27102016 105534 Capítulo 23 Interações Bióticas 721 Fitoalexinas com atividade antimicrobiana se acumulam após o ataque do patógeno As fitoalexinas constituem um grupo de metabólitos secundários quimicamente diversos com forte atividade antimicrobiana e que se acumulam em torno do local de infecção A produção de fitoalexinas parece ser um me canismo comum de resistência a microrganismos pato gênicos em uma ampla gama de plantas Entretanto di ferentes famílias botânicas empregam distintos produtos secundários como fitoalexinas Por exemplo os isoflavo noides são fitoalexinas comuns em leguminosas como a alfafa e a soja enquanto em solanáceas como batata tabaco e tomateiro vários sesquiterpenos são produzidos como fitoalexinas Figura 2330 Para uma discussão sobre a biossíntese desses compostos ver Apêndice 4 na internet As fitoalexinas em geral são indetectáveis na planta antes da infecção mas são sintetizadas rapidamente após o ataque microbiano O ponto de controle é geralmente a expressão de genes que codificam enzimas de biossínte se de fitoalexinas As plantas não parecem armazenar um pouco da maquinaria enzimática necessária para a síntese desses compostos Em vez disso logo após a invasão mi crobiana ocorre o início da transcrição e da tradução dos mRNAs adequados e a síntese de novo das enzimas Embora em bioensaios as fitoalexinas acumulemse em concentrações tóxicas aos patógenos o significado desses compostos para a defesa da planta intacta não é completamente compreendido Experimentos com plan tas e patógenos modificados geneticamente têm forne cido as primeiras evidências da função das fitoalexinas in vivo Por exemplo as plantas de tabaco transformadas com um gene que codifica a enzima responsável pela biossíntese do resveratrol um fenilpropanoide com ati vidade de fitoalexina tornaramse mais resistentes a fungos do que as plantas não transformadas De forma similar a resistência de Arabidopsis a fungos depende de camalexina uma fitoalexina derivada do triptofano pois mutantes deficientes em camalexina foram mais suscetí veis a fungos patogênicos que o tipo selvagem Em outros experimentos os patógenos transformados com genes codificadores de enzimas de degradação de fitoalexinas foram capazes de infectar plantas normalmente resisten tes a eles Um único contato com o patógeno pode aumentar a resistência aos ataques futuros Além de desencadearem respostas de defesa localmen te agentes patogênicos microbianos também induzem a produção de sinais como ácido salicílico metilsalicilato e outros compostos que levam à expressão sistêmica dos ge nes relacionados à patogênese PR pathogenesisrelated antimicrobianos Os genes PR compreendem uma pe quena família multigênica que codifica para proteínas de baixo peso molecular 643 kD compostas por um grupo diverso de enzimas hidrolíticas enzimas de modificação de parede celular agentes antifúngicos e componentes de rotas de sinalização As proteínas PR estão localiza das nos vacúolos ou no apoplasto e são abundantes nas folhas onde mais presumivelmente conferem proteção contra infecções secundárias Esse fenômeno pelo qual o desafio local do patógeno aumenta a resistência à infec ção secundária é denominado resistência sistêmica ad quirida SAR e em geral se desenvolve após o período de vários dias A SAR parece resultar no aumento dos níveis de certos compostos de defesa já mencionados incluindo quitinases e outras enzimas hidrolíticas Embora o mecanismo de indução da SAR ainda seja desconhecido um dos sinais endógenos é o áci do salicílico O nível desse derivado do ácido benzoico aumenta drasticamente na região de infecção após o ataque inicial e acreditase que estabeleça a SAR em outras partes da planta No entanto experimentos de enxertia em tabaco mostraram que portaenxertos infectados e defi cientes em ácido salicílico poderiam desencadear SAR em enxertos do tipo selvagem Esses resul tados indicam que o ácido salicílico não é nem o desencadeador inicial no local da infecção nem o sinal móvel que induz a SAR em toda a planta Embora o ácido salicílico livre não desencadeie a resposta da SAR há evidências de que o me tilsalicilato possa ser o sinal móvel para a SAR Experimentos em tabaco nos quais a metilação do ácido salicílico foi bloqueada na folha infecta da ou a desmetilação do metilsalicilato foi inibi O HO O OCH3 OH O CH3 H3C O O OH HO HO CH3 CH3 CH2 OH HO CH3 CH3 CH3 CH2 Medicarpina da alfafa Isoflavonoides de leguminosas família da ervilha Gliceolina da soja Risitina da batata e do tomateiro Sesquiterpenos de Solanaceae família da batata Capsidiol da pimenta e do tabaco Anel adicional formado por uma unidade C5 a partir da rota dos terpenos Figura 2330 Estrutura de algumas fitoalexinas en contradas em duas famílias diferentes de plantas Taiz23indd 721 Taiz23indd 721 27102016 105534 27102016 105534 722 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento da na folha sistêmica evitaram de modo eficaz a resposta da SAR Embora seja volátil o metilsalicilato parece ser transportado pelo sistema vascular em tabaco As medidas da taxa de transmissão da SAR desde o sítio de ataque ao restante da planta indica que o movi mento é bastante rápido 3 cmh para ocorrer por difusão simples e apoia a hipótese de que o sinal móvel deve ser transportado pelo sistema vascular A maioria das evidên cias aponta para o floema como principal rota de trans locação do sinal da SAR Em Arabidopsis as mutações no gene DIR1 Defectivo na Resistência Induzida 1 Defective in induced Resistance 1 bloqueiam a resposta de SAR O gene DIR1 é expresso especificamente no floema e codi fica a síntese de uma proteína de transferência de lipídeo sugerindo que o sinal de longa distância pode envolver esse tipo de molécula Nos últimos anos vários outros compostos de sina lização que estão potencialmente envolvidos na media ção do sinal da SAR foram identificados em plantas Por exemplo o ácido azelaico um ácido dicarboxílico de nove carbonos cuja rota biossintética é pouco compreendida mostrou ter uma função essencial na translocação do sinal da SAR Foi demonstrado que o diterpeno desidroabieti nal se transloca rapidamente a partir do sítio da infecção por toda a planta e ativa a SAR Da mesma forma o glice rol3fosfato que é sintetizado no plastídio também tem sido implicado na sinalização da SAR de longa distância Embora não esteja claro se e como esses diversos sinais interagem parece que todos são necessários para induzir a intensidade efetiva da SAR após infecções de patogénos NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR3 Proteassomo Citosol Núcleo Redução Não infectado Sem AS Sítio da infecção primária AS alto Sítio distal AS moderado Transcrição Oxidação NPR1 NPR4 Cul3 Ubiquitina NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR4 NPR4 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR3 NPR3 Cul3 AS AS AS AS AS AS AS TF Genes PR Infecção primária Morte celular programada resposta de hipersensibilidade Sítio distal Expressão de proteínas PR resistência à infecção secundária PR1 PR5 PR2 PR1 PR5 PR2 Figura 2331 Sinalização de SAR durante a resposta a agentes patogênicos A infecção bacteriana pode induzir a imunidade de sencadeada por efetor ETI effectortriggered immunity e local mente a resposta de hipersensibilidade bem como o aumento nos níveis de ácido salicílico AS O acúmulo de AS leva à oscilação do estado redox da célula o que libera monômeros de NPR1 a partir dos oligômeros do citosol Os monômeros NPR1 são então rapi damente translocados para o núcleo Uma concentração alta de AS no núcleo promove a associação de NPR1 com NPR3 o que leva à degradação da NPR1 pela rota ubiquitinaproteassomo A ausência de NPR1 permite a ocorrência de ETI e MCP A concentração de AS nas células vizinhas é mais baixa A degradação da NPR1 pela ligação com NPR3 não ocorre e NPR1 acumulase NPR1 interage com os fatores de transcrição TFs transcription factors e ativa a expressão de genes envolvidos na defesa contra infecções secun dárias Ub ubiquitina Cul3 Cullin 3 uma proteína que atua como suporte para as E3 ligases Taiz23indd 722 Taiz23indd 722 27102016 105534 27102016 105534 Capítulo 23 Interações Bióticas 723 Os principais componentes da rota de sinalização do ácido salicílico na SAR foram identificados Visando identificar os componentes da rota de sinaliza ção do ácido salicílico durante a SAR triagens genéticas foram realizadas para procurar mutantes insensíveis ao ácido salicílico incapazes de sintetizar proteínas PR em resposta a esse hormônio Múltiplas triagens identifica ram um único locus gênico o NPR1 nonexpressor of PR genes 1 Posteriormente dois parálogos genes relacio nados derivados de duplicação gênica do NPR1 foram descobertos NPR3 e NPR4 Embora a proteína NPR1 não se ligue ao ácido salicílico NPR3 e NPR4 o fazem sugerindo que elas podem atuar como receptores desse ácido Estruturalmente as três proteínas assemelhamse às proteínas adaptadoras para a rota da ubiquitina E3 li gase Cullin 3 sugerindo que à semelhança da auxina da giberelina e dos receptores de AJ elas estão envolvi das na degradação da proteínaalvo por meio da via da ubiquitinaproteassomo A Figura 2331 ilustra um modelo para a regulação do ácido salicílico tanto na resposta de hipersensibili dade quanto na imunidade desencadeada por efetor no sítio da infecção primária e SAR em tecidos distais De acordo com o modelo a função de NPR1 é ativar genes de resposta ao ácido salicílico envolvidos na defesa tal vez ao promover a degradação de proteínas repressoras NPR1 existe em uma forma oligomérica e uma forma monomérica As condições oxidantes promovem a for mação de oligômeros no citoplasma enquanto as con dições redutoras favorecem a formação de monômeros que rapidamente entram no núcleo Antes da infecção há pouco ou nenhum ácido salicílico na célula Sob es sas condições NPR1 associase a NPR4 e é rapidamente degradada pela rota do proteassomo 26S Isso impede que as respostas de defesa sejam ativadas desnecessa riamente Após a infecção a concentração intracelular de ácido salicílico aumenta pronunciadamente O ácido salicílico ligase à NPR3 o que facilita a reciclagem de NPR1 via ubiquitinação A rápida destruição de NPR1 impede que as células no local da infecção ativem genes de defesa resultando na morte celular resposta de hi persensibilidade Por outro lado a concentração de ácido salicílico é muito mais baixa em tecidos distais demasiado baixa para se ligar à NPR3 mas suficientemente elevada para se ligar à NPR4 e impedila de interagir com NPR1 Sob essas condições a NPR1 acumulase e ativa a reprogra mação transcricional expressiva envolvida na resposta de SAR Proteínas associadas ao sistema de endomembra nas também são reguladas para cima permitindo que as proteínas PR recémsintetizadas sejam secretadas para o apoplasto Ao mesmo tempo as alterações epigenéticas na estrutura da cromatina contribuem para a síndrome geral de SAR As interações de plantas com bactérias não patogênicas podem desencadear resistência sistêmica por um processo denominado resistência sistêmica induzida ISR Ao contrário da SAR que ocorre como consequência da in fecção por um patógeno a resistência sistêmica induzida ISR é ativada por microrganismos não patogênicos Figura 2332 A ISR mediada por rizobactéria é uma resposta de resistência de amplo espectro ativada por cepas seleciona das de bactérias saprofíticas da rizosfera As rizobactérias benéficas desencadeiam ISR preparando a planta para uma potencial ativação de várias respostas de defesas celulares que são subsequentemente induzidas mediante o ataque do patógeno As respostas potencializadas são a explosão oxi dativa o reforço da parede celular o acúmulo de enzimas re lacionadas à defesa e o acúmulo de metabólitos secundários A primeira evidência de que a potencialização das res postas de defesa vegetais está envolvida na ISR veio de ex Preparação aumentada Planta infectada Bactérias AJ AJ AJ AJ E E E E A geração de um sinal móvel no floema resulta em altos níveis de ácido jasmônico e etileno Ácido jasmônico AJ Etileno E Interação com microrganismos não patogênicos O COOH H H H H Figura 2332 A exposição a microrganismos não patogênicos pode aumentar a resistência ao ataque futuro de patógenos me diante desenvolvimento de resistência sistêmica induzida ISR Os microrganismos não patogênicos como as rizobactérias ativam as rotas de sinalização envolvendo ácido jasmônico e etileno que de sencadeiam a ISR por toda a planta Mais do que ativar medidas de defesa intermediária a ISR é caracterizada pelo nível aumentado de preparação contra o ataque do patógeno Taiz23indd 723 Taiz23indd 723 27102016 105535 27102016 105535 724 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento perimentos com cravo Dianthus caryophyllus Indivíduos de cravo desenvolveram um aumento da capacidade de defesa contra o fungo de raiz Fusarium oxysporum após a colonização das raízes com a bactéria não patogênica Pseu domonas fluorescens Antes da inoculação do desafio não foi detectado aumento dos níveis de fitoalexina nas plantas induzidas e não induzidas No entanto após a inoculação subsequente com F oxysporum os níveis de fitoalexinas nas plantas com expressão ISR ou seja aquelas que tiveram exposição prévia a P fluorescens aumentaram significati vamente mais rápido do que nas plantas não induzidas Evidência da potenciação induzida pela rizobactéria no reforço da parede celular do hospedeiro foi igualmen te descrita No feijoeiro Phaseolus vulgaris uma cepa não patogênica de Bacillus pumilus induziu ISR contra F oxys porum Por si só a colonização das raízes pela rizobactéria não induziu alterações morfológicas nos seus tecidos No entanto após o desafio com F oxysporum nos locais de tentativa de penetração do fungo as paredes celulares da raiz de plantas expressando ISR foram rapidamente refor çadas por grandes quantidades de calose e compostos fe nólicos impedindo assim a entrada do fungo Os rizóbios fixadores de nitrogênio também podem influenciar as interações plantaherbívoro por seus efeitos sobre os voláteis de plantas Estudos utilizando feijãofava P lunatus mostraram que a presença de nódulos na raiz induzidos por Rhizobium alterou a composição das subs tâncias voláteis produzidas pela planta em resposta à jo aninhamexicanadofeijão Epilachna varivestis Plantas colonizadas por rizóbios fixadores de nitrogênio liberaram maiores quantidades de compostos indólicos em resposta ao ácido jasmônico do que fizeram na ausência do rizóbio Essa mudança de voláteis afetou o comportamento de be souros que preferiam as plantas não colonizadas em rela ção às colonizadas Defesas vegetais contra outros organismos Enquanto os insetos herbívoros e os microrganismos pato gênicos representam a maior ameaça para plantas outros organismos incluindo nematódeos e plantas parasitas também podem causar danos significativos Todavia re lativamente pouco se sabe sobre os fatores que regulam as interações de nematódeos e plantas parasitas com seus respectivos hospedeiros Há no entanto evidência emer gente de que os metabólitos secundários desempenham um papel importante nesse processo Alguns nematódeos parasitas de plantas formam associações específicas através da formação de estruturas de forrageio distintas Nematódeos vermes cilíndricos e alongados são habitantes de água e solo que muitas vezes superam numericamente todos os outros animais em seus respectivos ambientes Muitos nematódeos existem como parasitas dependen tes de outros organismos vivos incluindo plantas para completar seu ciclo de vida Eles podem causar perdas se veras de culturas agrícolas e de plantas ornamentais Os nematódeos fitoparasitas podem infectar todas as partes do vegetal das raízes às folhas e podem inclusive viver na casca de árvores Esses organismos alimentamse por um estilete oco que facilmente penetra as paredes das cé lulas vegetais No solo os nematódeos podem se mover de planta a planta causando danos imensos Sem dúvida os mais bem estudados entre os nematódeos fitoparasitas são os nematódeos encistados e os que causam a for mação de nodosidade nas raízes infectadas os chamados nematódeos de nodosidade Ambos são endoparasitas que dependem de plantas vivas como hospedeiros para completar seus ciclos de vida sendo por isso caracteri zados como biotróficos Os ciclos de vida dos nematódeos parasitas iniciam quando os ovos dormentes reconhecem compostos específicos secretados pela raiz Figura 2333 Uma vez eclodidos os nematódeos jovens nadam até a raiz penetram essa estrutura e então migram para o sis tema vascular onde começam a consumir suas células No local de forrageio permanente em geral no córtex da raiz a larva de nematódeo de cisto perfura uma célula com seu estilete e injeta saliva Como resultado as paredes celulares se decompõem e as células vizinhas são incorpo radas em um sincício ver Figura 2333A que consiste em um grande local de forrageio metabolicamente ativo que se torna multinucleado à medida que as células vegetais adjacentes são incorporadas a ele por dissolução da parede e fusão celular O sincício continua a se expandir centri petamente em direção ao sistema vascular incorporando células do periciclo e do parênquima xilemático As pare des externas do sincício adjacentes aos elementos condu tores formam protuberâncias semelhantes às de células de transferência ver Capítulo 11 indicando que o sincício agora funciona como um dreno de nutrientes O nematódeo de cisto depois de estabelecerse nessa estrutura de forrageio cresce e passa por três estágios de muda para se tornar um vermiforme adulto Na maturida de a fêmea produz ovos internamente intumesce e projeta se da superfície da raiz Os nematódeos machos maduros são liberados da raiz no solo e atraídos por feromônios até as fêmeas na superfície da raiz Após a fecundação a fêmea morre formando um cisto que contém os ovos fecundados As raízes infectadas por nematódeos de nodosidade formam grandes células resultando no estabelecimento da nodosidade ou nódulo que também permanece em es treito contato com o sistema vascular e fornece nutrientes ao animal ver Figura 2333B Como mencionado anteriormente os nematódeos fito parasitas segregam um grande número de moléculas efe toras que afetam a morfologia e a fisiologia da planta Entre essas moléculas efetoras estão algumas que são especifi camente reconhecidas pelas plantas e ativam respostas de defesa pelo reconhecimento de produtos de genes R como descrito para as interações plantapatógeno Por exemplo Taiz23indd 724 Taiz23indd 724 27102016 105535 27102016 105535 Capítulo 23 Interações Bióticas 725 o gene R H1 da batata ligase especificamente a derivados de eliciadores de nematódeos das cepas que possuem um gene efetor correspondente e assim ativa a resposta de defesa Vários desses ge nes R vegetais foram identificados e curiosamen te todos também têm participação na resistência das plantas aos patógenos microbianos Plantas competem com outras plantas secretando metabólitos secundários alelopáticos no solo As plantas liberam compostos exsudatos da raiz em seu ambiente que alteram a química do solo aumentando assim a absorção de nutrientes ou protegendo contra a toxicidade de metais As plantas também secretam sinais químicos que são essenciais para mediar as interações entre as raí zes e as bactérias não patogênicas do solo incluin do bactérias simbiontes fixadoras de nitrogênio No entanto os microrganismos não são os únicos organismos influenciados por metabólitos secun dários liberados pelas raízes das plantas Alguns desses produtos químicos também participam na comunicação direta entre as plantas As plantas li beram metabólitos secundários no solo para inibir as raízes de outras plantas um fenômeno conhe cido como alelopatia O interesse em alelopatia tem aumentado nos últimos anos por causa do problema das espécies invasoras que se impõem às espécies nativas ocupando os hábitats naturais Um exemplo de vastador é a centáureamanchada Centaurea ma culosa uma erva invasora exótica introduzida na América do Norte que libera metabólitos secun dários fitotóxicos no solo Essa espécie membro da família Asteraceae é nativa da Europa onde não é dominante ou problemática No entanto no noroeste dos Estados Unidos ela tornouse uma das piores ervas invasoras infestando mais de Raiz Raiz A Nematódeos encistados Cilindro vascular Sincício Fêmea adulta Fêmea adulta Cisto Ovo Ovos Infectantes jovens Infectantes jovens Nodosidades da raiz Nodosidade da raiz Massa de ovos B Nematódeos de nodosidade Massa de ovos Figura 2333 Os nematódeos podem causar danos significativos às plantas A maioria dos nematódeos pato gênicos ataca as raízes vegetais De vida livre os nemató deos jovens são atraídos pelas secreções das raízes Após a penetração o nematódeo começa a se alimentar em célu las dos tecidos vasculares A Nematódeos encistados cau sam a formação de uma estrutura de forrageio sincício no sistema vascular mas não causam outras modificações morfológicas Após a fecundação a fêmea do nematódeo de cisto morre formando assim um cisto contendo os ovos fecundados dos quais a nova geração de infectantes eclode B A infecção por nematódeos causa a formação de células gigantes que resultam na típica nodosidade da raiz Após a maturação a fêmea do nematódeo libera uma massa de ovos da qual os infectantes jovens eclodem e causam infestações em outras plantas Taiz23indd 725 Taiz23indd 725 27102016 105535 27102016 105535 726 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento 18 milhão de ha somente em Montana Os indivíduos de C maculosa frequentemente colonizam áreas alteradas na América do Norte mas também invadem pastagens natu rais e pradarias onde desalojam espécies nativas e estabe lecem monoculturas densas ver Ensaio 237 na internet Os metabólitos secundários fitotóxicos liberados no solo por C maculosa foram identificados como uma mistura racêmica de catequina a partir daqui denominada cate quina Figura 2334 O mecanismo pelo qual a catequina atua como uma fitotoxina foi elucidado Em espécies sen síveis como Arabidopsis a catequina desencadeia uma onda de espécies reativas de oxigênio EROs iniciada no meris tema da raiz que leva a uma cascata de sinalização por Ca2 desencadeando alterações na expressão gênica em nível de genoma Em Arabidopsis a catequina duplicou a expressão de cerca de 1000 genes em 1 hora de tratamento Em 12 ho ras muitos desses mesmos genes foram reprimidos o que pode refletirse no começo da morte celular Os experimen tos de laboratório que investigam os efeitos da catequina na germinação e no crescimento de plantas mostraram que as espécies nativas de pastagem norteamericanas variam consideravelmente em sua sensibilidade a esse metabólito As espécies resistentes podem produzir exsudatos de raízes que desintoxicam esse aleloquímico Algumas plantas são patógenos biotróficos de outras plantas Enquanto a maioria das plantas é autotrófica algumas evoluíram para parasitas dependendo de outras plantas para fornecimento de nutrientes essenciais ao seu próprio crescimento e desenvolvimento As plantas parasitas po dem ser divididas em dois grupos principais dependendo do grau de parasitismo As plantas hemiparasitas retêm a capacidade de executar algum nível de fotossíntese en quanto as holoparasitas são completamente dependentes de seus hospedeiros e perderam a capacidade de realizar fotossíntese Por exemplo o visco gênero Viscum que possui folhas verdes e é capaz de realizar a fotossíntese é um hemiparasita Figura 2335A e B Ao contrário a cus cuta gênero Cuscuta que perdeu a capacidade de fotos síntese e depende inteiramente do hospedeiro para açúca res é um holoparasita Figura 2335C e D A B C D HO OH OH OH OH O Catequina HO OH OH OH OH O Catequina Figura 2334 Compostos alelopáticos fitotóxicos produzidos por Centaurea maculosa Figura 2335 Plantas parasitas A Visco Viscum sp em prosópis gênero Prosopis B Claramente visível é o caule verde do visco que cresce através da casca da planta hospedeira C Cuscuta Cuscuta sp crescendo em um fragmento de verbenadeareia Abronia umbellata em dunas na costa do Pacífico na Ca lifórnia D Detalhe mostrando a alta densidade de infestação de cuscuta em sua planta hospedeira Fotografia J Engelberth Taiz23indd 726 Taiz23indd 726 27102016 105535 27102016 105535 Capítulo 23 Interações Bióticas 727 As plantas parasitas desenvolveram uma estrutura especializada o haustório que é uma raiz modificada Fi gura 2336 Depois de estabelecer contato com sua planta hospedeira o haustório penetra na epiderme ou casca e depois no parênquima para crescer em direção ao sistema vascular e absorver os nutrientes do hospedeiro Para che gar à planta hospedeira as sementes de plantas parasitas são diretamente depositadas por aves ou são dispersadas mais aleatoriamente pelo vento ou por outros meios Após a germinação as plântulas devem contar durante um pe ríodo com suas sementes como fonte de alimento até que possam encontrar um hospedeiro adequado Uma pesqui sa recente mostrou que quantidades baixas de voláteis de plantas espécieespecíficos podem servir como pistas para que plântulas de cuscuta orientam seu crescimento em direção ao hospedeiro Por outro lado no caso de parasi tas de raiz como Striga os compostos secretados pela raiz hospedeira orientam o crescimento das raízes das plântu las em direção ao hospedeiro Em contato com a raiz hos pedeira a raiz da plântula de Striga desenvolvese em um haustório A seguir este penetra na raiz do hospedeiro e cresce diretamente no xilema pelas pontoações dos vasos onde absorve os nutrientes necessários mediante estrutu ras protoplasmáticas tubulares sem parede celular Os mecanismos dessas interações entre plantas pa rasitas e seus hospedeiros têm sido estudados princi palmente em nível morfológico pouco se sabe sobre os mecanismos de sinalização envolvidos É claro que os metabólitos secretados ou emitidos como voláteis pela planta hospedeira fornecem indicações importantes para o parasita Contudo outros fatores como a luz também podem desempenhar um papel importante nesse proces so Da mesma forma pouco se sabe sobre os mecanismos de defesa da planta hospedeira É provável que as rotas de sinalização de defesa comuns incluindo o ácido jasmôni co o ácido salicílico e o etileno possam desempenhar um papel importante na defesa contra plantas parasitas mas é necessário mais investigação Sistema vascular da planta hospedeira Planta parasita Haustório Figura 2336 Micrografia de um haustório de cuscuta pene trando os tecidos da planta hospedeira RESUMO As plantas desenvolveram muitas estratégias para enfrentar as ameaças de pragas e patógenos As estratégias incluem mecanis mos de detecção sofisticados e a produção de metabólitos secun dários tóxicos e repelentes Enquanto algumas dessas respostas são constitutivas outras são induzidas No geral essas estratégias levaram a um impasse na corrida coevolutiva entre as plantas e suas pragas Interações benéficas entre plantas e microrganismos Bactérias simbióticas fixadoras de nitrogênio liberam fatores Nod os quais iniciam uma série de reações que levam à infec ção e à formação de nódulos Figuras 232 233 Fatores Myc são liberados por bactérias micorrízicas levando à formação de micorrizas Rizobactérias podem liberar metabólitos que auxiliam o cresci mento vegetal aumentando a disponibilidade de nutrientes e a proteção contra patógenos Figura 234 Interações nocivas entre plantas patógenos e herbívoros As barreiras mecânicas que fornecem uma primeira linha de de fesa contra insetos predadores e patógenos incluem espinhos acúleos tricomas e ráfides Figuras 235238 Os metabólitos secundários vegetais com funções de defesa são armazenados em estruturas especializadas que liberam seus conteúdos somente após serem danificadas Figuras 2310 2312 Alguns metabólitos secundários são armazenados no vacúolo como conjugados de açúcar hidrossolúveis e espacialmente se parados de suas enzimas ativadoras Figuras 23142316 Respostas de defesa induzidas contra insetos herbívoros Em vez de produzirem continuamente metabólitos secundários defensivos as plantas podem poupar energia produzindo com postos de defesa somente quando induzidas por danos mecâni cos ou componentes específicos da saliva do inseto eliciadores Figura 2317 Taiz23indd 727 Taiz23indd 727 27102016 105535 27102016 105535 728 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento O ácido jasmônico AJ aumenta rapidamente em resposta a danos causados por insetos e induz a transcrição de genes en volvidos na defesa vegetal Figuras 2318 2319 Os danos provocados por herbívoros podem induzir defesas sistêmicas ao causarem a síntese de sinais polipeptídicos Por exemplo a sistemina é liberada no apoplasto e se liga a re ceptores em tecidos intactos ativando a síntese de AJ Figu ra 2320 Na adição aos sinais polipeptídicos as plantas também podem disparar sinais elétricos para iniciar as respostas de defesa em tecidos que ainda não foram danificados Figura 2321 As plantas podem liberar compostos voláteis para atrair inimi gos naturais dos herbívoros ou para sinalizar às plantas vizinhas que iniciam mecanismos de defesa Figura 2322 Defesas vegetais contra patógenos Os patógenos podem invadir as plantas pelas paredes celulares mediante secreção de enzimas líticas pelas aberturas naturais como estômatos e lenticelas e pelas lesões Os insetos herbívo ros também podem ser vetores de patógenos Figura 2325 Os patógenos geralmente usam uma de três principais estraté gias de ataque necrotrofismo biotrofismo ou hemibiotrofismo Os patógenos muitas vezes produzem moléculas efetoras en zimas toxinas ou reguladores de crescimento que auxiliam na infecção inicial Figura 2326 Todas as plantas têm receptores de reconhecimento de pa drões PRRs que iniciam respostas de defesa quando ativados por padrões moleculares associados a microrganismos evo lutivamente conservados MAMPs p ex flagelos e quitina Figura 2327 Os genes de resistência de plantas R codificam receptores citosólicos que reconhecem produtos de genes efetores deri vados de patógenos no citosol A ligação de um produto do gene efetor a seu receptor inicia as rotas de sinalização contra patógenos Figura 2328 Outra defesa antipatógenos é a resposta de hipersensibilidade na qual as células que cercam o sítio infectado morrem rapida mente limitando desse modo a propagação da infecção A resposta de hipersensibilidade muitas vezes é precedida pela rápida produção de EROs e NO que podem matar diretamente o patógeno ou auxiliar na morte celular Figura 2329 Em resposta à infecção muitas plantas produzem fitoalexinas metabólitos secundários com forte atividade antimicrobiana Figura 2330 Uma planta que sobrevive à infecção local do patógeno fre quentemente desenvolve aumento da resistência ao ataque subsequente um fenômeno chamado de resistência sistêmica adquirida SAR Figura 2331 Interações com bactérias não patogênicas podem desencadear a resistência sistêmica induzida ISR Figura 2332 Defesas vegetais contra outros organismos Nematódeos vermes são parasitas que podem se mover en tre hospedeiros e que induzem a formação de estruturas de fottageiro e nodosidades de tecidos de plantas vasculares Em resposta as plantas usam rotas de sinalização de defesa semelhantes às utilizadas para a infecção por patógenos Fi gura 2333 Algumas plantas produzem metabólitos secundários alelo páticos que lhes permitem competir com espécies vegetais próximas Algumas plantas são parasitas de outras plantas Plantas parasi tas podem ser divididas em dois grupos principais hemiparasi tas e holoparasitas dependendo de sua capacidade de realizar fotossíntese Figura 2335 As plantas parasitas usam uma estrutura especializada o haus tório para penetrar seu hospedeiro crescer em direção ao sis tema vascular e absorver nutrientes Figura 2336 Algumas plantas parasitas detectam seu hospedeiro pelo perfil volátil específico que é constitutivamente liberado MATERIAL DA INTERNET Tópico 231 Cutina ceras e suberina As superfícies vegetais são cobertas com camadas de material lipídico que as prote gem contra dessecação e bloqueiam a entrada de microrganis mos patogênicos Ensaio 231 Desvendando a função dos metabólitos se cundários Plantas de fumo selvagem utilizam alcaloides e ter penos para se defenderem contra os herbívoros Ensaio 232 Eventos iniciais de sinalização nas respostas das plantas ao dano Uma rede complexa de sinalização que inclui espécies reativas de oxigênio e fluxo rápido de íons é rapidamente ativada em plantas danificadas Ensaio 233 As rotas de sinalização de jasmonatos e ou tros derivados de ácidos graxos nas respostas de defesa dos vegetais A importância das rotas de sinalização de deri vados de ácidos graxos como reguladores de diversas estraté gias de defesas vegetais tem sido cada vez mais reconhecida A complexidade de rotas individuais e suas mútuas interações são discutidas no contexto das estratégias de defesa direta e indireta Ensaio 234 Receptor de sistemina O receptor de sistemina do tomateiro é um receptor quinase com LRR Ensaio 235 O volatiloma vegetal A liberação de compos tos orgânicos voláteis pelas plantas fornece um exemplo da diversidade de metabólitos secundários e suas implicações eco lógicas Ensaio 236 Pressentindo o perigo e preparandose os sinais voláteis como agentes antecipadores da resposta Taiz23indd 728 Taiz23indd 728 27102016 105535 27102016 105535 Capítulo 23 Interações Bióticas 729 de defesa Pela liberação de voláteis as plantas danificadas por herbívoros não somente atraem os inimigos naturais do inseto herbívoro atacante como também sinalizam essa ocor rência às plantas vizinhas para preparar suas defesas contra a herbivoria iminente Ensaio 237 Metabólitos secundários e alelopatia em invasões de plantas um estudo de caso de Centaurea maculosa A espécie invasora Centaurea maculosa que rapi damente ocupa as pastagens do oeste dos Estados Unidos se creta o polifenol catequina na rizosfera Esse composto inibe o crescimento e a germinação das plantas próximas Leituras sugeridas Belkhadir Y Yang L Hetzel J Dangl J L and Chory J In press 2014 The growthdefense pivot Crisis management in plants mediated by LRRRK surface receptors Trends Biochem Sci DOI 101016jtibs201406006 Elzinga D A and Jander G 2013 The role of protein effectors in plantaphid interactions Curr Opin Plant Biol 16 451 456 DOI 101016jpbi201306018 Gleadow R M and Møller B L 2014 Cyanogenic glycosides Synthesis physiology and phenotypic plasticity Annu Rev Plant Biol 65 155185 DOI 101146annurev arplant050213040027 Holeski L M Jander G and Agrawal A A 2012 Transgenerational defense induction and epigenetic inheritance in plants Trends Ecol Evol 27 618626 DOI 101016jtree201207011 Jung S C MartinezMedina A LopezRaez J A and Pozo M J 2012 Mycorrhizainduced resistance and priming of plant defenses J Chem Ecol 38 651664 DOI 101007 s1088601201346 Kachroo A and Robin G P 2013 Systemic signaling during plant defense Curr Opin Plant Biol 16 527533 DOI 101016jpbi201306019 Kandoth P K and Mitchum M G 2013 War of the worms How plants fight underground attacks Curr Opin Plant Biol 16 457463 DOI 101016jpbi201307001 Kazan K and Lyons R 2014 Intervention of phytohormone pathways by pathogen effectors Plant Cell 26 22852309 Romeis T and Herde M 2014 From local to global CDPKs in systemic defense signaling upon microbial and herbivore attack Curr Opin Plant Biol 20 110 DOI 101016j pbi201403002 Selosse M A Bessis A and Pozo M J In press 2014 Microbial priming of plant and animal immunity Symbionts as developmental signals Trends Microbiol DOI 101016jtim201407003 Yan S and Dong X 2014 Perception of the plant immune signal salicylic acid Curr Opin Plant Biol 20 6468 DOI 101016jpbi201404006 Taiz23indd 729 Taiz23indd 729 27102016 105535 27102016 105535 Taiz23indd 730 Taiz23indd 730 27102016 105535 27102016 105535 Esta página foi deixada em branco intencionalmente 24 A s plantas crescem e se reproduzem em ambientes adversos que contêm uma multiplicidade de fatores abióticos não vivos quími cos e físicos que variam conforme o tempo e a localização geográfica Os parâmetros ambientais abióticos primários que afetam o crescimento vegetal são luz intensidade qualidade e duração água disponibilidade no solo e umidade dióxido de carbono oxigênio conteúdo e disponibilidade de nu trientes no solo temperatura e toxinas ie metais pesados e salinidade As flutuações desses fatores ambientais fora de seus limites normais em geral têm consequências bioquímicas e fisiológicas negativas para as plantas Por serem sésseis as plantas são incapazes de evitar o estresse abiótico simples mente pelo deslocamento para um ambiente mais favorável Como alterna tiva elas desenvolveram a capacidade de compensar as condições estressan tes mediante alteração dos processos fisiológicos e de desenvolvimento para manter o crescimento e a reprodução Neste capítulo é apresentada uma visão integrada de como as plantas se adaptam e respondem aos estresses abióticos no ambiente Como todos os organismos vivos as plantas são sistemas biológicos complexos abrangen do milhares de genes proteínas moléculas reguladoras agentes de sinaliza ção e compostos químicos diferentes que estabelecem centenas de rotas e redes interligadas Sob condições normais de crescimento as diferentes rotas bioquímicas e redes de sinalização devem atuar de uma maneira coordena da para equilibrar os aportes inputs ambientais com o imperativo genético da planta de crescer e se reproduzir Quando ela é exposta a condições am bientais desfavoráveis esse sistema interativo complexo ajustase homeos taticamente para minimizar os impactos negativos do estresse e manter o equilíbrio metabólico Figura 241 No início é estabelecida a distinção entre adaptação e aclimatação em relação ao estresse abiótico A seguir são descritos os diversos fatores abióticos no ambiente que podem afetar negativamente o crescimento e o desenvolvimento vegetal No restante do capítulo são estudados os meca nismos sensores de estresse na planta e os processos que transformam sinais sensoriais em respostas fisiológicas Por último são descritas as mudanças metabólicas fisiológicas e anatômicas específicas que resultam dessas rotas de sinalização e capacitam as plantas a se adaptarem ou se aclimatarem ao estresse abiótico Estresse Abiótico Taiz24indd 731 Taiz24indd 731 27102016 101107 27102016 101107 732 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Definição de estresse vegetal As condições ideais de crescimento para determinada planta podem ser definidas como as que permitem que ela alcance o crescimento máximo e o potencial reprodu tivo medidos pela massa pela altura e pelo número de sementes que em conjunto constituem a biomassa to tal da planta Estresse pode ser definido como qualquer condição ambiental que impeça a planta de alcançar seu potencial genético pleno Por exemplo um decréscimo na intensidade luminosa causaria uma redução na atividade fotossintética com uma diminuição concomitante no su primento de energia para a planta Sob essas condições a planta poderia compensar de duas maneiras diminuindo a velocidade da biossíntese reduzindo assim sua taxa de crescimento ou recorrendo às suas reservas alimentares armazenadas na forma de amido ver Figura 241 Do mesmo modo um decréscimo na disponibilidade de água também teria um efeito deletério no crescimento Uma maneira de compensar o decréscimo no potencial hí drico é pelo fechamento dos estômatos que reduz a perda de água por transpiração No entanto o fechamento es tomático também diminui a absorção de CO2 pela folha reduzindo assim a fotossíntese e reprimindo o cresci mento A Figura 242 apresenta um exemplo dos efeitos de dois tratamentos diferentes de seca moderada e severa no crescimento de indivíduos de arroz O arroz é capaz de tolerar seca moderada sem qualquer efeito mensurável no crescimento mas a seca severa inibe fortemente o cresci mento vegetativo O ajuste fisiológico ao estresse abiótico envolve conflitos tradeoffs entre os desenvolvimentos vegetativo e reprodutivo Como as mudanças nas condições ambientais afetam a produção de sementes Sob condições ideais de cres cimento a competição por recursos entre os diferentes órgãos vegetais ou fases de desenvolvimento é mínima A transição para o crescimento reprodutivo ocorre somen te após a fase adulta vegetativa completar seu programa de desenvolvimento determinado geneticamente ver Ca pítulo 20 Sob condições de estresse no entanto é possí vel que o programa de crescimento vegetativo termine de maneira prematura e a planta pode imediatamente come çar a fase reprodutiva Nesse caso a planta passa por uma transição ao florescimento à fecundação e à produção de sementes antes de alcançar seu tamanho pleno resultan do em um indivíduo menor ver Figura 242 Com menos folhas para fornecer os fotossintatos as plantas que cres cem em condições subótimas podem também produzir sementes menores e em menor quantidade A rota de desenvolvimento específica utilizada para maximizar o potencial reprodutivo sob estresse abiótico depende em grande parte do ciclo de vida da planta Por exemplo as plantas anuais completam seu ciclo de vida em Produção de energia Armaze namento Biossíntese e crescimento Reprodução Condições ambientais Transporte água íons e nutrientes Monitoração ambiental e resposta Programa de desenvolvimento Figura 241 Interações entre condições ambientais e os seguintes processos vegetais desenvolvimento crescimento produção de energia equilíbrio de íons e nutrientes e arma zenagem O equilíbrio entre esses processos é controlado pelo genoma vegetal caixa verde claro embaixo o qual codifica sensores e ro tas de transdução de sinal que fazem o monito ramento e o ajuste dos parâmetros ambientais Com base nos diferentes sinais de estresses ambientais o genoma vegetal pode portanto direcionar o fluxo de energia entre os diferen tes processos setas marrons para estabelecer um novo estado homeostático correspondente às condições específicas de estresse Taiz24indd 732 Taiz24indd 732 27102016 101108 27102016 101108 Capítulo 24 Estresse Abiótico 733 um único período do ano Portanto para elas é vantajo so ajustar seus programas de metabolismo e desenvolvi mento a fim de produzir o número máximo de sementes viáveis sob quaisquer que sejam as condições ambientais encontradas no período Por outro lado as plantas perenes que têm múltiplos períodos para produzir sementes ten dem a ajustar seus programas de metabolismo e desen volvimento para garantir a armazenagem ideal de recur sos alimentares que as capacita a sobreviver ao próximo período mesmo às expensas da produção de sementes Aclimatação e adaptação As plantas individuais respondem diretamente a mudan ças no ambiente alterando sua fisiologia ou morfologia para melhorar a sobrevivência e a reprodução Tais res postas não requerem novas modificações genéticas Se a resposta da planta melhora com a exposição repetida ao estresse ambiental então ela é chamada de aclimatação A aclimatação representa uma mudança não permanente na fisiologia ou morfologia do indivíduo podendo ser re vertida se as condições ambientais prevalentes se altera rem Os mecanismos epigenéticos que alteram a expressão de genes sem mudar o código genético de um organismo podem estender a duração das respostas de aclimatação e tornálas herdáveis Quando as mudanças genéticas em uma população vegetal inteira foram fixadas ao longo de muitas gerações por pressão ambiental seletiva elas são referidas como adaptação A adaptação ao estresse envolve modificação genética durante muitas gerações Um exemplo notável de adaptação a um ambiente abiótico extremo é o crescimento de plantas em solos serpenti nos Os solos serpentinos são caracterizados por umidade baixa concentrações baixas de macronutrientes e níveis elevados de metais pesados Essas condições resultariam em estresse ambiental severo para a maioria das plantas Contudo não é incomum encontrar populações de plantas geneticamente adaptadas a solos serpentinos crescendo não distante de plantas estritamente aparentadas e não adaptadas crescendo em solos normais Experimentos simples de transplante têm demonstrado que somente as populações adaptadas conseguem crescer e se reproduzir em solo serpentino e cruzamentos genéticos revelam a base genética estável dessa adaptação A evolução de mecanismos adaptativos vegetais a um conjunto especial de condições ambientais em geral envolve processos que permitem a evitação dos efeitos potencialmente danosos dessas condições Por exemplo populações do capimlanudo Holcus lanatus Poaceae que estão adaptadas a crescer em locais de mineração conta minados com arsênico no sudoeste da Inglaterra contêm uma modificação genética específica que reduz a absorção de arseniato isso permite que as plantas evitem a toxicida de do arsênico e se desenvolvam em locais contaminados As populações que crescem em solos não contaminados ao contrário têm menos probabilidade de conter essa mo dificação genética A aclimatação permite que as plantas respondam às flutuações ambientais Além das modificações genéticas em populações intei ras as plantas individualmente podem aclimatarse às mudanças periódicas no ambiente por alteração direta de sua morfologia ou fisiologia As mudanças fisiológi cas associadas à aclimatação requerem modificações não genéticas muitas das quais são reversíveis Um exemplo de aclimatação oriundo da jardinagem é um processo co nhecido como rustificação hardening off Para acelerar o crescimento de plantas os jardinistas muitas vezes come çam cultivandoas dentro de locais protegidos em vasos sob condições de crescimento ideais Após as plantas são colocadas no lado de fora durante parte do dia por um período suficiente para aclimatálas ou fortalecêlas ao clima ao ar livre antes de deixálas permanentemente no ambiente externo A adaptação genética e a aclimatação contribuem para a tolerância geral de extremos das plantas em seu ambien te abiótico No exemplo anterior a adaptação genética na Controle Seca moderada Seca severa Figura 242 Comparação entre indivíduos de arroz submetidos à seca e indivíduocontrole não submetido à seca Enquanto um nível moderado de seca não tem um efeito significativo no cresci mento das plantas a seca severa reduz o crescimento Cortesia de Eduardo Blumwald Taiz24indd 733 Taiz24indd 733 27102016 101108 27102016 101108 734 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento população de capimlanudo tolerante ao arsênico apenas reduz a absorção de arseniato ela não a interrompe Para mitigar os efeitos tóxicos de arseniato acumulado as plan tas adaptadas adotam o mesmo mecanismo bioquímico que as plantas não adaptadas usam para responder aos efeitos tóxicos da acumulação de arseniato nos tecidos Esse mecanismo envolve a biossíntese de moléculas de baixo peso molecular com capacidade de ligação a metais denominadas fitoquelatinas discutidas mais adiante neste capítulo que reduzem a toxicidade do arsênico Portan to a capacidade do capimlanudo de desenvolverse em resíduos contaminados com arsênico depende de uma adaptação genética específica para a população tolerante exclusão do arseniato ver Mecanismos de exclusão e de tolerância interna permitem que as plantas suportem íons tóxicos adiante neste capítulo e da aclimatação que é comum a todas as plantas que respondem ao arsênio me diante produção de fitoquelatinas Outro exemplo de aclimatação é a resposta de plantas sensíveis à salinidade denominadas plantas glicofíticas Embora não sejam geneticamente adaptadas a crescer em ambientes salinos quando expostas à salinidade elevada as plantas glicofíticas podem ativar várias respostas ao estresse que lhes permitem enfrentar perturbações fisio lógicas impostas pela salinidade elevada em seu ambien te Por exemplo a rota SOS uma rota de sinalização em mutantes salt overly sensitive leva ao aumento do efluxo de Na a partir das células e a uma redução na toxicidade induzida pela salinidade Fatores ambientais e seus impactos biológicos nas plantas Nesta seção é feita uma breve descrição das maneiras pelas quais diferentes estresses ambientais podem trans tornar o metabolismo vegetal Como em cada sistema biológico a sobrevivência e o crescimento vegetais depen dem de redes complexas de rotas anabólicas e catabólicas associadas que direcionam o fluxo de energia e recursos dentro das células e entre elas A ruptura dessas redes por fatores ambientais pode provocar o desacoplamento dessas rotas Por exemplo as enzimas metabólicas muitas vezes têm ótimos de temperatura diferentes Aumentos ou diminuições na temperatura podem inibir um subconjun to de enzimas sem afetar outras enzimas na mesma rota ou em rotas conectadas É possível que tal desacoplamento funcional de rotas metabólicas resulte na acumulação de compostos intermediários que podem ser convertidos em subprodutos tóxicos Entre os grupos de intermediários tóxicos produzidos por estresse o mais comum é o das espécies reativas de oxigênio EROs que são formas de oxigênio altamente reativas que possuem ao menos 1 elétron não pareado em suas orbitais Elas são capazes de reagir rapidamente com uma ampla diversidade de constituintes celulares e oxidá los estes incluem proteínas DNA RNA e lipídeos As for mas mais comuns de EROs em células vegetais são superó xido O2 oxigênio singleto 1O2 peróxido de hidrogênio H2O2 e radicais hidroxila OH Figura 243 As EROs podem também desencadear um processo autocatalítico de oxidação de membranas resultando na degradação de organelas e da membrana plasmática bem como na morte celular A despeito de suas diferenças mecanistas a maioria dos estresses resulta na produção de EROs Figura 244 O estresse ambiental pode também transtornar a compartimentalização de processos metabólicos isolando os de outros componentes celulares Os mesmos extremos de temperatura que podem inibir a atividade enzimática também afetam a fluidez de membranas a temperatura alta provoca aumento da fluidez e a temperatura baixa provoca sua diminuição As mudanças na fluidez de mem branas podem desarticular a associação entre diferentes O O O O O O H O Oxigênio Ânion superóxido Peróxido Radical hidroxila O2 e O2 O2 O2 H2O2 O2 HO HO H2O 2 e e 2 H e H Figura 243 Química de espécies reativas de oxigênio EROs O oxigênio molecular não tem quaisquer elétrons não pareados em suas orbitais Porém diferentes formas de EROs possuem pelo me nos 1 elétron não pareado disponível e podem aceitar elétrons e de diversas moléculas celulares causando sua oxidação Espécies reativas de oxigênio Seca Ozônio Salinidade Luminosidade alta Crescimento desenvolvimento produtividade Transdução de sinal de resposta ao estresse Frio Congelamento Anaeróbico para aeróbico Calor UV Figura 244 Papel duplo de espécies reativas de oxigênio EROs durante o estresse abiótico Uma diversidade de estresses abióticos resulta na acumulação de EROs nas células De um lado as EROs têm um efeito negativo no crescimento no desenvolvimento e na produtividade vegetais Por outro lado a acumulação das EROs tem um efeito positivo nas células pela ativação das rotas de transdução de sinal que induzem os mecanismos de aclimatação Esses por sua vez neutralizam os efeitos negativos do estresse incluindo a acumulação de EROs Taiz24indd 734 Taiz24indd 734 27102016 101108 27102016 101108 Capítulo 24 Estresse Abiótico 735 complexos proteicos no cloroplasto ou nas membranas mi tocondriais resultando na transferência descontrolada de elétrons para o oxigênio e na formação de EROs O déficit hídrico diminui a pressão de turgor aumenta a toxicidade iônica e inibe a fotossíntese Como na maioria dos outros organismos a água represen ta a maior proporção do volume celular nas plantas e é o recurso mais limitante Cerca de 97 da água captada pe las plantas são perdidos para a atmosfera principalmente pela transpiração Cerca de 2 são usados para aumento de volume ou expansão celular e 1 para processos me tabólicos predominantemente a fotossíntese ver Capítulos 3 e 4 O déficit de água disponibilidade hídrica insuficien te ocorre na maioria dos hábitats naturais ou agrícolas e é causado principalmente por períodos intermitentes até contínuos sem precipitação Seca é o termo meteorológico para um período de precipitação insuficiente que resulta em déficit hídrico para a planta Todavia essa definição é algo ilusória pois uma lavoura pode absorver água do solo em situações sem chuva dependendo da capacidade de reten ção de água pelo solo e da profundidade do lençol freático O déficit hídrico pode afetar diferentemente as plantas durante os crescimentos vegetativo e reprodutivo Quan do as células vegetais ficam submetidas ao déficit hídrico ocorre desidratação celular A desidratação celular afeta adversamente muitos processos fisiológicos básicos Tabe la 241 Por exemplo durante o déficit hídrico o potencial hídrico Ψ do apoplasto tornase mais negativo que o do simplasto provocando reduções no potencial de pressão turgor ΨP e no volume Um efeito secundário da desi dratação celular é que os íons ficam mais concentrados podendo tornarse citotóxicos O déficit hídrico também induz a acumulação de ácido abscísico ABA que promo ve o fechamento estomático reduzindo as trocas gasosas e TABELA 241 Transtornos fisiológicos e bioquímicos em plantas causadas por flutuações no ambiente abiótico Fator ambiental Efeitos primários Efeitos secundários Déficit hídrico Redução do potencial hídrico Ψ Desidratação celular Resistência hidráulica Redução da expansão celularfoliar Redução das atividades celulares e metabólicas Fechamento estomático Inibição fotossintética Abscisão foliar Alteração na partição do carbono Citorrise Cavitação Desestabilização de membranas e de proteínas Produção de EROs Citotoxicidade iônica Morte celular Salinidade Redução do potencial hídrico Ψ Desidratação celular Citotoxicidade iônica O mesmo que para o déficit hídrico ver acima Inundação e compactação do solo Hipoxia Anoxia Redução da respiração Metabolismo fermentativo Produção de ATP inadequada Produção de toxinas por micróbios anaeróbicos Produção de EROs Fechamento estomático Temperatura elevada Desestabilização de membranas e de proteínas Inibição fotossintética e respiratória Produção de EROs Morte celular Resfriamento Desestabilização de membranas Disfunção de membranas Congelamento Redução do potencial hídrico Ψ Desidratação celular Formação simplástica de cristais de gelo O mesmo que para o déficit hídrico ver acima Destruição física Toxicidade por elementos traço Distúrbio do cofator de ligação a proteínas e DNA Produção de EROs Transtorno do metabolismo Intensidade luminosa alta Fotoinibição Produção de EROs Inibição do reparo do PSII Redução da fixação de CO2 Taiz24indd 735 Taiz24indd 735 27102016 101108 27102016 101108 736 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento inibindo a fotossíntese Figura 245 Como consequência do desacoplamento dos fotossistemas induzido pela de sidratação os elétrons livres produzidos pelos centros de reação não são transferidos para NADP levando à geração de EROs As EROs em excesso danificam o DNA inibem a síntese de proteínas oxidam os pigmentos fotossintéticos e causam a peroxidação de lipídeos de membrana O estresse salino tem efeitos osmóticos e citotóxicos O excesso de salinidade no solo produzido por uma com binação de irrigação excessiva e drenagem insuficiente afeta grandes áreas da massa terrestre do mundo e tem um impacto severo na agricultura Estimase que 20 de toda a terra irrigada estejam atualmente afetados pelo estresse salino Esse estresse tem dois componentes estresse os mótico não específico que causa déficits de água e efeitos iônicos específicos resultantes da acumulação de íons tóxi cos que interferem na absorção de nutrientes e provocam citotoxicidade As plantas tolerantes ao sal geneticamente adaptadas à salinidade são denominadas halófitas do grego halo salgado ao passo que as plantas menos tolerantes ao sal não adaptadas à salinidade são chama das de glicófitas do grego glyco doce Sob condições não salinas o citosol de células de plantas superiores con tém cerca de 100 mM de K e menos de 10 mM de Na um ambiente iônico no qual as enzimas têm funcionamento ótimo Em ambientes salinos os níveis citosólicos de Na e Cl superam 100 mM e esses íons se tornam citotóxicos As concentrações altas de sais causam desnaturação de proteínas e desestabilização de membranas pela redução da hidratação dessas macromoléculas Contudo Na é um desnaturante mais potente do que K Em concentrações elevadas o Na apoplástico também compete por sítios no transporte de proteínas que são necessárias para a absor ção de K de alta afinidade ver Capítulo 6 um macronu triente essencial ver Capítulo 5 Os efeitos da salinidade alta nas plantas ocorrem por um processo de duas fases uma resposta rápida à eleva da pressão osmótica na interface raizsolo e uma respos ta mais lenta causada pela acumulação de Na e Cl nas folhas Na fase osmótica há uma diminuição no cresci mento da parte aérea com redução da expansão foliar e inibição da formação de gemas laterais A segunda fase inicia com a acumulação de quantidades tóxicas de Na nas folhas levando à inibição da fotossíntese e dos pro cessos biossintéticos Embora na maioria das espécies o Na atinja concentrações tóxicas antes do Cl algumas espécies com as cítricas a videira e a soja são altamente sensíveis ao excesso de Cl O estresse luminoso pode ocorrer quando plantas adaptadas ou aclimatadas à sombra são sujeitas à luz solar plena O estresse luminoso pode ocorrer quando o excesso de alta intensidade luminosa absorvido pela planta supera a ca pacidade da maquinaria fotossintética de converter luz em açúcares como no caso de uma planta adaptada ou acli matada à sombra repentinamente sujeita à luz solar ple na Em resposta à sombra a maioria das plantas terrestres adiciona ao PSII mais unidades de clorofila de captação de luz LHCII lightharvesting chlorophyll aumentando o ta manho da antena ou eleva o número de centros de reação do PSII em relação ao PSI aumentando a captura de luz e a transferência de energia ver Capítulo 7 Se as plantas adaptadas ou aclimatadas à sombra forem repentinamen te submetidas à luz solar plena o excesso de energia lu minosa absorvido pelos complexos antena ampliados e transferidos para os centros de reação pode superar a ca pacidade de a reação no escuro converter energia em açú cares Em vez disso os elétrons que chegam aos centros de reação são desviados para o oxigênio atmosférico gerando EROs que por sua vez podem causar dano celular O estresse térmico afeta um amplo espectro de processos fisiológicos O estresse térmico prejudica o metabolismo vegetal de vido a seu efeito diferencial sobre a estabilidade proteica e reações enzimáticas Isso provoca o desacoplamento de diferentes reações e a acumulação de intermediários tóxicos e EROs O estresse pelo calor aumenta a fluidez das membranas enquanto o estresse pelo frio diminui a fluidez das membranas provocando o desacoplamento de diferentes complexos multiproteicos a perturbação do fluxo de elétrons e das reações energéticas além da desar ticulação da homeostase e da regulação iônica O calor e o frio podem também desestabilizar e desintegrar ou su perestabilizar e fortalecer estruturas secundárias de DNA e RNA respectivamente causando a ruptura da transcri ção tradução ou processamento e reciclagem turnover de RNA Além disso o estresse térmico pode bloquear a degradação de proteínas causando o fortalecimento de agregados proteicos Essas massas proteicas transtornam Taxa fotossintética μmol CO2 m2 s1 15 10 20 0 10 5 0 04 08 12 16 Potencial hídrico foliar MPa Velocidade de expansão foliar porcentagem de aumento da área foliar por 24 h Expansão foliar Fotossíntese Figura 245 Efeitos do estresse hídrico na fotossíntese e na expansão foliar do girassol Helianthus annuus Nessa espécie a expansão foliar é completamente inibida sob níveis moderados de estresse que afetam de maneira grave as taxas fotossintéticas De Boyer 1970 Taiz24indd 736 Taiz24indd 736 27102016 101108 27102016 101108 Capítulo 24 Estresse Abiótico 737 as funções celulares normais por interferência no funcio namento do citoesqueleto e de organelas associadas A inundação resulta em estresse anaeróbico à raiz Quando um campo é inundado os níveis de O2 na superfície da raiz decrescem drasticamente porque a maior parte do ar no solo é deslocada pela água considerando que a concen tração de O2 da água é expressivamente mais baixa que a do ar a atmosfera contém cerca de 20 de O2 ou 200000 ppm em comparação com menos de 10 ppm de O2 dissolvido no solo inundado Nessas condições a respiração nas raízes é suprimida e a fermentação é aumentada Essa mudança me tabólica pode provocar esgotamento de energia acidificação do citosol e toxicidade pela acumulação de etanol Como consequência do esgotamento de energia muitos processos como a síntese de proteínas são suprimidos O estresse ana eróbico pode causar morte celular em horas ou dias depen dendo do grau de adaptação genética da espécie Mesmo se a planta privada de O2 retornar aos níveis normais desse gás o processo de recuperação por si só pode constituir um perigo Enquanto as raízes estiverem sob es tresse anaeróbico a ausência de O2 impede a formação de EROs Porém se o nível de O2 no solo aumentar rapida mente grande parte dele é utilizada para formar EROs causando dano oxidativo às células da raiz Durante o estresse por congelamento a formação de cristal de gelo extracelular provoca desidratação celular As plantas sujeitas a temperaturas de congelamento de vem enfrentar a formação de cristais de gelo tanto no âmbito extracelular quanto no intracelular A formação de cristais de gelo intracelular quase sempre se mostra letal à célula No entanto a água no apoplasto é relativamen te diluída e portanto tem um ponto de congelamento mais alto do que a do simplasto mais concentrado Como consequência cristais de gelo tendem a se formar no apo plasto e em traqueídes e vasos ao longo dos quais o gelo pode se propagar rapidamente A formação de cristais de gelo diminui o potencial hidrico Ψ do apoplasto que se torna mais negativo que o do simplasto Água não conge lada dentro da célula se move para baixo nesse gradiente em direção aos cristais de gelo nos espaços intercelulares À medida que a água deixa a célula a membrana plasmá tica contraise e afastase da parede celular Durante esse processo a membrana plasmática enrijecida pela tempe ratura baixa pode ficar danificada Quanto mais baixa a temperatura mais água se desloca para baixo nesse gra diente em direção à água congelada Por exemplo a 10oC o simplasto perde cerca de 90 de sua água osmoticamen te ativa para o apoplasto Nesse sentido o estresse pelo congelamento tem muito mais em comum com o estresse pela seca Como ocorre com o estresse pela seca as célu las que já estão desidratadas como as nas sementes e nos grãos de pólen têm menos probabilidade de passarem por outra desidratação pela formação de cristais extracelulares Os metais pesados podem imitar nutrientes minerais essenciais e gerar espécies reativas de oxigênio A absorção de metais pesados como cádmio Cd arsênico As e alumínio Al pela célula vegetal pode levar à acu mulação de EROs inibição da fotossíntese desorganização da estrutura de membrana e homeostase iônica inibição de reações enzimáticas e ativação da morte celular progra mada MCP Uma razão pela qual os metais pesados são tão tóxicos é que eles podem imitar outros metais essen ciais p ex Ca2 e Mg2 assumir seus lugares em reações essenciais e romper essas reações O cádmio por exemplo pode substituir o magnésio na clorofila ou o cálcio na cal modulina proteína de sinalização do cálcio prejudicando a fotossíntese e a transdução de sinal A imitação de ele mentos essenciais pode também explicar o ingresso de cá dmio e outros metais pesados nas células via canais que se desenvolveram para transportar elementos essenciais Os metais pesados podem também ligarse a diferentes enzimas e inibilas além de interagir diretamente como o oxigênio para formar EROs As deficiências de nutrientes minerais são uma causa de estresse Conforme foi discutido no Capítulo 5 as deficiências em um ou mais nutrientes minerais essenciais provocam uma gama de desordens no metabolismo vegetal Essas defi ciências podem ocorrer mesmo na presença de um supri mento adequado de nutrientes se o pH do solo converter o equilíbrio do nutriente em uma forma insolúvel tornan doo indisponível para absorção A maioria dos nutrientes minerais está disponível entre níveis de pH de 45 e 65 e tornase insolúvel abaixo ou acima dessa faixa ver Figu ra 55 O estresse nutricional ou o estresse por pH quase sempre resulta na supressão do crescimento e da repro dução vegetal A razão dessa supressão é que os nutrien tes minerais são componentes de enzimas essenciais e de constituintes estruturais das células Um fornecimento insuficiente de ferro ou magnésio por exemplo resulta no decréscimo do conteúdo de heme que é necessário para a biossíntese de clorofilas e citocromos Sem clorofilas e citocromos para conduzir as transferências de elétrons a produção de energia na célula cessa O ozônio e a luz ultravioleta geram espécies reativas de oxigênio que causam lesões e induzem a morte celular programada O ozônio penetra na planta pelos estômatos abertos e é convertido em diferentes formas de EROs Essas EROs causam peroxidação lipídica e a oxidação de proteínas RNA e DNA Esses efeitos tóxicos induzem a formação de lesões em folhas que são características da ativação da MCP Em geral o tipo de lesões clorose de folhas e ne crose de tecidos e a gravidade das injúrias dependem do grau de exposição ao ozônio e podem variar nas diferentes Taiz24indd 737 Taiz24indd 737 27102016 101108 27102016 101108 738 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento espécies vegetais A diminuição da espessura da camada de ozônio na atmosfera superior da Terra reduz a filtragem da radiação ultravioleta UV resultando em um aumento nessa radiação que atinge a superfície da Terra Além de seus efeitos na fotossíntese a radiação UV também induz a formação de EROs que podem provocar mutações duran te a replicação do DNA A acumulação de EROs induzida pela UV provoca a ativação da MCP e a formação de lesões O estresse pelo ozônio e pela UV causa supressão do cres cimento vegetal e redução dos rendimentos agronômicos Combinações de estresses abióticos podem induzir rotas de sinalização e metabólicas exclusivas No campo as plantas são muitas vezes sujeitas simulta neamente a uma combinação de estresses abióticos dis tintos Os estresses pela seca e pelo calor são exemplos de dois tipos que quase sempre ocorrem juntos no ambiente com resultados devastadores Entre 1980 e 2004 nos Esta dos Unidos o custo do dano à lavoura devido à seca mais o calor foi seis vezes maior do que o custo devido à seca sozinha Figura 246A A aclimatação fisiológica de plantas a uma combinação de estresses abióticos distintos é diferente da aclimatação a estresses abióticos distintos aplicados individualmente A Figura 246B mostra os efeitos do calor e da seca aplica dos separadamente sobre quatro parâmetros fisiológicos de Arabidopsis fotossíntese respiração condutância estomáti ca e temperatura foliar Os perfis fisiológicos referentes aos dois estresses aplicados de maneira individual foram com pletamente diferentes O calor sozinho causou uma elevação da temperatura foliar e um aumento grande na condutância estomática A seca no entanto foi mais inibidora à fotossín tese e à abertura estomática O principal efeito da combina ção de seca e calor foi uma elevação expressiva na tempera tura foliar que poderia ser letal à planta A combinação de calor e seca também induziu pa drões de expressão gênica e biossíntese de metabólitos diferentes daqueles para cada estresse individualmente Conforme mostra a Figura 246C seca mais calor causa ram a acumulação de 772 transcritos únicos amarelo e 5 metabólitos únicos amarelo demonstrando que a acli matação de plantas à combinação deles é diferente em muitos aspectos da aclimatação de plantas ao estresse pela seca ou pelo calor aplicados individualmente As diferen ças em parâmetros fisiológicos acumulação de transcritos e metabólitos poderiam ser uma consequência de respos tas fisiológicas conflitantes aos dois estresses Por exem plo durante o estresse pelo calor as plantas aumentam sua condutância estomática que esfria suas folhas pela trans piração Contudo se o estresse pelo calor ocorrer simulta neamente com a seca os estômatos são fechados provo cando uma elevação de 2 a 5oC da temperatura foliar 0 20 40 60 80 100 120 140 A C Bilhões de dólares americanos Seca e calor Seca Seca 1571 765 208 729 255 772 77 Transcritos Calor 540 Seca e calor 1833 Seca 23 10 3 8 10 5 5 Metabólitos Calor 18 Seca e calor 28 Congela mento Inundação 0 50 100 150 200 250 B Porcentagem do controle Controle Calor Seca Seca e calor Fotossíntese Respiração Condutância estomática Temperatura foliar Figura 246 Efeito da combinação de estresses abióticos na pro dutividade na fisiologia e nas respostas moleculares de plantas A Entre 1980 e 2004 as perdas na agricultura dos Estados Unidos resultantes da combinação de estresse pela seca e pelo calor fo ram muito mais altas do que as perdas causadas pela seca pelo congelamento ou pela inundação individualmente B Efeito da combinação de seca e calor na fisiologia vegetal Observe o fecha mento completo dos estômatos que resulta em uma temperatura foliar mais elevada C Diagramas de Venn mostrando o efeito da combinação de seca e calor sobre o transcriptoma à esquerda e o metaboloma à direita de plantas De Mittler 2006 Taiz24indd 738 Taiz24indd 738 27102016 101108 27102016 101108 Capítulo 24 Estresse Abiótico 739 O estresse salino ou por metais pesados poderia cons tituir um problema similar quando combinado com o es tresse pelo calor porque o aumento da transpiração po deria determinar o aumento da absorção de sal ou metais pesados Por outro lado algumas combinações de estres ses poderiam ter efeitos benéficos em plantas em compa ração aos estresses individuais aplicados separadamente Por exemplo a seca que causa fechamento estomático poderia potencialmente acentuar a tolerância ao ozônio A matriz de estresses mostrada na Figura 247 resume as diferentes combinações de condições ambientais que poderiam ter um impacto significante na produção agrí cola Entre várias combinações de estresses que poderiam ter um efeito deletério na produtividade de lavouras estão seca e calor salinidade e calor estresse nutricional e seca bem como estresse nutricional e salinidade As interações que poderiam ter um impacto benéfico abrangem seca e ozônio ozônio e UV assim como concentração elevada de CO2 combinada com seca ozônio e luminosidade alta As interações de estresses mais estudadas talvez se jam aquelas de diferentes estresses abióticos com estres ses bióticos como pragas ou patógenos Na maioria dos casos a exposição prolongada às condições de estresses abióticos como a seca ou a salinidade resulta no enfra quecimento das defesas vegetais e no aumento da susceti bilidade a pragas ou patógenos A exposição sequencial a estresses abióticos diferentes às vezes confere proteção cruzada Vários estudos têm registrado que a aplicação de uma de terminada condição de estresse abiótico pode aumentar a tolerância de plantas a uma exposição subsequente a um tipo diferente de estresse abiótico Esse fenômeno é de nominado proteção cruzada Isso ocorre porque muitos estresses provocam acumulação das mesmas proteínas gerais de resposta ao estresse e metabólitos por exemplo enzimas inativadoras de EROs chaperonas moleculares e osmoprotetores que persistem nas plantas por algum tempo mesmo após as condições de estresse terem abran dado A aplicação de um segundo estresse às mesmas plantas submetidas ao estresse inicial pode ter por isso um efeito reduzido pois elas já estão preparadas e prontas para enfrentar vários aspectos diferentes das novas condi ções de estresse O exemplo de proteínas de choque térmi co é discutido mais adiante neste capítulo Mecanismos sensores de estresse em plantas As plantas usam diversos mecanismos sensores de es tresse abiótico Como discutido anteriormente o estresse ambiental rompe ou altera muitos processos fisiológicos vegetais afetando a estabilidade de proteínas ou do RNA o transporte iônico o acoplamento de reações ou outras funções celulares Algumas dessas perturbações primá rias poderiam estar sinalizando à planta que ocorreu uma mudança nas condições ambientais e que é o momento de responder mediante alteração de rotas existentes ou ati vação de rotas de resposta ao estresse Pelo menos cinco tipos diferentes de mecanismos sensores de estresse po dem ser distinguidos Sensor físico referese aos efeitos mecânicos de estres se na planta ou na estrutura celular como por exem plo o encolhimento da membrana plasmática em re lação à parede celular durante o estresse pela seca Sensor biofísico pode envolver mudanças na estrutura proteica ou na atividade enzimática como a inibição de diferentes enzimas durante o estresse pelo calor Sensor metabólico em geral resulta da detecção de subprodutos que se acumulam nas células devido ao desacoplamento de reações enzimáticas ou de trans ferência de elétrons como a acumulação de EROs du rante o estresse causado pela luminosidade excessiva Sensor bioquímico com frequência envolve a presença de proteínas especializadas que se desenvolveram como sensoras de um estresse em especial por exem plo canais de cálcio que podem sentir alterações na temperatura e alterar a homeostase do Ca2 Sensor epigenético referese às modificações da estru tura do DNA ou do RNA que não alteram sequências genéticas como as alterações na cromatina que ocor rem durante o estresse térmico Impacto negativo potencial Impacto positivo potencial Desconhecido Sem interação Seca Salinidade Calor Resfriamento Congelamento Ozônio Patógeno UV Deficiência de nutrientes Concentração alta de CO2 Luminosidade alta Seca Salinidade Calor Resfriamento Congelamento Ozônio Patógeno UV Deficiência de nutrientes Concentração alta de CO2 Luminosidade alta Figura 247 Matriz de estresses Diferentes combinações de es tresses ambientais potenciais podem ter efeitos distintos em lavou ras A matriz é codificada com cores para indicar as combinações que foram estudadas com diferentes culturas agrícolas e seu efeito geral no crescimento e na produtividade De Mittler e Blumwald 2010 Taiz24indd 739 Taiz24indd 739 27102016 101108 27102016 101108 740 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Cada um desses mecanismos sensores de estresse pode atuar individualmente ou em combinação para ativar rotas de transdução de sinal a jusante Sensores de ação precoce fornecem o sinal inicial para a resposta ao estresse A Figura 248 apresenta um diagrama dos possíveis even tos iniciais no mecanismo sensor de estresse abiótico e as rotas de transdução de sinal e de aclimatação ativadas por esses eventos Até agora foram identificados vários exem plos possíveis de mecanismos sensores de estresse que atuam na rota Eles incluem Um canal de cálcio canal de cálcio regulado por nu cleotídeos cíclicos identificado em Arabidopsis que é sensível às alterações na temperatura e necessário para a aclimatação ao estresse pelo calor Uma quinase SnRK1 quinase 1 relacionada a SNF1 de SNF1related kinase 1 que é sensível ao esgotamen to da energia durante o estresse e ativa centenas de transcritos de resposta ao estresse Uma histidina quinase de membrana plasmática ATHK1 que é sensível ao estresse osmótico e ativa res postas dependentes de ABA e independentes de ABA Uma proteína Srlk quinase receptora rica em repeti ções de leucina LRRK leucinerich repeat receptor ki nase que em Arabidopsis atua como um regulador a montante de resposta à salinidade Uma enzima 1 requerente de inositol IRE1 inositol requiring enzyme sensor na membrana do retículo endoplasmático que é uma proteínachave necessária para a tolerância ao calor em plantas Um fator de resposta ao etileno associado à hipoxia membro do grupo VII dos fatores de transcrição que é sensível aos níveis de oxigênio durante a resposta à hipoxia Nos últimos anos os cientistas co meçaram a usar ferramentas avançadas como a transcriptômica a proteômica e a metabolômica para estudar simultanea mente milhares de transcritos proteínas e compostos químicos que são alterados nas plantas em resposta ao estresse abió tico Essas análises genômicas em gran de escala permitiram aos pesquisadores identificar importantes rotas de resposta ao estresse e redes envolvidas na aclimatação das plantas Na próxima seção são estudadas algumas das principais rotas de sina lização utilizadas pelas plantas para realizar a transdução de sinais específicos de estresse e aclimatarse às novas condições de estresse Rotas de sinalização ativadas em resposta ao estresse abiótico Os mecanismos iniciais sensores de estresse já descritos desencadeiam uma resposta a jusante que compreende múltiplas rotas de transdução de sinal Essas rotas envol vem cálcio proteínas quinases proteínas fosfatase sina lização de EROs ativação de reguladores de transcrição acumulação de hormônios vegetais e assim por diante Os sinais específicos de estresse que emergem dessas ro tas por sua vez ativam ou suprimem diversas redes que podem permitir a continuidade do crescimento e da re produção sob condições de estresse ou capacitam a planta a sobreviver ao estresse até o retorno de condições mais favoráveis Nesta seção são consideradas mais detalhada mente essas rotas de sinalização e suas interações Os intermediários da sinalização de muitas rotas de resposta ao estresse podem interagir Os aumentos induzidos pelo estresse nas concentrações de cálcio citosólico e EROs são importantes eventos de sinali zação inicial em muitas rotas de aclimatação Os níveis de cálcio celular são controlados por canais de cálcio trans portadores de Ca2H do tipo antiporte e Ca2ATPases que medeiam sua mobilização dos compartimentos de reserva como os vacúolos o retículo endoplasmático e a parede celular ver Capítulo 6 Por meio de vários meca nismos o cálcio regula fatores de transcrição Como mos Estresse abiótico Fluidez de membrana plataformas lipídicas ativação de canais iônicos Ca2 Estabilidade proteica ex posição de resíduos hidro fóbicos traduçãodegra dação alterada desmon tagem do citoesqueleto Transdução de sinal Sinalização de Ca2 Quinasefosfatase Sinalização de EROsredox Fatores de transcrição Hormônios Aclimatação Transcriptoma Proteoma Metaboloma Morte celular programada MCP Alterações na cromatina interações DNAproteína deslocamento de histonas Reações enzimáticas fluxos não acoplados ATP NADPH EROs e alterações redox Desenrolamento do RNA cinética do miRNA funcio namento do espliceossomo Figura 248 Efeitos iniciais no mecanismo sensor de estresse abiótico pelas plantas caixas azuis e nas rotas de transdução de sinal e de aclimatação ativadas por esses eventos caixas amarelas De Mittler et al 2012 Taiz24indd 740 Taiz24indd 740 27102016 101108 27102016 101108 Capítulo 24 Estresse Abiótico 741 tra a Figura 249 o cálcio pode ativar a expressão gênica ligandose diretamente a certos fatores de transcrição Como alternativa ele forma complexos de Ca2CaM que podem ativar a transcrição direta ou indiretamente me diante ligação a um fator de transcrição O cálcio também ativa diversas proteínas quinases e fosfatase que regulam a expressão gênica seja por fatores de transcrição fosfori lantes ativadores ou desfosforilantes inibidores Como consequência as vastas redes celulares de proteínas qui nases e fosfatase exercem um papel essencial na integra ção das rotas de resposta ao estresse O nível de estado estacionário de EROs na célula é governado pelo balanço entre reações de geração e rea ções de inativação de EROs Figura 2410 A geração de EROs ocorre em vários compartimentos celulares e como consequência das atividades de oxidases especializadas como NADPHoxidases aminoxidases e peroxidases liga das à parede celular Tabela 242 A inativação de EROs é realizada por moléculas antioxidantes como ascorbato glutationa vitamina E e carotenoides e por enzimas antio xidantes como superóxido dismutase ascorbato peroxida se e catalase Muitos tipos de estresses bióticos e abióticos desencadeiam a produção de EROs ver Figura 244 Como as EROs podem desencadear a abertura de canais de cál Ca2 Ca2 CaM CaM Ca2 Transcrição DNA TF Ca2 Ca2 CaM Ca2 TF TF TF P TF P TF CBK CCaMK CDPK CCaMK CBL CIPK Ca2 TF Fosfatase Fosfatase P ESTRESSE Ca2 P Figura 249 Por diversos mecanismos a elevação do cálcio ce lular induzida pelo estresse pode regular a transcrição O aumento dos níveis de cálcio pode resultar na sua ligação a diferentes pro teínas incluindo fatores de transcrição TFs transcription factors diversas calmodulinas CaM quinases p ex proteínas quinase dependentes de cálcio CDPKs ou proteínas de ligação a quinases p ex CBLs proteínas calcineurinas do tipo B calcineurin Blike que ligam CIPKs proteínas quinase de interação com CBL CBLin teracting protein kinases e fosfatases que direta ou indiretamente ativam ou suprimem a transcrição causando a ativação de rotas de aclimatação CCaMK proteína quinase dependente de calmo dulina e Ca2 CBK proteína quinase de ligação à calmodulina calmodulinbinding protein kinase De Reddy et al 2011 EROs Metabolismo reações de geração de EROs EROs sensores redox Rede de sinalização de EROs redox Ajustes metabólicos Inativação de EROs APXCAT outras Figura 2410 Ciclo básico de EROs Reações metabólicas celula res típicas como fotossíntese respiração fotorrespiração e oxida ção lipídica geram EROs Diversos sensores monitoram os níveis de EROs nas células um aumento nas EROs ativa uma rede de trans dução de sinal que por sua vez ativa mecanismos de inativação de EROs como ascorbato peroxidase APX catalase CAT e superóxi do dismutase SOD A rede de sinalização também modula diversas reações metabólicas e quando necessário suprime algumas das rotas de produção de EROs O resultado geral do ciclo é a manuten ção controlada dos níveis de EROs nas células Taiz24indd 741 Taiz24indd 741 27102016 101108 27102016 101108 742 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento cio e aumentos nas concentrações de Ca2 citosólico podem ativar proteínas quinase dependentes de cálcio CDPKs calciumdependent protein kinases que ativam a NADPH oxidase as rotas de cálcio e EROs podem interagir em um ciclo de retroalimentação positiva Figura 2411 A elevação dos níveis de cálcio e EROs durante os estágios iniciais da resposta ao estresse ativa proteínas quinase e fosfatase que fosforilam e desfosforilam fatores de transcrição diferentes ver Figura 249 Ativação ou inibição de fatores de transcri ção durante o estresse abiótico podem também resultar de mudanças no status redox da célula que são sentidas direta mente por certos fatores de transcrição Quando as plantas são submetidas a múltiplos es tresses pode ocorrer interferência entre hormônios men sageiros secundários e proteínas quinase ou fosfatase envolvidas em cada uma das rotas de estresse Proteínas quinase ativadas por mitógeno MAPKs mitogenactivated protein kinases por exemplo regulam várias respostas aos EROs O2 O2 Citosol Espaço apoplástico Ca2 Canal de cálcio ativado por EROs Ca2 CDPK COO NH 3 NADPH Ser148 Ser39 Ser347 Ser343 FAD EF EF e H H H H Fe Fe P P P P Proteína RBOH Membrana plasmática H2O2 e e TABELA 242 Espécies reativas de oxigênio Molécula Abreviaturas Fontes Oxigênio molecular estado basal tripleto O2 3 Forma mais comum do gás dioxigênio Oxigênio singleto primeiro estado excitado singleto 1O2 1Δ Irradiação por UV fotoinibição reações de transferência de elétrons no PSII Ânion superóxido O2 Reações mitocondriais de transferência de elétrons reação de Mehler redução de O2 pelo centro ferroenxofre do PSI fotorrespiração nos glioxissomos reações nos peroxissomos membrana plasmática oxidação do paraquat fixação de nitrogênio defesa contra patógenos reação de O3 e OH no apoplasto homóloga da queima respiratória NADPHoxidase Peróxido de hidrogênio H2O2 Fotorrespiração βoxidação decomposição de O2 induzida por prótons defesa contra patógenos Radical hidroxila OH Decomposição de O3 no apoplasto defesa contra patógenos reação de Fenton Radical peridroxila HO2 Reação de O3 e OH no apoplasto Ozônio O3 Descarga elétrica ou irradiação UV na estratosfera irradiação UV de produtos da combustão na troposfera Óxido nítrico NO Nitrato redutase redução de nitrito pela cadeia mitocondrial de transporte de elétrons Fonte Jones et al 2013 Figura 2411 Interação entre EROs e si nalização do cálcio mediada por proteínas homólogas da oxidase de queima respirató ria RBOH respiratory burst oxidase homo log NADPHoxidases proteínas quinase dependentes de cálcio CDPKs e canais de cálcio ativados por EROs As EROs ativam canais de cálcio na membrana plasmática à esquerda A seguir os níveis elevados de cálcio no citosol ativam as CDPKs parte in ferior que fosforilam e ativam as proteínas RBOH à direita as quais geram mais EROs As proteínas RBOH têm seis domínios trans membrana O domínio citoplasmático ami noterminal de proteínas RBOH contém qua tro serinas Ser que podem ser fosforiladas por CDPKs e dois EFhands que podem se ligar diretamente ao cálcio Canais de cálcio similares ativados por EROs são encontrados na membrana do vacúolo não mostrados Taiz24indd 742 Taiz24indd 742 27102016 101108 27102016 101108 Capítulo 24 Estresse Abiótico 743 estresses abióticos em Arabidopsis As MAPKs partici pam nas cascatas MAP3KMAP2KMAPK coletivamen te conhecidas como módulos de MAPKs As respostas a estresse térmico estresse oxidativo estresses salino e os mótico e estresse pela seca são reguladas por módulos da mesma rota básica das MAPKs Figura 2412 Essas qua tro respostas ao estresse também compartilham interme diários de sinalização a montante tais como cálcio ácido fosfatídico e EROs Portanto a produção de intermediários de sinalização em qualquer uma das respostas ao estresse pode afetar as outras três respostas A aclimatação ao estresse envolve redes reguladoras transcricionais denominadas regulons Os reguladores transcricionais ou fatores de transcrição são proteínas que ligam sequências específicas de DNA e ativam ou suprimem a expressão de genes diferentes Um fator de transcrição específico pode ligarse aos promoto res de centenas de genes diferentes e afetar simultanea mente sua expressão Um fator de transcrição pode tam bém se ligar ao promotor de um gene que codifica outro fator de transcrição e desse modo ativa ou suprime sua expressão Dessa maneira pode ocorrer uma cascata de regulação transcricional de expressão gênica As combinações de fatores de transcrição diferentes podem gerar uma rede gênica que responde a um estímu lo abiótico específico com alguns genes sendo ativados e alguns suprimidos Essas redes reguladoras transcricio nais que respondem ao estresse abiótico têm sido chama das de regulons de resposta ao estresse Um exemplo de um regulon de resposta ao estresse é mostrado na Figura 2413 A vantagem do uso de regulons para controlar a res posta de plantas a determinado estresse abiótico é que eles ativam rotas específicas de resposta ao estresse ao mesmo tempo em que suprimem outras rotas desnecessárias ou que poderiam até danificar a planta durante o estresse Por exemplo na resposta às condições luminosas altas pode ser necessário suprimir certos genes que codificam proteínas antena fotossintéticas mas pode ser necessário ativar outros genes codificadores da inativação de EROs Os genes dos cloroplastos respondem à intensidade luminosa alta emitindo sinais de estresse ao núcleo Em geral pensase no núcleo como a organela principal da célula que controla as atividades das outras organelas mediante regulação da expressão gênica nuclear Contudo a sinalização retrógrada ou reversa do cloroplasto para o Módulo MAPK generalizado Estímulo do estresse Estresse pela temperatura friocalor Estresse oxidativo Estresse salino e estresse osmótico Estresse pela seca Mensageiros secundários hormônios MEKK1 MEKK1 MKKK20 MEKK1 MEKK1 PDK1 OXI1 PTI14 MKK5 MPK3 MPK3 MPK3 MPK4 MPK6 MPK6 MPK9 MPK12 MPK6 MPK4 MPK4 MPK4 MPK6 MPK4 MKK2 MKK1 MKK2 MKK1 MKK2 MKK1 MKK5 MKK4 MKK1 MKK2 MKK5 Membrana plasmática Ca2 Ca2 Ca2 ABA PA PA PA PA PLD SOS1 MAP3K P EROs EROs EROs ATP ADP MAP2K P MAPK Alvo RAV1 STZ CBFDREB CSD1CSD2 ZAT6 P P ATP ADP Canal de ânions fechamento estomático Figura 2412 Representação esquemática da interferência de diferentes mensageiros secundários hormônios e módulos MAPK que regulam respostas aos estresses abióticos em plantas A pro gressão geral de uma cascata MAP3KMAP2KMAPK ie um módulo MAPK completo é mostrada à esquerda e as rotas ati vadas em resposta a diferentes estresses são mostradas à direita De Smékalová et al 2013 Taiz24indd 743 Taiz24indd 743 27102016 101108 27102016 101108 744 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento núcleo também tem sido proposta para mediar a percepção do estresse abiótico Muitas condições de estresse abiótico afetam os cloroplastos de maneira direta ou indireta e podem potencialmente gerar sinais com capacidade de in fluenciar a expressão gênica nuclear e respostas de aclima tação Por exemplo o estresse luminoso pode causar super redução da cadeia de transporte de elétrons aumento da acumulação de EROs e alteração do potencial redox Durante a aclimatação ao estresse luminoso os níveis do complexo de captura de luz II LHCII lightharvesting complex II declinam devido à regulação para baixo do wnregulation do gene Lhcb que codifica a apoproteína Secasalinidade Percepção do sinal Tolerância Frio MYCMYB bZIP DREB1DREB2 NAC MYCRSMYBRS ABRE DRECRT NACRS Rota dependente de ABA Fatores de transcrição Elementos cis de genesalvo Rotas de transdução Rota independente de ABA EROs EROs EROs EROs EROs EROs NADPHoxidase RBOHD Onda de EROs Campo claro 0 min 1 min 5 min 10 min ESTÍMULO B A RESPOSTA 1 cm Figura 2413 Exemplo de duas rotas de trans dução de sinal ativadas por estresse abiótico que usam quatro tipos diferentes de regulons redes de fatores de transcrição para ativar mecanismos de aclimatação Os regulons mostrados perten cem às famílias MYCMYB bZIP DREB e NAC Para cada regulon é apresentado o nome do ele mento cis do DNA ligado pelos fatores de trans crição De Lata e Prasad 2011 Figura 2414 Sinalização sistêmica rápida em resposta à sensação física de uma lesão seta A Imagem do lapso de tempo de um sinal sistêmico rápido iniciado por uma lesão usando um repórter luciferase fusionado ao promotor do gene ZAT12 responsivo a EROs A luz é emitida dos tecidos onde a luciferase é expressa B Modelo esquemático da onda de EROs requerida para mediar a sinalização sistêmica rápida em resposta ao estresse abiótico A onda de EROs é gerada por um processo de produção ativo e autopropagante sem difusão que parte do tecido inicial sujeito ao estresse e se propaga para toda a planta Cada célula ao longo do trajeto do sinal ativa suas proteínas RBOH NADPHoxidase e gera EROs Quando alcança seu alvo sistê mico o sinal ativa os mecanismos de aclimatação na planta inteira A onda de EROs é acompa nhada por uma onda de cálcio e sinais elétricos De Mittler et al 2011 e Suzuki et al 2013 do complexo LHCII ver Capítulo 7 Como o Lhcb é um gene nuclear o cloroplasto emite para o núcleo um sinal de estresse não identificado que regula para baixo a ex pressão desse gene O gene nuclear ABI4 codifica um fator de transcrição que suprime a expressão de genes Lhcb Em Arabidopsis há evidência de que o gene GUN1 do cloro plasto atue a montante de ABI4 durante a aclimatação ao estresse luminoso Em outras palavras a proteína GUN1 percebe o sinal de estresse original no cloroplasto e gera Taiz24indd 744 Taiz24indd 744 27102016 101108 27102016 101108 Capítulo 24 Estresse Abiótico 745 ou transmite um segundo sinal ao núcleo que provoca a ligação de ABI4 ao promotor do gene Lhcb e o bloqueio da transcrição A onda de autopropagação de EROs medeia a aclimatação sistêmica adquirida Como na resistência sistêmica adquirida SAR systemic acquired resistance durante o estresse biótico ver Capítu lo 23 o estresse abiótico aplicado a uma parte da planta gera sinais que podem ser transportados para o resto dela iniciando a aclimatação mesmo em partes que não foram submetidas ao estresse Esse processo é chamado de acli matação sistêmica adquirida SAA systemic acquired ac climation Tem sido demonstrado que respostas rápidas de SAA a diferentes condições de estresses abióticos incluin do calor frio salinidade e intensidade luminosa alta são mediadas por uma onda de autopropagação de produção de EROs que se desloca a uma velocidade de cerca de 84 cm min1 e é dependente da presença de uma NADPHoxidase específica homóloga D da oxidase de queima respira tória RBOHD respiratory burst oxidase homolog D a qual está localizada na membrana plasmática Figura 2414 As velocidades rápidas de sinais sistêmicosestresse abiótico detectadas com imagens de luciferase nesses experimentos sugerem que muitas das respostas aos estresses abióticos podem ocorrer de modo muito mais rápido do que se consi derava anteriormente Mecanismos epigenéticos e pequenos RNAs fornecem proteção adicional contra o estresse Até agora discutiramse as respostas ao estresse abiótico em termos de cascatas de sinalização e expressão gênica alterada processos de aclimatação que podem ser rever tidos quando surgem condições mais favoráveis Recente mente a atenção tem enfatizado as mudanças epigenéti cas que potencialmente podem proporcionar adaptação de longo prazo ao estresse abiótico Uma vez que algumas modificações da cromatina são herdáveis por mitose e meiose as mudanças epigenéticas induzidas pelo estresse podem ter implicações evolutivas A imunoprecipitação de cromatina de DNA com ligação cruzada a histonas modi ficadas associada a modernas tecnologias de sequencia mento abriu as portas às análises genômicas de mudanças no epigenoma Metilação estável ou herdável do DNA e modificações das histonas atualmente têm sido vinculadas a estresses abióticos específicos Figura 2415 O papel da regulação epigenética do período de flo rescimento tem sido estudado em Arabidopsis em relação aos genes conhecidos por seu envolvimento no estresse abiótico Mutações em alguns dos genes envolvidos nos processos epigenéticos durante o estresse causam mudan ças nos períodos de floração Por exemplo revelouse que o florescimento tardio do mutante hos15 sensível ao con gelamento resulta da desacetilação dos genes do flores cimento SOC e FT ver Capítulo 20 Normalmente o re pressor do florescimento FLC uma proteína MADSbox é epigeneticamente reprimido durante a vernalização permitindo a aquisição da competência para florescer após exposição prolongada a temperaturas baixas Foi demons trado que esse processo envolve várias proteínas diferen tes que poderiam alterar a remodelação da cromatina O envolvimento de pequenos RNAs em respostas ao estresse abiótico tem recebido mais atenção nos últimos anos Os pequenos RNAs pertencem a pelo menos dois gru pos diferentes microRNAs miRNAs e pequenos RNAs de interferência siRNAs short interfering RNAs endógenos MicroRNAs e siRNAs podem causar silenciamento gêni co póstranscricional via degradação de mRNA no citosol mediada por RISC complexo de silenciamento induzido por RNA RNAinduced silencing complex ver Capítulo 2 Além disso siRNA pode suprimir a expressão gênica mediante al teração das propriedades da cromatina nos núcleos via RITS silenciamento transcricional induzido por RNA RNAin duced transcriptional silencing O envolvimento de pequenos RNAs na supressão da tradução de proteínas durante o es tresse também foi proposto Foi demonstrado que miRNAs e siRNAs controlam a expressão gênica durante diferentes estresses abióticos pelo frio pela deficiência de nutrientes pela desidratação pela salinidade e oxidativo As interações hormonais regulam o desenvolvimento normal e respostas ao estresse abiótico Os hormônios vegetais medeiam uma ampla gama de res postas adaptativas e são essenciais para a capacidade de adaptação das plantas aos estresses abióticos A biossíntese do ABA está entre as respostas mais rápidas de plantas ao es tresse abiótico As concentrações de ABA nas folhas podem aumentar até 50 vezes sob condições de seca a mudança de concentração mais drástica registrada para qualquer hor mônio em resposta a um sinal ambiental A redistribuição ou a biossíntese do ABA é muito eficaz no fechamento esto mático e sua acumulação em folhas estressadas exerce um importante papel na redução da perda de água pela trans piração sob condições de estresse hídrico ver Figura 2424 As elevações na umidade reduzem os níveis de ABA pelo au mento da decomposição desse hormônio permitindo assim a reabertura estomática Mutantes na biossíntese de ABA ou mutantes de resposta são incapazes de fechar seus estômatos sob condições de seca sendo chamados de mutantes wilty Muitos genes associados à biossíntese de ABA assim como genes codificadores de receptores de ABA e componentes de sinalização a jusante têm sido identificados ver Capítulo 15 e Apêndice 3 na internet O ABA também desempenha pa péis importantes na adaptação de plantas às temperaturas baixas e ao estresse salino O estresse pelo frio induz a sínte se de ABA e a aplicação exógena desse hormônio melhora a tolerância das plantas ao frio Outro hormônio vegetal que exerce um papel funda mental na aclimatação a diversos estresses abióticos é a citocinina A citocinina e o ABA têm efeitos antagônicos na abertura estomática na transpiração e na fotossínte Taiz24indd 745 Taiz24indd 745 27102016 101108 27102016 101108 746 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento se A seca resulta no decréscimo dos níveis de citocinina e no aumento dos níveis de ABA Embora o ABA seja nor malmente requerido para o fechamento estomático impe dindo a perda excessiva de água as condições de estresse pela seca podem também inibir a fotossíntese e provocar senescência foliar prematura As citocininas parecem ser capazes de atenuar os efeitos da seca Conforme mostra a Figura 2416 as plantas transgênicas que superexpressam IPT o gene que codifica a enzima isopentenil transferase enzima que catalisa a etapa limitante da taxa de síntese da citocinina exibem aumento da tolerância à seca em comparação com plantas do tipo selvagem Portanto as citocininas são capazes de proteger os processos bioquí micos associados à fotossíntese e retardar a senescência durante o estresse pela seca Além do ABA e da citocinina ácido giberélico auxina ácido salicílico etileno ácido jasmônico e brassinosteroides também exercem papéis importantes na resposta das plan Estresses Estresses abióticos Temperatura não ideal Suprimento de água não ideal Intensidade luminosa não ideal Composição do solo não ideal Restrições mecânicas Estresses bióticos Ataque de patógenos Herbívoros e parasitas Competição Falta de parceiros simbiontes Fenótipo original Fenótipo novo Mudanças na expressão gênica Mudanças epigenéticas Padrões de herança possíveis Histona Grupos acetil Transcrição Cromatina condensada Cromatina descondensada Metilação do DNA Modificação nas caudas de histonas Variantes de histonas DNA Nenhuma descendência herda fenótipo novo Toda descendência herda fenótipo novo Herança variável de fenótipo novo Figura 2415 Mudanças na expressão gênica induzidas por es tresse podem ser mediadas por modificação de proteínaslipídeos ácidos nucleicos mensageiros secundários ou hormônios p ex ácido abscísico ácido salicílico ácido jasmônico e etileno As mu danças na transcrição ou fatores de estresse podem afetar a croma tina via metilação do DNA modificações nas caudas de histonas substituições de variantes de histonas ou perda de nucleossomo e descondensação da cromatina Essas mudanças são reversíveis e podem modificar o metabolismo ou a morfologia da planta sob condições de estresse Geralmente os novos genótipos não são transmitidos à progênie no entanto mudanças associadas à croma tina são potencialmente herdáveis e poderiam resultar em manu tenção uniforme de novas características e diversidade epigenética De Gutzat e MittelstenScheid 2012 Taiz24indd 746 Taiz24indd 746 27102016 101108 27102016 101108 Capítulo 24 Estresse Abiótico 747 tas ao estresse abiótico A ampla sobreposição nos diversos conjuntos de genes regulados por hormônios sustenta a existência de complexas redes com interferência significan te entre as diferentes rotas de sinalização de hormônios A ação hormonal sinérgica ou antagônica e a coordenação e a regulação mútua de rotas biossintéticas de hormônios são de grande importância para a capacidade das plantas de aclimatarse às condições de estresse abiótico A auxina por exemplo pode exercer papéis cruciais na aclimatação de plantas às condições de seca O gene TLD1 que codifica uma ácido indol3acético AIAami do sintetase induz a expressão de genes codificadores das proteínas abundantes na embriogênese tardia LEA late embryogenesis abundant que se acumulam durante a ma turação de sementes ver Capítulo 21 e que estão também correlacionados com o aumento da tolerância à seca no arroz O ABA produzido pela seca ou por estresse salino ativa proteases que degradam o transportador de auxina ABCB4 que regula o alongamento de pelos da raiz A ex pressão de vários genes vinculados com a síntese de auxi na transportadores de auxina PIN1 PIN2 PIN4 AUX1 e fatores de transcrição responsivos à auxina ARF2 ARF19 demonstrou ser regulada pelo etileno Inversamente os níveis celulares de auxina influenciam de maneira con siderável a biossíntese do etileno Vários genes codifica dores de ACC ácido 1aminociclopropano1carboxílico sintetase a etapa limitante da taxa da biossíntese do eti leno são regulados pela auxina Ácido giberélico e brassinosteroides são dois hor mônios promotores do crescimento que regulam mui tos dos mesmos processos fisiológicos e podem ligar a regulação do crescimento às respostas ao estresse abiótico Além disso as deficiências de qualquer um dos hormônios ou a insensibilidade a qualquer um deles resultam em fenótipos similares como nanismo germi nação de sementes reduzida e retardo do florescimento Embora o ácido giberélico e os brassinosteroides sejam conhecidos por atuar via mecanismos diferentes fo ram identificados numerosos genes regulados por esses hormônios sugerindo uma sobreposição considerável em suas rotas de sinalização No arroz por exemplo a proteína OsGSR1 um membro da família de genes esti mulados pelo ácido giberélico atua como um regulador positivo da resposta ao ácido giberélico e da biossíntese de brassinosteroides A OsGSR1 portanto parece servir como um elo regulador entre as duas rotas hormonais mediando suas interações O ácido giberélico é conhecido também por interagir com o ácido salicílico A aplicação de ácido giberélico a indivíduos de Arabidopsis provoca um aumento na expres são dos genes envolvidos na síntese e na atuação do ácido salicílico Igualmente ocorrem interações entre citocinina e brassinosteroides Em plantas transgênicas expressando IPT sob o controle de um promotor específico para seca a indução da biossíntese de citocinina pela seca resultou na regulação para cima upregulation de genes associados à síntese e à regulação de brassinosteroides Mecanismos fisiológicos e do desenvolvimento que protegem as plantas contra o estresse abiótico Até agora neste capítulo foram discutidos os diversos tipos de estresse abiótico os mecanismos pelos quais as plantas são sensíveis ao estresse abiótico as rotas de transdução de sinais que convertem sinais de estresse em expressão gênica alterada e o papel das interações hormo nais nas redes de rotas genéticas resultantes Nesta seção A B PSARKIPT Tipo selvagem Figura 2416 Efeitos da seca em indivíduos de tabaco transgê nicos e do tipo selvagem expressando isopentenil transferase uma enzimachave na produção de citocinina sob o controle de PSARK promoter region of SenescenceAssociated Receptor Kinase re gião promotora do receptor quinase associado à senescência um promotor da maturação e induzido pelo estresse A figura apresenta indivíduos do tipo selvagem A e transgênicos B após 15 dias de seca seguidos de 7 dias de reidratação Cortesia de E Blumwald Taiz24indd 747 Taiz24indd 747 27102016 101108 27102016 101108 748 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento são estudados os produtos dos trabalhos de todas essas redes genéticas as alterações metabólicas fisiológicas e anatômicas que são produzidas para se opor aos efeitos do estresse abiótico O surgimento das primeiras plantas no ambiente terrestre ocorreu há mais de 500 milhões de anos Portanto elas tiveram um longo período de desen volvimento de mecanismos para enfrentar os diversos ti pos de estresse abiótico Esses mecanismos abrangem as capacidades de acumular metabólitos e proteínas de pro teção bem como de regular crescimento morfogênese fotossíntese transporte através da membrana aberturas estomáticas e alocação de recursos Os efeitos dessas e de outras mudanças servem para atingir a homeostase celu lar de modo que o ciclo de vida da planta possa ser com pletado sob o novo regime ambiental A seguir são discu tidos alguns dos principais mecanismos de aclimatação Por acumulação de solutos as plantas ajustamse osmoticamente a solos secos O deslocamento através do continuum soloplantaatmos fera só é possível se o potencial hídrico decrescer ao longo desse trajeto ver Capítulos 3 e 4 Lembrar do Capítulo 3 Ψ ΨS ΨP onde Ψ potencial hídrico ΨS potencial osmótico e ΨP potencial de pressão turgor Quando o potencial hídrico da rizosfera o microambiente que en volve a raiz decresce devido ao déficit hídrico ou à salini dade as plantas continuam a absorver água desde que Ψ seja mais baixo mais negativo do na água do solo Ajuste osmótico é a capacidade das células vegetais de acumu lar solutos e usálos para baixar Ψ durante períodos de estresse osmótico O ajuste envolve um aumento líquido do conteúdo de solutos por célula que independe das mu danças de volume resultantes da perda de água Figura 2417 O decréscimo de ΨS em geral é limitado a cerca de 02 a 08 MPa exceto em plantas adaptadas a condições extremamente secas Existem duas maneiras principais pelas quais o ajus te osmótico pode ocorrer uma envolvendo o vacúolo e a outra o citosol Uma planta pode absorver íons do solo ou transportar íons de outros órgãos da planta para a raiz de modo que a concentração de solutos das células desse órgão aumenta Por exemplo o aumento da absorção e da acumu lação de potássio provocará decréscimos no ΨS devido ao efeito dos íons potássio na pressão osmótica dentro da cé lula Essa resposta é comum em plantas crescendo em solos salinos onde íons como potássio e cálcio estão prontamen te disponíveis para elas A absorção de K e outros cátions deve ser eletricamente equilibrada pela absorção de ânions inorgânicos como Cl ou pela produção e acumulação va cuolar de ácidos orgânicos como o malato ou o citrato No entanto existe um problema potencial quando íons são utilizados para diminuir ΨS Alguns íons como sódio ou cloreto em concentrações baixas são essenciais ao cres cimento vegetal mas concentrações mais altas podem ter um efeito nocivo sobre o metabolismo celular Outros íons como potássio são necessários em quantidades maiores mas em concentrações altas podem ter um efeito nocivo sobre a planta em geral pela ruptura de membranas ou proteínas celulares A acumulação de íons durante o ajuste osmótico é predominantemente restrita aos vacúolos onde eles são impedidos de contato com enzimas citosólicas ou organelas Por exemplo muitas halófitas plantas adapta das à salinidade usam a compartimentalização de Na e Cl para facilitar o ajuste osmótico que sustenta ou intensi fica o crescimento em ambientes salinos Quando a concentração iônica aumenta no vacúo lo outros solutos devem se acumular no citosol a fim de manter o equilíbrio do potencial hídrico entre os dois compartimentos Esses solutos são denominados solutos compatíveis osmólitos compatíveis Solutos compatí Ψ do citosol de 08 MPa Ψ do vacúolo de 08 MPa A Ψ externo de 06 MPa Na K K Cl Cl Ψ do vacúolo de 09 MPa B Ψ externo de 08 MPa Na Na Na Na K K K K K Cl Cl Cl Cl Cl H2O Glicina betaína Prolina Ψ do citosol de 09 MPa Figura 2417 Ajustes de solutos durante o estresse osmótico O po tencial hídrico do citosol e do vacúolo deve ser levemente mais baixo que o do ambiente circundante para manter um gradiente de potencial hídrico que permita a absorção de água A Célula com um potencial hídrico externo de 06 MPa O equilíbrio é mantido no interior da célula pela acumulação de íons no vacúolo e no citosol B Célula com um po tencial hídrico externo de 08 MPa devido à salinidade à seca ou a ou tros estresses por desidratação A célula pode realizar o ajuste osmótico aumentando a concentração de solutos no vacúolo e no citosol Os íons inorgânicos usados para o ajuste osmótico em geral são armazenados no vacúolo onde não podem afetar processos metabólicos no citosol O equilíbrio no citosol é mantido com solutos compatíveis em geral não carregados como prolina e glicina betaína Taiz24indd 748 Taiz24indd 748 27102016 101108 27102016 101108 Capítulo 24 Estresse Abiótico 749 veis são compostos orgânicos osmoticamente ativos nas células mas em concentrações altas não desestabilizam a membrana nem interferem no funcionamento enzimático como o fazem os íons As células vegetais toleram con centrações altas desses compostos sem efeitos prejudiciais ao metabolismo Os solutos compatíveis comuns incluem aminoácidos como a prolina açúcaresalcoóis como o sor bitol e compostos quaternários de amônio como a glici na betaína Figura 2418 Alguns desses solutos como a prolina também parecem ter uma função osmoprotetora protegendo as plantas de subprodutos tóxicos formados durante períodos de escassez de água e proporcionando uma fonte de carbono e nitrogênio para a célula quando as condições retornam ao normal Cada família vegetal tende a usar um ou dois solutos compatíveis preferencialmente a outros A síntese de solutos compatíveis necessita de ener gia pois é um processo metabólico ativo A quantidade de carbono utilizada para a síntese desses solutos orgânicos pode ser um tanto grande razão pela qual tal síntese ten de a reduzir a produtividade da cultura Os órgãos submersos desenvolvem um aerênquima em resposta à hipoxia Agora retornase aos mecanismos usados pelas plantas para suportar água em demasia Na maioria das plantas de ambientes inundados exemplificada pelo arroz e em muitas plantas bem aclimatadas às condições úmidas o caule e as raízes desenvolvem canais interconectados lon gitudinalmente preenchidos de gases que proporcionam uma rota de baixa resistência ao movimento do oxigênio e de outros gases Os gases ar penetram pelos estôma tos ou pelas lenticelas regiões abertas da periderme que permitem o intercâmbio gasoso localizadas em caules e raízes lenhosos eles se deslocam por difusão molecular ou por convecção impulsionada por pequenos gradientes de pressão Em muitas plantas adaptadas a terras úmidas wetland ambientes inundados as células das raízes são separadas por espaços proeminentes preenchidos de ga ses que formam um tecido denominado aerênquima Es sas células se desenvolvem nas raízes de plantas de terras úmidas independentemente de estímulos ambientais Em algumas monocotiledôneas e eudicotiledôneas não ocor rentes em terras úmidas no entanto a deficiência de O2 induz a formação de aerênquima na base do caule e em raízes em desenvolvimento recente Um exemplo de aerênquima induzido encontrase no milho Zea mays Figura 2419 A hipoxia estimula a ati vidade de ACCsintase e ACCoxidase nos ápices de raízes do milho e provoca aceleração na produção de ACC e eti leno O etileno desencadeia a MCP e a desintegração de células no córtex da raiz Os espaços anteriormente ocu pados por essas células propiciam os vazios preenchidos de gases que facilitam o movimento de O2 A morte celular desencadeada pelo etileno é altamente seletiva apenas al gumas células têm o potencial de iniciar o programa de desenvolvimento que gera o aerênquima Quando a formação de aerênquima é induzida uma elevação na concentração citosólica de Ca2 é considerada parte da rota de transdução de sinal do etileno que leva à morte celular Os sinais que elevam a concentração citosó lica de Ca2 podem promover morte celular na ausência de hipoxia Inversamente os sinais que diminuem a concen tração citosólica de Ca2 bloqueiam a morte celular em raí zes hipóxicas que normalmente formariam aerênquima Alguns tecidos podem tolerar condições anaeróbicas em solos alagados por um período prolongado semanas ou meses antes de desenvolver aerênquima Podem ser citados como exemplos o embrião e o coleóptilo do arroz Oryza sa tiva e do capimarroz Echinochloa crusgalli var oryzicola bem como os rizomas caules subterrâneos horizontais do juncogigante Schoenoplectus lacustris do juncodemaris ma Scirpus maritimus e da taboadefolhaestreita Typha angustifolia Esses rizomas podem sobreviver por vários me ses e expandir suas folhas sob condições anaeróbicas Na natureza esses rizomas hibernam na lama anae róbica das margens de lagos Na primavera com as folhas já expandidas acima da lama ou da superfície da água através do aerênquima o O2 difundese para baixo em direção ao rizoma O metabolismo então passa de um processo anaeróbico fermentativo para um processo ae róbico e as raízes começam a crescer usando o oxigênio disponível Da mesma maneira durante a germinação do arroz irrigado e do capimarroz o coleóptilo emerge e tor nase uma rota de difusão de O2 para as partes submersas da planta incluindo as raízes Embora o arroz seja uma espécie de terras úmidas suas raízes são tão intolerantes à anoxia como o são as raízes do milho À medida que a raiz penetra no solo deficiente de O2 a formação contínua de aerênquima subapical permite o movimento desse gás no interior da raiz para suprir a zona apical Prolina Sorbitol Glicina betaína 3dimetil sulfônio propionato DMSP Aminoácidos Açúcaresalcoóis Compostos quaternários de amônio QACs Compostos terciários de sulfônio TSCs C HOCH2 H OH C OH H C H OH C CH2OH H OH N CH3 CH2 CH3 CH3 COO H H COOH N C CH2 CH2 C S CH3 CH2 CH3 CH2 COO Figura 2418 Quatro grupos de moléculas frequentemente servem como solutos compatíveis aminoácidos açúcaresalcoóis compostos quaternários de amônio e compostos terciários de sulfô nio Observe que esses compostos são pequenos e não têm carga líquida Taiz24indd 749 Taiz24indd 749 27102016 101108 27102016 101108 750 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Em raízes de arroz e de outras plantas típicas de ter ras úmidas as barreiras estruturais compostas de paredes celulares suberizadas e lignificadas impedem a difusão do O2 para fora em direção ao solo Assim o O2 retido supre o meristema apical e permite que o crescimento se esten da por 50 cm ou mais em direção ao solo anaeróbico Por outro lado as raízes de espécies de ambientes não úmi dos como o milho permitem a saída do O2 O O2 interno tornase insuficiente para a respiração aeróbica nos ápices das raízes dessas plantas e essa carência limita substan cialmente a profundidade que esses órgãos podem alcan çar no solo anaeróbico Antioxidantes e rotas de inativação de espécies reativas de oxigênio protegem as células do estresse oxidativo As EROs acumulamse nas células durante muitos tipos diferentes de estresses ambientais Elas são destoxificadas por enzimas especializadas e antioxidantes um processo referido como inativação de EROs Os antioxidantes bio lógicos são compostos orgânicos pequenos ou peptídeos pequenos que podem aceitar elétrons de EROs como supe róxido ou H2O2 e neutralizálos Os antioxidantes comuns em plantas abrangem o ascorbato hidrossolúvel vitamina C e o tripeptídeo glutationa reduzida GSH na forma redu zida GSSG na forma oxidada e αtocoferol vitamina E e βcaroteno vitamina A lipossolúveis Para manter um for necimento adequado desses compostos no estado reduzido as células dependem de diversas redutases como glutatio naredutase desidroascorbatoredutase e monodesidroas corbatoredutase que usam o poder redutor de NADH ou NADPH produzidos pela respiração ou fotossíntese Algumas EROs podem reagir de maneira espontâ nea com antioxidantes celulares e algumas são instáveis e apresentam decaimento antes de causar dano celular Contudo as plantas desenvolveram várias enzimas an tioxidativas diferentes que aumentam drasticamente a eficiência desses processos Por exemplo a superóxido dismutase é uma enzima que simultaneamente oxida e reduz o ânion superóxido para produzir peróxido de hi drogênio e oxigênio de acordo com a reação O2 2 H O2 H2O2 Variantes da superóxidodismutase são encontradas em cloroplastos peroxissomos mitocôn drias citosol e apoplasto Formas diferentes de ascorbato peroxidase estão presentes nos mesmos compartimen tos celulares como superóxido dismutase A ascorbato peroxidase catalisa a destruição de peróxido de hidrogê nio usando ácido ascórbico como um agente redutor na seguinte reação 2 Lascorbato H2O2 2 H 2 mo nodesidroascorbato 2 H2O A catalase catalisa a desto xificação de peróxido de hidrogênio em água e oxigênio nos peroxissomos de acordo com a reação 2 H2O2 2 H2O O2 Formas reduzidas de peroxirredoxinas Prx reduzem peróxido de hidrogênio e são elas próprias rer reduzidas por tiorredoxina Trx de acordo com as rea ções acopladas Prxreduzida H2O2 Prxoxidada 2 H2O e Prxoxidada Trxreduzida Prxreduzida Trxoxidada Por fim a glutationa peroxidase catalisa a destoxificação de peróxido de hidrogênio usando gluta A B X En En En gs gs gs En En En PC PC PC XX Ep Ep Ep XX Ep Ep Ep Figura 2419 Imagens de cortes transversais de raízes de mi lho ao microscópio eletrônico de varredura 150x mostrando mu danças na estrutura com o fornecimento de O2 A Raizcontrole suprida de ar com células corticais intactas B Raiz deficiente de O2 cultivada em uma solução nutritiva sem aeração Observe os espaços proeminentes preenchidos de gases gs gasfilled spaces no parênquima cortical PC formados pela degeneração de células O estelo todas as células internas à endoderme En e a epiderme Ep permanecem intactos X xilema Cortesia de J L Basq e M C Drew Taiz24indd 750 Taiz24indd 750 27102016 101108 27102016 101108 Capítulo 24 Estresse Abiótico 751 tiona reduzida GSH como um agente redutor H2O2 2 GSH GSSG 2 H2O As enzimas e os antioxidantes de destoxificação de EROs funcionam nas células como uma rede sustentada por diversos sistemas de reciclagem de antioxidantes que reabastecem o nível de antioxidantes reduzidos Figura 2420 Essa rede de inativação de EROs mantém um nível seguro delas nas células permitindo ao mesmo tempo que a célula as use para reações de transdução de sinal Chaperonas moleculares e protetores moleculares protegem proteínas e membranas durante o estresse abiótico A estrutura proteica é sensível ao distúrbio por mudanças na temperatura no pH ou na força iônica associadas com diferentes tipos de estresse abiótico As plantas possuem vários mecanismos para limitar ou evitar esses problemas incluindo ajuste osmótico para a manutenção da hidrata ção bombas de prótons para manter a homeostase do pH e proteínas chaperonas moleculares Estas interagem fisicamente com outras proteínas para facilitar o dobra mento proteico reduzir o dobramento errôneo estabilizar a estrutura terciária e impedir a agregação ou a desagre gação Um conjunto único de chaperonas chamadas de proteínas de choque térmico HSPs heat shock proteins é sintetizado em resposta a diversos estresses ambientais As células que sintetizam HSPs em resposta ao estresse pelo calor exibem melhora da tolerância térmica e podem tolerar exposições subsequentes a temperaturas mais altas que de outro modo seriam letais As HSPs são induzidas por condições ambientais muito diferentes abrangendo déficit hídrico lesão temperatura baixa e salinidade Des sa maneira as células que sofreram um estresse podem adquirir proteção cruzada contra outro estresse As HSPs foram descobertas na moscadasfrutas Drosophila melanogaster e parecem ser ubíquas em plan tas animais fungos e microrganismos A resposta ao cho que térmico parece ser mediada por uma ou mais rotas de transdução de sinal uma das quais envolve um conjunto específico de fatores de transcrição denominados fatores de choque térmico que regulam a transcrição de mRNAs de HSP Existem várias classes diferentes de HSPs in cluindo HSP70s que se ligam a proteínas com dobramento errôneo e as liberam HSP60s que produzem complexos enormes em forma de barril que são usados como câ maras para dobramento proteico HSP101s que medeiam 2O2 O2 O2 O2 1O2 O3 H2O H2O2 2H2O H2O H2O 2 GSH GSSG O2 CH2OH CHOH O O O OH 2H2O NADPH NADPH NADP NADP H 2O2 2 O2 HO2 HO2 HO Reação de Mehler Superóxido dismutase Vitamina E e carotenoides Reações redox de transporte de elétrons Catalase Ascorbato peroxidase Peroxirredoxina S S Peroxirredoxina SH SH Tiorredoxina 1 2 H CH2OH CHOH O O O OH H CH2OH CHOH O O O O H Espontâneo Ascorbato Radical monode sidroascorbato 2 HO 2 Glutationa redutase Desidroas corbato redutase Desidroascorbato Espontâneo Monodesidroascorbato redutase Figura 2420 Rotas biossintéticas antioxidantes que regulam os níveis de espécies reativas de oxigênio EROs na célula A superó xido dismutase converte radicais superóxido em peróxido de hidro gênio H2O2 que é decomposto em H2O e O2 pela catalase H2O2 também pode ser reduzido a água pela ascorbato peroxidase o íon hidroxila e o oxigênio singleto podem ser consumidos pela rota da glutationa indicada pelo fundo colorido De Jones et al 2013 Taiz24indd 751 Taiz24indd 751 27102016 101108 27102016 101108 752 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento a desagregação de agregados proteicos além de sHSPs e outras HSPs que ligam e estabilizam diferentes complexos e membranas Figura 2421 Várias outras proteínas que atuam de uma maneira semelhante na estabilização de proteínas e membranas durante a desidratação os extremos de temperatura e o desequilíbrio iônico têm sido identificadas Entre elas está a família proteica LEADHNRAB As proteínas LEA Late Embriogenesis Abundant acumulamse em resposta à desi dratação durante os estágios tardios da maturação das se mentes A maioria das proteínas LEA pertence a um grupo mais propagado de proteínas denominadas hidrofilinas As hidrofilinas têm uma forte atração por água dobram se em αhélices sob dessecação e possuem a capacidade de reduzir a agregação de proteínas sensíveis à desidra tação uma propriedade chamada de proteção molecular molecular shielding As DHNs deidrinas dehydrins acumulamse nos tecidos vegetais em resposta a uma di versidade de estresses abióticos incluindo salinidade de sidratação frio e estresse por congelamento As DHNs como as proteínas LEA são proteí nas altamente hidrofílicas e intrinsecamente desordenadas Sua capacidade de servir como protetores moleculares e como criptoprote tores tem sido atribuída à sua flexibilidade e estrutura secundária mínima Por serem com frequência induzidas pelo ABA LEAs e DHNs são às vezes referidas como RABs res ponsivas ao ABA As plantas podem alterar seus lipídeos de membrana em resposta à temperatura e a outros estresses abióticos À medida que as temperaturas caem as membranas po dem passar por uma fase de transição de uma estrutura flexível líquidacristalina para uma estrutura sólida de gel A temperatura da fase de transição varia em função da composição lipídica das membranas As plantas resis tentes ao resfriamento tendem a ter membranas com mais ácidos graxos insaturados que aumentam sua fluidez ao passo que as sensíveis ao resfriamento possuem uma por centagem alta de cadeias de ácidos graxos saturados que tendem a solidificar em temperaturas baixas Em geral os ácidos graxos que não têm ligações duplas solidificam em temperaturas mais altas do que os lipídeos que con têm ácidos graxos poliinsaturados porque os últimos têm dobras em suas cadeias de hidrocarbonetos e não se dis põem tão compactamente como os ácidos graxos satura dos Tabela 243 ver também Capítulo 1 ATP ADP ATP ADP ATP ADP ATP ADP 5 3 Ribossomo Síntese proteica Proteína nascente Chaperona HSP70 HSP60 Estresse Estresse Dobramento Dobramento Conformação normal Dobramento Conformação normal Proteínas desnaturadas Proteínas agregadas HSP101 Desagregação HSP70 sHSPs HSP31 HSP33 Figura 2421 Rede de chaperonas moleculares nas células As proteínas nascentes que requerem a assistência de chaperonas moleculares para atingir a conformação própria estão associadas às chaperonas HSP70 parte superior As proteínas nativas que passam por desnaturação durante o estresse à di reita associamse às chaperonas HSP70 e HSP60 parte inferior à direita Se fo rem formados agregados parte central à esquerda eles são desagregados por HSP101 e HSP70 à esquerda Chapero nas adicionais relacionadas ao estresse como HSP31 HSP33 e sHSPs podem também se associar a proteínas desna turadas durante o estresse De Baneyx e Mujacic 2004 Taiz24indd 752 Taiz24indd 752 27102016 101108 27102016 101108 Capítulo 24 Estresse Abiótico 753 A exposição prolongada a temperaturas extremas pode alterar a composição de lipídeos de membrana o que é uma forma de aclimatação Certas enzimas transmem brana podem alterar a saturação lipídica mediante intro dução de uma ou mais ligações duplas nos ácidos graxos Por exemplo durante a aclimatação ao frio as atividades de enzimas dessaturases aumentam e a proporção de lipídeos insaturados sobe Essa modificação abaixa a tem peratura na qual os lipídeos de membrana começam uma mudança gradual de fase passando de uma forma fluida para uma semicristalina Isso permite que as membranas permaneçam fluidas sob temperaturas mais baixas pro tegendo assim a planta contra danos do resfriamento Inversamente um grau maior de saturação dos ácidos graxos nos lipídeos de membrana torna as membranas menos fluidas Certos mutantes de Arabidopsis têm ativi dade reduzida das dessaturases de ácidos graxos ômega 3 Esses mutantes mostram crescimento da termotolerância da fotossíntese presumivelmente por causa do aumento do grau de saturação de lipídeos dos cloroplastos Mecanismos de exclusão e de tolerância interna permitem que as plantas suportem íons tóxicos Dois mecanismos básicos são empregados pelas plan tas para tolerar a presença de concentrações altas de íons tóxicos no ambiente incluindo sódio Na arsênico As cádmio Cd cobre Cu níquel Ni zinco Zn e selênio Se exclusão e tolerância interna A exclusão referese à capacidade de bloquear o ingresso de íons tóxicos na cé lula impedindo assim que suas concentrações alcancem um nível de limiar tóxico A tolerância interna em geral envolve adaptações bioquímicas que capacitam a planta a tolerar compartimentalizar ou quelar concentrações altas de íons potencialmente tóxicos Glicófitas são plantas tolerantes ao sal que geralmen te dependem de mecanismos de exclusão para se prote ger de níveis moderados de salinidade no solo Elas são capazes de tolerar níveis moderados de salinidade devido aos mecanismos na raiz que reduzem a absorção de íons potencialmente prejudiciais ou bombeiam de maneira ativa esses íons de volta ao solo Os íons cálcio exercem um papelchave na minimização da absorção de íons Na do meio externo Como um íon carregado Na tem uma permeabilidade muito baixa através da bicamada lipídica mas pode atravessar a membrana plasmática por ambos os sistemas de transporte de afinidade baixa e afinida de alta muitos dos quais em geral transportam K para dentro das células da raiz O Ca2 externo em concen trações milimolares concentração fisiológica normal de Ca2 no apoplasto aumenta a seletividade dos transpor tadores de K e minimize a absorção de Na Diferentes transportadores de NaH do tipo antiporte na membra na plasmática e no tonoplasto também abaixam o nível citosólico do sódio bombeandoo ativamente de volta ao apoplasto ou para dentro do vacúolo A energia usa da para acionar esses processos é fornecida por diferen tes ATPases de bombeamento de H localizadas nessas membranas Figura 2422 Ao contrário das glicófitas as halófitas podem tolerar níveis elevados de Na na parte aérea pois elas têm uma capacidade maior de sequestro vacuolar de íons em suas células foliares Além disso as halófitas parecem ter uma capacidade maior de restringir o ingresso líquido de Na nas células foliares Como consequência desse aumento da compartimentalização vacuolar e redução da absorção celular de Na nas partes aéreas as halófitas têm aumento de sua capacidade de sustentar um crescimento do fluxo de Na das raízes para a corrente transpiratória Um exemplo extremo de tolerância interna a íons tóxicos é a hiperacumulação de certos elementostraço que se verifica em um número limitado de espécies As plantas hiperacumuladoras podem tolerar concentra TABELA 243 Composição dos ácidos graxos de mitocôndrias isoladas de espécies resistentes e de espécies sensíveis ao resfriamento Ácidos graxos principaisa Peso percentual do conteúdo total de ácidos graxos Espécies resistentes ao resfriamento Espécies sensíveis ao resfriamento Gema da couveflor Raiz do nabo Parte aérea da ervilha Parte aérea do feijoeiro Batatadoce Parte aérea do milho Palmítico 160 213 190 178 240 249 283 Esteárico 180 19 11 29 22 26 16 Oleico 181 70 122 31 38 06 46 Linoleico 182 161 206 619 436 508 546 Linolênico 183 494 449 132 243 106 68 Razão entre ácidos graxos insaturados e saturados 32 39 38 28 17 21 Fonte De Lyons et al 1964 aEntre parênteses são mostrados o número de átomos de carbono na cadeia de ácidos graxos e o número de ligações duplas Taiz24indd 753 Taiz24indd 753 27102016 101108 27102016 101108 754 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento ções foliares de diversos elementostraço como arsêni co cádmio níquel zinco e selênio de até 1 da massa seca de sua parte aérea 10 mg por grama de massa seca A hiperacumulação é uma adaptação vegetal relativa mente rara a íons potencialmente tóxicos Essa adapta ção requer mudanças genéticas herdáveis que acentuam a expressão dos transportadores iônicos envolvidos na absorção e na compartimentalização vacuolar desses íons As fitoquelatinas e outros queladores contribuem para a tolerância interna de íons de metais tóxicos Quelação é a ligação de um íon dotado de pelo menos dois átomos ligantes com uma molécula quelante As molécu las quelantes podem ter diferentes átomos disponíveis para ligação como enxofre S nitrogênio N ou oxigênio O os quais têm afinidades distintas para os íons que quelam Por envolvimento ao redor do íon que ela liga para formar um complexo a molécula quelante cede o íon menos ativo quimicamente reduzindo assim sua toxicidade potencial O complexo então geralmente é translocado para outras partes da planta ou armazenado longe do citoplasma tipi camente no vacúolo O transporte por longa distância de íons quelados das raízes para as partes aéreas é também um processo crucial para a hiperacumulação de metais em tecidos da parte aérea Tanto a nicotianamina quelador de ferro quanto a histidina livre aminoácido têm sido envol vidas na quelação de metais durante esse processo de trans porte Além disso as plantas sintetizam também outros li gantes para a quelação de íons como as fitoquelatinas As fitoquelatinas são tiois de baixo peso molecular que consistem nos aminoácidos glutamato cisteína e gli cina com a forma geral de γGluCysnGly Elas são sin tetizadas pela enzima fitoquelatina sintase Os grupos tiol atuam como ligantes para íons de elementostraço tais como cádmio e arsênio Figura 2423 Uma vez forma do o complexo fitoquelatinametal é transportado para o interior do vacúolo para armazenamento A síntese de fi toquelatinas tem sido demonstrada como necessária para a resistência ao cádmio e ao arsênio Além da quelação o transporte ativo de íons metálicos para dentro do vacúolo e para fora da célula também contribui para a tolerância interna ao metal As plantas usam moléculas crioprotetoras e proteínas anticongelamento para impedir a formação de cristais de gelo Durante o congelamento rápido o protoplasto incluindo o vacúolo pode superresfriar isso significa que a água celular pode permanecer líquida mesmo em temperaturas vários graus abaixo de seu ponto de congelamento teórico O superresfriamento é comum em muitas espécies das florestas de angiospermas arbóreas do sudeste do Canadá e do leste dos Estados Unidos As células podem super resfriar somente até cerca de 40oC temperatura na qual o gelo se forma espontaneamente A formação espontâ nea de gelo estabelece o limite de temperatura baixa no qual muitas espécies alpinas e subárticas passam por super resfriamento profundo para poder sobreviver Isso pode explicar também por que a altitude da linha das árvores H H Na H H Na SOS1 Apoplasto pH 55 Citosol pH 70 Vacúolo pH 55 Na Na ATP H H ADP ATP H H ADP PPiase NHX1 H H Pi PPi 2 1 3 2 γglutamato Cisteína Ligantes tiois de ligação metálica Cisteína Glutationa Glicina γglutamato O OH H2N O SH O O O N H O OH OH H N SH O N H H N Figura 2422 Transporte ativo primário e secundário A ATPase de bombeamento de H localizada na membrana plasmática ATPa se do tipo P 1 bem como a ATPase de bombeamento de H loca lizada no tonoplasto ATPase do tipo V 2 e a pirofosfatase PPia se 3 são sistemas de transporte ativos primários que energizam a membrana plasmática e o tonoplasto respectivamente Mediante acoplamento da energia liberada pela hidrólise de ATP ou pirofosfa to essas bombas são capazes de transportar H através da membra na plasmática ou do tonoplasto contra um gradiente eletroquímico SOS1 e NHX1 transportadores de HNa do tipo antiporte são sistemas de transporte ativos secundários que acoplam o transporte de Na contra seu gradiente eletroquímico com o de H abaixo de seu gradiente eletroquímico SOS1 transporta Na para fora da célu la enquanto NHX1 transporta Na para dentro do vacúolo Figura 2423 Estrutura molecular da fitoquelatina quelato de metais A fitoquelatina usa o enxofre da cisteína para ligarse a me tais como cádmio zinco e arsênico Taiz24indd 754 Taiz24indd 754 27102016 101108 27102016 101108 Capítulo 24 Estresse Abiótico 755 em faixas de montanhas está em torno da isoterma míni ma de 40oC Várias proteínas vegetais especializadas denominadas proteínas anticongelamento limitam o crescimento de cristais de gelo por meio de um mecanismo independente do abaixamento do ponto de congelamento da água A sín tese dessas proteínas é induzida pelas temperaturas baixas As proteínas ligamse às superfícies de cristais de gelo para impedir ou retardar o crescimento deles Açúcares polissa carídeos solutos osmoprotetores DHNs e outras proteínas induzidas pelo frio também têm efeitos crioprotetores A sinalização do ácido abscísico durante o estresse hídrico causa o grande efluxo de K e ânions provenientes das célulasguarda Conforme discutido anteriormente os hormônios exercem um importante papel na sinalização em várias respostas de plantas ao estresse Durante o estresse hídrico o ABA aumenta de maneira acentuada nas folhas o que leva ao fechamento estomático Figura 2424 Fisiologicamente o fechamento é efetuado por uma redução na pressão de tur gor que segue o grande efluxo de K e ânions provenientes das célulasguarda A ativação de canais especializados de efluxo iônico na membrana plasmática é necessária para a ocorrência dessa perda de K e ânions em grande escala a partir das célulasguarda Como o ABA realiza isso Os canais de efluxo de K na membrana plasmática possuem portões controlados por voltagem ver Capítulo 6 ou seja eles abrem somente se a membrana plasmática se tornar despolarizada O ABA provoca despolarização da membrana por elevação do cálcio citosólico de duas maneiras 1 pelo desencadeamento de uma entrada transitória de íons Ca2 e 2 pela promoção da liberação de Ca2 das reservas internas como o retículo endoplasmático e o vacúolo Como consequência a concentração do cálcio citosólico sobe de 50 a 350 nM para 1100 nM 11 μM Figura 2425 Após esse aumento no cálcio citosólico abre os canais de ânions ativados pelo cálcio na membrana plas mática A abertura prolongada de canais de ânions permite que escapem da célula grandes quantidades de Cl e malato2 deslocando para baixo seus gradientes eletroquímicos Esse flu xo para fora de íons Cl e malato2 despolariza a membrana desencadeando a abertura dos canais de efluxo de K com portões controla dos por voltagem Os níveis elevados de cálcio citosólico também causam o fechamento dos canais de entrada de K reforçando o efeito da despolarização Além do aumento do cálcio citosólico o ABA causa a alcalinização do citosol de pH 77 para pH 79 Tem sido demonstrado que a ele vação do pH citosólico estimula a abertura dos canais de efluxo de K O ABA também inibe a atividade da HATPase na membrana plasmática resultando adi cionalmente na despolarização da membrana A inibição 0 70 35 20 08 16 Resistência estomática s cm1 Potencial hídrico da folha MPa 2 0 4 6 8 0 0 Tempo dias 4 8 ABA ng cm2 O potencial hídrico diminui à medida que o solo seca Fornecimento de água Retenção de água A resistência estomática diminui Conteúdo de ABA Figura 2424 Alterações no potencial hídrico na resistência es tomática o inverso da condutância estomática e no conteúdo de ABA na folha do milho em resposta ao estresse hídrico À medida que o solo seca o potencial hídrico da folha diminui e o conteúdo de ABA e a resistência estomática aumentam A reidratação reverte o processo De Beardsell e Cohen 1975 Tamanho da abertura estomática 8 9 10 11 12 13 105 104 103 Abertura estomática μm Ca 2 citosólico mol m3 ABA ABA 0 5 10 15 20 Tempo min Concentração do Ca2 citosólico após a adição do ABA Controle Figura 2425 Acompanhamento temporal do aumento da concentração do Ca2 citosólico induzido pelo ABA nas célulasguarda painel superior e da abertura estomática induzida pelo ABA painel inferior O aumento do Ca2 começa cerca de 3 minutos após a adição de ABA seguido por um decréscimo constante no tamanho da abertura estomática nos cinco minutos adicionais De McAinsh et al 1990 Taiz24indd 755 Taiz24indd 755 27102016 101108 27102016 101108 756 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento pelo ABA da bomba de prótons na membrana plasmática aparentemente é causada pela combinação da concentra ção elevada do Ca2 citosólico e a alcalinização do citosol Durante o fechamento estomático a área de super fície da membrana plasmática das célulasguarda pode contrairse em 50 Para onde vai a membrana extra Presumese que ela seja absorvida como pequenas vesí culas por endocitose um processo que também envolve a reorganização do citoesqueleto de actina induzida pelo ABA e mediada por uma família de Rho GTPases vegetais ou ROPs de Rho GTPases em Plantas A transdução de sinal nas célulasguarda com seus múltiplos estímulos sensoriais envolve proteínas quina se e fosfatase Por exemplo as atividades das HATPases que acionam o potencial de membrana das célulasguarda são reduzidas por diversas proteínas quinase As proteínas fosfatase têm sido igualmente envolvidas na modificação de atividades específicas das HATPases provocando mudanças nas atividades de canais de ânions Em vista desses resultados parece que a fosforilação e a desfosfo rilação de proteínas desempenham um importante papel na rota de transdução de sinal do ABA nas célulasguarda Um modelo geral e simplificado da ação do ABA nas célu lasguarda é apresentado na Figura 2426 RCAR PYRPYL PP2Cs OST1 OST1 Aumento do pH CPKs H2O2 O2 ABA ABA EROs RCAR PYRPYL PP2Cs ABA ABA ATP H H ADP 7 1 2 3 6 5 4 Ca2 Ca2 1 2 Ca2 Ca2 Ca2 A Tipo S Tipo R A A A Pi K K K K fora K K K dentro Vacúolo Promoção do efluxo iônico Inibição da entrada iônico RBOH 1 O ácido abscísico ABA ligase a seus receptores citosólicos RCARPYRPYL ver Capítulo 15 2 Os receptores ligados ao ABA formam um complexo com proteínas fosfatase do tipo 2C PP2Cs inibindo sua atividade As PP2Cs representam um regulador negativo importante no interior da rede de sinalização 3 A inibição da atividade das PP2Cs libera da inibição a quinase reguladora negativa OST1 resultando na fosforilação e na ativação de NADPHoxidases RBOHs As RBOHs catalisam a formação de espécies reativas de oxigênio EROs apoplásticas como H2O2 e O2 que desencadeiam a abertura dos canais iônicos da membrana plasmática permeáveis ao Ca2 O Ca2 penetra na célula 4 A elevação do Ca2 citosólico resultante aumentada pela liberação de Ca2 armazenado em organelas incluindo o vacúolo leva à ativação de proteínas quinase dependentes de cálcio CPKs As CPKs também ativam as proteínas RBOH promovendo além disso o entrada de Ca2 no citosol 5 OST1 e CPKs fosforilam e desse modo ativam os canais de ânions na membrana plasmática levando ao efluxo de ânions A Na ausência de ABA esse processo pode ser inibido diretamente pelas PP2Cs Dois tipos de canais de ânions são ativados lento tipo S S de slow e rápido tipo R R de rapid 6 O efluxo de ânions leva à despolarização da membrana plasmática que aciona o efluxo de K via canais retificadores de saída de potássio Kfora A maior parte de A e K em uma célula vegetal é depositada no vacúolo e liberada para o citosol via canais de K ativados por Ca2 e transportadores da liberação de ânions presentes no tonoplasto O efluxo de íons A e K reduz a pressão de turgor das célulasguarda resultando no fechamento estomático 7 A inibição da PP2C pelo ABA e RCARPYRPYL também leva à inibição de canais da membrana plasmática que medeiam a acumulação de íons durante a abertura estomática como HATPases e canais retificadores de entrada de K Kdentro Do contrário esses canais neutralizariam os efeitos do efluxo de íons que promove o fechamento Figura 2426 Modelo simplificado da sinalização do ABA em célulasguarda O efeito líquido é a perda de potássio K e seu ânion Cl ou malato2 da célula EROs espécies reativas de oxigê nio CPK proteína quinase dependente de Ca2 OST1 proteína qui nase da abertura estomática1 OPEN STOMATAL1 PP2C proteína fosfatase 2C de proteinphosphatase 2C RBOH homóloga da oxi dase de queima respiratória uma NADPHoxidase De Benjamin Brandt e J Schroeder não publicado Taiz24indd 756 Taiz24indd 756 27102016 101108 27102016 101108 Capítulo 24 Estresse Abiótico 757 As plantas podem alterar sua morfologia em resposta ao estresse abiótico Em resposta ao estresse abiótico as plantas podem ativar programas de desenvolvimento que alteram seu fenótipo um fenômeno conhecido como plasticidade fenotípica Essa plasticidade pode resultar em mudanças anatômicas adaptativas que capacitam as plantas a evitar alguns dos efeitos prejudiciais do estresse abiótico Um exemplo importante de plasticidade fenotípica é a capacidade de alterar a forma foliar Como coletores so lares biológicos as folhas devem ser expostas à luz solar e ao ar o que as torna vulneráveis aos extremos ambientais Assim as plantas desenvolveram a capacidade de modifi car a morfologia foliar de modo a permitirlhes evitar ou mitigar os efeitos de extremos abióticos Tais mecanismos incluem mudanças na área foliar orientação foliar enro lamento foliar tricomas e cutículas cerosas conforme a descrição geral a seguir ÁREA FOLIAR As folhas grandes e planas proporcio nam superfícies ótimas para a produção de fotossintatos Porém elas podem ser prejudiciais ao crescimento e à so brevivência de culturas agrícolas sob condições estressan tes pois expõem uma ampla área de superfície para a eva poração de água que pode levar ao rápido esgotamento da água do solo ou absorção excessiva e danosa de energia solar As plantas podem reduzir sua área foliar por dimi nuição da divisão e expansão das células foliares alteração das formas foliares Figura 2427A e iniciação da senes cência e abscisão das folhas Figura 2427B Esse fenôme no pode conduzir a certos tipos de heterofilia como em plantas aquáticas Ensaio 241 na internet B A Estresse hídrico moderado Estresse hídrico severo Bem hidratada C Figura 2427 Alterações morfológicas em resposta ao estresse abiótico A A alteração da forma da folha pode ocorrer em res posta a mudanças ambientais A folha de carvalho Quercus sp à esquerda provém da parte externa do dossel onde as temperaturas são mais altas que no seu interior A folha à direita provém do inte rior do dossel A forma profundamente lobada à esquerda resulta em uma camada limítrofe mais baixa que permite um melhor res friamento evaporativo B As folhas do algodoeiro Gossypium hir sutum jovem caem em resposta ao estresse hídrico As plantas à es querda foram hidratadas durante todo o experimento as do centro e à direita foram submetidas a estresses moderado e severo respec tivamente antes de serem novamente hidratadas Apenas um tufo de folhas é mantido nos topos dos caules das plantas severamente estressadas C Movimentos foliares na soja em resposta ao estres se osmótico Orientação dos folíolos de indivíduos da soja Glycine max em situação bem hidratada não estressada durante estresse hídrico moderado e durante estresse hídrico severo Os movimentos foliares amplos induzidos pelo estresse moderado são completa mente diferentes da murcha que ocorre durante o estresse severo Observe que durante o estresse moderado o folíolo terminal ficou erguido ao passo que os laterais se orientam para baixo a folha fica quase vertical A fotografia de David McIntyre B cortesia de B L McMichael C cortesia de D M Oosterhuis Taiz24indd 757 Taiz24indd 757 27102016 101109 27102016 101109 758 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento ORIENTAÇÃO FOLIAR Para proteção contra o supera quecimento durante o déficit hídrico as folhas de algumas espécies podem se orientar afastandose do sol essas fo lhas são denominadas paraheliotrópicas As folhas que obtêm energia se orientando perpendicularmente à luz solar são referidas como diaheliotrópicas Outros fatores que podem alterar a interceptação da radiação são a mur cha e o enrolamento foliar A murcha altera o ângulo da folha e o enrolamento foliar minimiza o perfil de tecido exposto ao sol Figura 2427C TRICOMAS Muitas folhas e caules possuem células epi dérmicas semelhantes a pelos chamadas de tricomas Os tricomas podem ser efêmeros ou persistir por toda a vida do órgão Alguns tricomas persistentes permanecem vi vos enquanto outros passam por MCP restando apenas suas paredes celulares Os estômatos densamente dispos tos em uma superfície foliar mantêm as folhas mais frias pela reflexão da radiação As folhas de algumas espécies exibem aparência brancoprateada porque os tricomas densamente dispostos refletem uma grande quantidade de luz Entretanto as folhas pubescentes estão em des vantagem nos meses mais frios de primavera pois os tricomas também refletem a luz visível necessária para a fotossíntese CUTÍCULA A cutícula é uma estrutura multiestratifica da de ceras e hidrocarbonetos relacionados depositados nas paredes celulares externas da epiderme foliar Como os tricomas a cutícula pode refletir luz reduzindo assim a carga de calor A cutícula parece também restringir a di fusão de água e gases bem como a penetração de patóge nos Uma resposta do desenvolvimento ao déficit de água em algumas plantas é a produção de uma cutícula espessa que diminui a transpiração RAZÃO RAIZPARTE AÉREA A razão entre as biomas sas da raiz e da parte aérea é outro exemplo importante de plasticidade fenotípica A razão raizparte aérea parece ser governada por um equilíbrio funcional entre a absor ção de água pela raiz e a fotossíntese pela parte aérea No conjunto de limites estabelecidos pelo potencial genético da planta uma parte aérea tende a crescer até que a ab sorção de água pelas raízes se torne limitante ao cresci mento inversamente as raízes tendem a crescer até que sua demanda por fotossintatos oriundos da parte aérea exceda o fornecimento Esse equilíbrio funcional é deslo cado se o fornecimento de água diminuir Quando a água para a parte aérea se torna limitante a expansão foliar é reduzida antes que a atividade fotossintética seja afetada ver Figura 245 A inibição da expansão foliar reduz o consumo de carbono e energia e uma maior proporção de assimilados da planta pode ser alocada para o siste ma subterrâneo onde podem sustentar a continuidade do crescimento das raízes Figura 2428 Esse crescimento das raízes é sensível ao status hídrico do microambiente do solo os ápices das raízes em solo seco perdem turgor enquanto as raízes nas zonas do solo ainda úmidas con tinuam a crescer O ABA desempenha um papel importante na regu lação da razão raizparte aérea durante o estresse hídrico Como mostra a Figura 2429 a razão entre as biomassas da raiz e da parte aérea aumenta permitindo que as raízes cresçam às expensas das folhas Os mutantes deficientes de ABA no entanto são incapazes de alterar sua razão raizparte aérea em resposta ao estresse hídrico Portanto o ABA é necessário para que ocorra a mudança na razão raizparte aérea 15 0 10 20 30 40 50 30 45 60 Horas após o transplante Razão raizparte aérea Condições de estresse hídrico Ψ baixo Tipo selvagem ABA Mutante deficiente de ABA Figura 2429 Sob condições de estresse hídrico Ψ baixo defi nido diferentemente para parte aérea e raiz a razão entre o cres cimento da raiz e o da parte aérea é muito mais alta quando o ABA está presente ie no tipo selvagem do que quando inexiste ABA no mutante De Saab et al 1990 Ótimo P N K Fe Figura 2428 Efeito do estresse salino na razão entre raiz e par te aérea do tomateiro De SánchezCalderón et al 2014 Taiz24indd 758 Taiz24indd 758 27102016 101109 27102016 101109 Capítulo 24 Estresse Abiótico 759 Alterações metabólicas capacitam as plantas para enfrentar diversos estresses abióticos As alterações no ambiente podem estimular conversões nas rotas metabólicas que reduzem o efeito do estresse sobre o metabolismo vegetal Por exemplo durante o es tresse anaeróbico causado pela inundação as raízes fer mentam piruvato a lactato pela ação da lactato desidroge nase ver Figura 123 A produção de lactato ácido láctico abaixa o pH intracelular inibindo a lactato desidrogenase e ativando a piruvato descarboxilase Essas mudanças na atividade enzimática rapidamente levam a uma mudan ça da produção de lactato para etanol ver Figura 123 O rendimento líquido de ATP na fermentação é de ape nas 2 moles de ATP por mol de açúcar hexose catabolizado em comparação com 36 moles de ATP por mol de hexose respirada na respiração aeróbica e por isso é inadequado para sustentar o crescimento normal das raízes Entretan to ele é suficiente para manter vivas as células das raízes durante a inundação temporária ou até que se forme o ae rênquima em plantas adaptadas à inundação prolongada Algumas espécies possuem adaptações metabólicas como a fotossíntese C4 e o metabolismo ácido das crassu láceas que lhes permitem explorar ambientes mais áridos ver Capítulos 8 e 9 O metabolismo ácido das crassulá ceas CAM crassulacean acid metabolism é uma adaptação em que os estômatos abrem à noite e fecham durante o dia A diferença de pressão de vapor da folha para o ar que aciona a transpiração durante o dia é bastante reduzida durante a noite quando a folha e o ar esfriam Como con sequência as eficiências no uso da água de plantas CAM estão entre as mais altas Uma planta CAM pode adquirir 1 g de matéria seca por apenas 125 g de água utilizada uma razão que é 3 a 5 vezes maior que a de uma planta C3 típica O padrão CAM prevalece em plantas suculentas como os cactos Algumas espécies suculentas exibem CAM facultativo mudando para CAM quando sujeitas a défi cits hídricos ou condições salinas Essa alteração no me tabolismo que envolve a síntese das enzimas fosfoenol piruvato PEP carboxilase piruvatoortofosfato diquinase piruvatofosfato diquinase e enzima NADPmálica entre outras é uma adaptação notável que permite à planta se aclimatar a essas condições Conforme discutido nos Capí tulos 8 e 9 o CAM envolve muitos atributos estruturais fi siológicos e bioquímicos incluindo alterações nos padrões de carboxilação e descarboxilação o transporte de grandes quantidades de malato para dentro e para fora dos vacúolos e a inversão da periodicidade dos movimentos estomáticos O processo de recuperação do estresse pode ser perigoso para a planta e requer um ajuste coordenado de metabolismo e fisiologia vegetais Uma vez aclimatada a um conjunto de condições ambien tais de estresse uma planta alcança um estado de home ostase metabólica que lhe permite crescer otimamente sob essas condições Contudo quando o estresse é retirado por exemplo por reidratação no caso de uma planta sub metida à seca ela deve alterar seu metabolismo de volta ao novo conjunto de condições sem estresse Em algu mas ocasiões quando por exemplo a planta necessita mudar de um ambiente anaeróbico altamente reduzido para condições aeróbicas oxidadas durante a atenuação do estresse por inundação a mudança metabólica pode ser muito perigosa para ela pois níveis elevados de EROs podem se formar e danificar as células A recuperação do estresse portanto é um processo tão sincronizado quanto a aclimatação ao estresse A planta deve remover e reciclar todos os mRNAs proteínas substâncias químicas prote toras e compostos desnecessários que se acumularam nas células durante o processo de aclimatação e pelo período de estresse Além disso a planta precisa modificar seu fluxo energético metabólico para se preparar para as no vas condições e se ajustar a elas A reativação de certas atividades como fotossíntese respiração e biossíntese de lipídeos pode exigir um processo delicado e sincronizado pois é possível que essas rotas produzam níveis elevados de EROs e as vias de inativação de EROs que protegem a planta deveriam estar a postos antes que as rotas estejam funcionando plenamente Embora do ponto de vista ener gético seja melhor remover e reciclar todos os mecanismos de resposta quando o estresse abranda algumas espécies mantêm uma prontidão para oporse à recorrência do estresse essas espécies preservam ativos certos mecanis mos reguladores de resposta hormônios ou modificações epigenéticas mesmo após o abrandamento do estresse Esse processo frequentemente é referido metaforicamente como memória pois a planta parece lembrar do estres se mesmo muito depois que ele tenha terminado a planta responderá muito mais rápido à recorrência do estresse em comparação com a primeira vez que o enfrentou O desenvolvimento de culturas vegetais com aumento da tolerância às condições de estresse abiótico é uma meta importante da pesquisa agrícola Uma meta importante do estudo de respostas aos estres ses em plantas é desenvolver culturas com aumento da tolerância às condições de estresse biótico e abiótico Tais culturas diminuiriam a perda no rendimento associada ao estresse ambiental e evitariam prejuízos anuais de bilhões de dólares à produção agrícola O dogma central da pesquisa sobre estresse abiótico em espécies vegetais é estudar como elas utilizam me canismos sensores e se aclimatam a essas condições o próximo passo é usar esse conhecimento para desenvol ver plantas incluindo as de interesse agrícola com maior tolerância a esses estresses As estratégias para o uso de genes selecionados para melhorar a tolerância a estresses abióticos em plantas contemplam as abordagens de ganho e perda de função que se destinam a genes específicos em níveis diferentes Esses genes podem codificar enzimas ou Taiz24indd 759 Taiz24indd 759 27102016 101109 27102016 101109 760 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento proteínas reguladoras como fatores de transcrição ou pro teínas quinase ativadas por mitógeno Promotores espe cíficos de tecidos constitutivos ou induzíveis por estresse têm sido utilizados para expressar os genes selecionados a fim de alcançar eficiência máxima na proteção ao estresse com o mínimo possível de efeitos negativos sobre o cres cimento e a produtividade Conforme já descrito a dispo nibilidade da tecnologia da transcriptômica possibilitou a identificação de várias redes transcricionais diferentes de resposta ao estresse Esses estudos identificaram vários fatores de transcrição que podem ativar múltiplas rotas de aclimatação de plantas além de fornecer a elas proteção contra condições de estresse abiótico no laboratório Toda via até agora se demonstrou que somente alguns desses genes atuam sob condições de campo A análise dos loci de caracteres quantitativos QTL quantitative trait loci e a re produção tradicional também têm comprovado sua grande utilidade para a identificação de genes responsáveis pela tolerância a estresses abióticos em culturas agrícolas Em combinação com a engenharia genética esses métodos resultaram na identificação e no uso bemsucedido de ge nes responsáveis pela tolerância à salinidade no trigo e no arroz estresse por boro e alumínio no trigo no sorgo e na cevada além do estresse anaeróbico no arroz RESUMO Os mecanismos sensores das plantas detectam mudanças em seu ambiente e respondem a elas por meio de rotas dedicadas às respostas aos estresses Essas rotas abrangem redes gêni cas proteínas reguladoras e intermediários de sinalização bem como proteínas enzimas e moléculas que atuam na proteção das células aos efeitos tóxicos do estresse abiótico Juntos es ses mecanismos antiestresse capacitam as plantas a aclimata remse ou adaptaremse a estresses como seca calor frio sali nidade e suas combinações possíveis Uma meta importante da pesquisa é utilizar alguns desses mecanismos de aclimatação ou adaptação para a proteção de culturas agrícolas sob condi ções climáticas adversas que poderão resultar do aquecimento global Definição de estresse vegetal O estresse em geral pode ser definido como qualquer condição ambiental que impede a planta de atingir seu potencial genéti co pleno sob condições de crescimento ideais As respostas vegetais ao estresse abiótico envolvem confli tos tradeoffs entre os crescimentos vegetativo e reprodu tivo que podem diferir dependendo de a planta ser anual ou perene Aclimatação e adaptação A adaptação é caracterizada por mudanças genéticas em uma população inteira que foram fixadas por seleção natural duran te muitas gerações A aclimatação é o processo pelo qual as plantas individuais respondem a mudanças periódicas no ambiente mediante al teração direta de sua morfologia ou fisiologia As mudanças fisiológicas associadas com a aclimatação não requerem modi ficações genéticas e muitas são reversíveis O estresse pode ser definido como qualquer condição que im pede a planta de alcançar o crescimento e o potencial reprodu tivo máximos Figuras 241 242 Durante o ajuste fisiológico ao estresse abiótico ocorrem confli tos entre os desenvolvimentos vegetativo e reprodutivo Fatores ambientais e seus impactos biológicos nas plantas Os estresses ambientais podem transtornar o metabolismo vegetal através de diversos mecanismos a maioria dos quais resulta na acumulação de espécies reativas de oxigênio EROs Figuras 243 244 A desidratação celular leva a decréscimo da pressão de turgor aumento da toxicidade iônica e inibição da fotossíntese Figura 245 Tabela 241 O estresse salino provoca desnaturação proteica e desestabili zação de membranas que reduzem o crescimento vegetal aci ma do solo e inibem a fotossíntese Tabela 241 O estresse luminoso ocorre quando as plantas recebem mais luz solar do que conseguem usar fotossinteticamente Tabela 241 O estresse térmico afeta a estabilidade proteica as reações en zimáticas a fluidez das membranas e as estruturas secundárias de RNA e DNA Tabela 241 O solo inundado sofre esgotamento de oxigênio levando ao estresse anaeróbico para a raiz Tabela 241 O estresse pelo congelamento como o estresse pela seca pro voca desidratação celular Tabela 241 Os metais pesados podem substituir outros metais essenciais e romper reações fundamentais Tabela 241 A indisponibilidade de nutrientes minerais reprime o crescimen to e o desenvolvimento da planta O ozônio e a luz ultravioleta induzem a formação de EROs que por sua vez induzem a produção de lesões foliares e a morte celular programada Combinações de estresses abióticos podem ter efeitos na fi siologia e na produtividade das plantas que são diferentes dos efeitos dos estresses individuais Figuras 246 247 As plantas podem conquistar proteção cruzada quando expos tas sequencialmente a diferentes estresses abióticos Mecanismos sensores de estresse em plantas As plantas empregam mecanismos físicos biofísicos metabóli cos bioquímicos e epigenéticos para detectar estresses e ativar rotas de resposta Figura 248 Taiz24indd 760 Taiz24indd 760 27102016 101109 27102016 101109 Capítulo 24 Estresse Abiótico 761 Rotas de sinalização ativadas em resposta ao estresse abiótico Muitas rotas de resposta ao estresse compartilham intermediá rios da sinalização permitindo que elas sejam integradas Figu ras 2492412 Os regulons ativam simultaneamente rotas específicas de res posta ao estresse e suprimem outras rotas que são desnecessá rias ou poderiam mesmo danificar a planta durante o estresse Figura 2413 Os cloroplastos podem emitir sinais de dificuldade para o núcleo Uma onda autopropagante de produção de EROs alerta partes da planta até então não estressadas sobre a necessidade de uma resposta Figura 2414 Mecanismos de resposta ao estresse epigenético podem con duzir à proteção herdável Figura 2415 Os hormônios atuam separadamente e em conjunto para regu lar as respostas ao estresse abiótico Mecanismos fisiológicos e do desenvolvimento que protegem as plantas contra o estresse abiótico As plantas abaixam o Ψ da raiz para continuar a absorver água no solo em dessecação Figuras 2417 2418 O aerênquima permite a difusão de O2 em direção aos órgãos submersos Figura 2419 As EROs podem ser destoxificadas por rotas de inativação que reduzem o estresse oxidativo Figura 2420 As proteínas chaperonas protegem proteínas e membranas sen síveis durante o estresse abiótico Figura 2421 A exposição prolongada a temperaturas extremas pode alterar a composição de lipídeos de membrana permitindo assim que as plantas mantenham a fluidez de membrana Tabela 243 As plantas convivem com os íons tóxicos mediante exclusão e mecanismos internos de tolerância Figura 2422 As plantas geram proteínas anticongelamento para impedir a formação de cristais de gelo O fechamento estomático é provocado pelo efluxo de K e ânions das célulasguarda induzido pelo ABA Figuras 2424 2426 As plantas podem alterar sua morfologia foliar e sua razão en tre biomassas da raiz e da parte aérea para evitar ou mitigar o estresse abiótico Figuras 24272429 Alterações metabólicas capacitam as plantas a sobreviver aos estresses efêmeros como a inundação ou mudanças ambien tais do dia para a noite A inversão das rotas de resposta ao estresse deve ocorrer de uma maneira sincronizada para evitar a produção de EROs Os pesquisadores na área agrícola estudam os mecanismos sensores e a aclimatação das plantas às condições estressantes depois tentam desenvolver culturas vegetais com tolerância aumentada MATERIAL DA INTERNET Ensaio 241 Heterofilia em plantas aquáticas O ácido abs císico induz a morfologia foliar do tipo aéreo em muitas plantas aquáticas Leituras sugeridas Ahuja I de Vos R C Bones A M and Hall R D 2010 Plant molecular stress responses face climate change Trends Plant Sci 15 664674 Atkinson N J and Urwin P E 2012 The interaction of plant biotic and abiotic stresses From genes to the field J Exp Bot 63 35233543 Chinnusamy V and Zhu J K 2009 Epigenetic regulation of stress responses in plants Curr Opin Plant Biol 12 133 139 Lobell D B Schlenker W and CostaRoberts J 2011 Climate trends and global crop production since 1980 Science 333 616620 Mittler R 2002 Oxidative stress antioxidants and stress tolerance Trends Plant Sci 7 405410 Mittler R and Blumwald E 2010 Genetic engineering for modern agriculture Challenges and perspectives Annu Rev Plant Biol 61 443462 Mittler R Vanderauwera S Gollery M and Van Breusegem F 2004 Reactive oxygen gene network of plants Trends Plant Sci 9 490498 Peleg Z and Blumwald E 2011 Hormone homeostasis and abiotic stress tolerance in crop plants Curr Opin Plant Biol 14 16 Peleg Z Apse M P and Blumwald E 2011 Engineering salinity and water stress tolerance in crop plants Getting closer to the field Adv Bot Res 57 405443 Taiz24indd 761 Taiz24indd 761 27102016 101109 27102016 101109 Taiz24indd 762 Taiz24indd 762 27102016 101109 27102016 101109 Esta página foi deixada em branco intencionalmente Glossário A Abaxial Referese à superfície inferior da folha Abscisão Desprendimento de folhas flores e frutos de uma planta viva Pro cesso pelo qual células específicas no pecíolo pedúnculo diferenciamse para formar uma camada de abscisão per mitindo que um órgão em perecimento morto se separe da planta ACCoxidase Catalisa a conversão de ACC em etileno a última etapa na bios síntese do etileno Acetilação Adição química catalisada de um grupo acetato a outra molécula Ácido fosfatídico PA phosphatidic acid Diacilglicerol que possui um fosfato no terceiro carbono da estrutura de glicerol Ácido salicílico Derivado do ácido ben zoico Acreditase ser um sinal endógeno para a resistência sistêmica adquirida Ácidos auxina3indolacético AuxAIA Família de proteínas pequenas e de vida curta que se combinam com as proteínas TIR1AFB formando o receptor primário de auxina Em Arabidopsis essa família regula a expressão gênica induzida por auxina mediante ligação à proteína ARF que está ligada ao DNA Se a ARF espe cífica for um ativador transcricional a ligação AuxAIA reprime a transcrição AcilACP Cadeia de ácidos graxos liga da à proteína carregadora de acil Acil hidrolases Acil hidrolases são en zimas que removem grupos acila con sistindo em um grupo carbonila e um grupo alquila a partir de outros grupos funcionais Aclimatação fortalecimento Aumen to na tolerância ao estresse pela planta devido à exposição prévia a ele Pode en volver expressão gênica Comparar com adaptação Aclimatação sistêmica adquirida SAA systemic acquired acclimation Siste ma fotoprotetor no qual as folhas expos tas a níveis luminosos mais altos trans mitem um sinal a folhas sombreadas iniciando sua aclimatação Acompanhamento do sol Movimento das lâminas foliares durante o dia de modo que sua superfície planar perma nece perpendicular aos raios solares Acrópeto A partir da base até a extre midade de um órgão como caule raiz ou folha Actina Importante proteína esquelética de ligação ao ATP O monômero actina globular ou actina G pode ligar ADP ou ATP A actina G carregada de ATP pode se autoassociar formando filamentos polares longos de actina F Na forma de actina F o ATP é hidrolisado lentamen te Os filamentos crescem por adição de novos monômeros à extremidade mais também chamada de extremidade far pada e diminuem por liberação de mo nômeros de actina ligados ao ADP da extremidade menos também chamada de extremidade pontiaguda Actina F Actina filamentosa a forma de actina no protofilamento polimerizado que é produzida a partir da actina G Actina G Forma globular monomérica de actina da qual a actina F é formada Actinorrízico Relacionado a várias espécies vegetais lenhosas como os amieiros em que a simbiose ocorre com bactérias do solo pertencentes ao gênero Frankia fixador de nitrogênio Açúcarnucleotídeo polissacarídeo gli cosiltransferases Grupo de enzimas que sintetizam a estrutura básica dos po lissacarídeos da parede celular Acúleos Estruturas vegetais pontia gudas que impedem fisicamente a her bivoria e são derivadas de células epi dérmicas Adaptação Nível herdado de resistên cia adquirida por um processo de seleção durante muitas gerações Comparar com aclimatação Adaxial Referese à superfície superior de uma folha Adesão Atração da água a uma fase sólida como uma parede celular ou uma superfície vítrea devido em primeiro lu gar à formação de pontes de hidrogênio Adesina rica em cisteína no estigmaes tilete SCA stigmastyle cysteinerich adhesin Proteína secretada pelo trato transmissor de estiletes do lírio que é envolvida no crescimento e na adesão de tubos polínicos Aerênquima Característica anatômica de raízes encontradas em condições hi póxicas mostrando no córtex espaços in tercelulares grandes cheios de gás Aeroponia Técnica pela qual as plantas são cultivadas sem solo com suas raízes suspensas no ar enquanto são aspergidas continuamente com uma solução nu tritiva αexpansinas EXPA Uma das duas fa mílias principais de proteínas expansinas que catalisam o processo dependente do pH de expansão e relaxamento do estresse de paredes celulares Ajuste osmótico Capacidade da célula de acumular solutos compatíveis e redu zir o potencial hídrico durante períodos de estresse osmótico Alelopatia Liberação para o ambiente de substâncias vegetais que têm efeitos nocivos sobre plantas vizinhas Alocação Distribuição regulada de produtos da fotossíntese para armazena mento utilização eou transporte TaizGlossario2indd 763 TaizGlossario2indd 763 27102016 134334 27102016 134334 764 Glossário Alopoliploides Poliploides com geno mas completos múltiplos derivados de duas espécies separadas Alternância de gerações Presença de dois estágios multicelulares genetica mente distintos um haploide e um diploi de no ciclo de vida da planta A geração gametofítica haploide começa com a meiose enquanto a geração esporofítica diploide começa com a fusão de esper matozoide e óvulo Amadurecimento Processo que torna os frutos mais palatáveis incluindo ma ciez aumento da doçura perda de acidez e mudanças de coloração Amido Poliglucano que consiste em ca deias longas de moléculas de glicose com ligações 14 e pontos ramificados onde são usadas ligações 16 O amido é a modalidade de reserva de carboidrato na maioria das plantas Amiloplasto Plastídio armazenador de amido encontrado abundantemente em tecidos de reserva de caules raízes e se mentes Na coifa amiloplastos especiali zados também podem servir como senso res da gravidade das raízes Amolecimento Distensão irreversível a longo prazo característica de paredes ce lulares em crescimento expansão Prati camente inexistente em paredes que não estão se expandindo Amplitude Em um ritmo biológico é a distância entre os valores máximo e mí nimo com frequência ela pode variar en quanto o período permanece inalterado Anáfase Estágio da mitose durante o qual as duas cromátides de cada cromos somo replicado são separadas e se deslo cam para polos opostos Anáfase A Anáfase inicial durante a qual as cromátidesirmãs se separam e começam a se deslocar para os polos opostos Anáfase B Anáfase tardia durante a qual os microtúbulos polares deslizam e passam um pelo outro e estendemse afastando os polos do fuso Simultanea mente os cromossomosirmãos são em purrados para seus respectivos polos Análise de tecidos vegetais No con texto da nutrição mineral é a análise das concentrações de nutrientes em uma amostra vegetal Análise do solo Determinação química do conteúdo de nutrientes em uma amos tra de solo coletada na zona das raízes Análise por microarranjo Técnica que usa um suporte sólido sobre o qual são marcadas milhares de sequências de DNA representativas de genes singu lares de determinada espécie Todos os genes de um arranjo podem ser inves tigados em um único experimento au mentando o poder da análise gênica em muitas vezes quando comparada aos mé todos clássicos Anatomia Kranz G Kranz coroa ou auréola Disposição semelhante à coroa de células do mesofilo ao redor de uma camada de células grandes da bainha do feixe vascular As duas camadas concên tricas de tecido fotossintético circundan do o feixe vascular Essa característica anatômica é típica de folhas de muitas plantas C4 Aneuploidia Condição em que os geno mas contêm cromossomos adicionais ou menos cromossomos individuais conjun tos cromossômicos incompletos do que o normal Angiospermas Plantas floríferas Com sua estrutura reprodutora inovadora a flor constituem o tipo mais avançado de espermatófitas e dominam a paisagem Elas se distinguem das gimnospermas pela presença de um carpelo que envolve as sementes Ângulo de contato Medida quantitativa do grau com que uma molécula de água é atraída a uma fase sólida em relação a si própria Ângulo do valoralvo gravitrópico Ân gulo em que os órgãos gravitrópicos são mantidos em relação à gravidade Anterídio Órgão masculino que produz a célula espermática na geração gametofí tica de plantas inferiores Anticlinal Referente à orientação da pla ca celular em ângulo reto em relação ao eixo longitudinal durante a citocinese Antiporte Tipo de transporte ativo se cundário em que o movimento passivo a favor do gradiente de prótons ou outros íons aciona o transporte ativo contra o gradiente de um soluto na direção opos ta Aparato da oosfera As três células na extremidade micropilar do saco embrio nário consistindo em oosfera e duas si nérgides Aparato filiforme Parede celular es pessada e convoluta que aumenta a área de superfície da membrana plasmática de uma sinérgide na extremidade da mi crópila Ápice do caule Consiste no meristema apical do caule mais os primórdios folia res formados mais recentemente órgãos derivados do meristema apical Aplicação foliar Aplicação por pulve rização e absorção foliar de alguns nu trientes minerais Apoplasto Sistema vegetal geralmente contínuo composto de paredes celulares espaços intercelulares e vasos Apoptose Tipo de morte celular progra mada encontrado em animais mostrando alterações morfológicas e bioquímicas ca racterísticas incluindo a fragmentação do DNA nuclear entre os nucleossomos Mu danças do tipo apoptose ocorrem também em alguns tecidos vegetais senescentes nos elementos traqueais xilema em dife renciação e na resposta da hipersensibili dade contra patógenos Aprisionamento de organelas Fixação de uma organela a uma estrutura de ci toesqueleto ou de membrana Algumas classes de motores de miosina ou cine sina que fixam organelas à actina F ou a microtúbulos respectivamente Aquaporinas Proteínas integrais de membrana que formam canais seletivos de água através da membrana Esses ca nais facilitam o movimento da água atra vés da membrana ARABIDOPSIS HSTIDINE PHOSPHO TRANSFER AHP Gene envolvido na propagação do sinal de citocininas do receptor na membrana plasmática para o núcleo ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR ARR Genes de Arabidopsis seme lhantes às proteínas bacterianas de si nalização de dois componentes que são denominadas reguladores de resposta Existem duas classes ARR do tipo A cuja transcrição é regulada por citocininas e ARR do tipo B cuja expressão não é afe tada por citocininas Arabinanos Polissacarídeos neutros com uma estrutura de resíduos de arabi nose com ligações 15 decorados com cadeias laterais curtas ou simples forma das de arabinose Os arabinanos podem ser polímeros separados ou podem ser domínios vinculados à estrutura de ram nogalacturonano I Arabinogalactano do tipo 1 Polissa carídeo péctico com uma estrutura bási ca de Dgalactano com ligação β14 TaizGlossario2indd 764 TaizGlossario2indd 764 27102016 134334 27102016 134334 Glossário 765 decorada com resíduos simples de arabi nose Arabinoxilano Polissacarídeo de parede celular ramificado consistindo em uma estrutura básica de resíduos de xilose com cadeias laterais de arabinose Arbúsculos Estruturas ramificadas de fungos micorrízicos que se formam den tro das células penetradas Eles são os sítios de transferência de nutrientes entre o fungo e a planta hospedeira Também chamados de hifas em espiral ARGONAUTE AGO Proteína catalítica que é parte do complexo de silenciamento induzido pelo RNA Arp 23 Proteínas 2 e 3 relacionadas à actina que se ligam ao lado de um fila mento de actina preexistente e formam um complexo para iniciar o crescimento de um ramo de filamento de actina Arquegônio Órgão feminino que pro duz oosfera na geração gametofítica de plantas inferiores Arquitetura do sistema de raízes Dis posição geométrica geral das raízes da planta constituindo um sistema ARR do tipo A Genes de Arabidopsis que codificam reguladores de resposta com postos de apenas um domínio receptor ARR do tipo B Genes de Arabidopsis que codificam reguladores de resposta que possuem um domínio de saída além do domínio receptor Ascorbato peroxidase Enzima que converte peróxido e ascorbato em desi droascorbato e água Asparagina sintetase AS Enzima que transfere nitrogênio como um grupo ami no da glutamina ao aspartato formando asparagina Aspartato aminotransferase AspAT Aminotransferase que transfere o grupo amino do glutamato para o átomo carbo xila do oxalacetato formando aspartato Assimilação de nutrientes Incorpora ção de nutrientes minerais em compostos de carbono como pigmentos cofatores enzimáticos lipídeos ácidos nucleicos ou aminoácidos Ativadores No controle da transcrição fatores de transcrição de ação positiva que se ligam a sequências reguladoras distais geralmente localizadas dentro de 1000 pb do sítio de iniciação da transcrição Atividade do dreno Taxa de absorção de fotossintatos por unidade de peso do tecido do dreno ATPsintase Complexo proteico de mul tissubunidades que sintetiza ATP a partir de ADP e fosfato P Os tipos F0F1 e CF0 CF1 estão presentes em mitocôndrias e cloroplastos respectivamente Também chamado de Complexo V Atricoblastos Células epidérmicas da raiz que são incapazes de formar pelos αtubulina Em conjunto com a βtubulina um componente do monô mero heterodímero que polimeriza para formar microtúbulos Autofagia Mecanismo catabólico que via autofagossomos transfere macromo léculas celulares e organelas aos vacúolos líticos onde são degradadas e recicladas Autofagossomo Organela ligada à membrana dupla que disponibiliza com ponentes celulares ao vacúolo para degra dação Autoincompatibilidade SI selfincom patibility Termo geral para diferentes mecanismos genéticos em angiospermas que visam impedir a autofertilização e portanto promover a polinização cruzada não confundir com mecanismos tempo rais ou anatômicos como a heterostilia que também reduzem a autopolinização Autoincompatibilidade esporofítica SSI sporophitic selfincompatibility Um tipo de autoincompatibilidade em que o fenótipo de incompatibilidade do grão de pólen é determinado pelo geno ma diploide do seu progenitor especifi camente o tapete da antera Autoincompatibilidade gametofítica GSI gametophytic selfincompatibility Tipo de autoincompatibilidade em que a incompatibilidade fenotípica do pólen é determinada pelo genótipo do próprio pó len haploide Autopoliploides Poliploides contendo genomas completos múltiplos de uma única espécie B Bacillus thuringiensis Bt Bactéria de solo que é fonte de um transgene muito utilizado e que codifica uma toxina inse ticida Bacterioclorofilas Pigmentos absorven tes de luz ativos na fotossíntese de orga nismos anoxigênicos Bacteroides Organelas fixadoras de ni trogênio que se desenvolvem a partir de bactérias endossimbiontes sob um sinal da planta hospedeira Baga Fruto carnoso simples produzido por um ovário único e consistindo em um exocarpo pigmentado externo um me socarpo suculento e carnoso e um endo carpo membranoso Bainha amilífera Camada de células que envolve o sistema vascular do caule e coleóptilo e tem continuidade com a en doderme da raiz Ela é necessária para o gravitropismo em caules de Arabidopsis Bainha do feixe Uma ou mais cama das de células firmemente justapostas circundando as nervuras pequenas de folhas e os feixes vasculares primários de caules Banda préprófase Disposição circular de microtúbulos e microfilamentos for mada no citoplasma cortical um pouco antes da divisão celular Ela envolve o núcleo e prediz o plano de citocinese da mitose seguinte Basípeto A partir do ápice de cresci mento de um caule ou raiz em direção à base junção da raiz e parte aérea βexpansinas EXPBs Uma das duas principais famílias de expansinas o nú mero de genes de EXPB é especialmente numeroso em gramíneas onde um sub conjunto é abundantemente expresso no pólen e facilita a penetração do tubo polí nico no estigma Biobalística Procedimento também chamado de técnica do gene gun em que partículas diminutas de ouro revestidas com os genes de interesse são mecani camente injetadas nas células da cultura Parte do DNA é aleatoriamente incorpo rada ao genoma das célulasalvo Biologia de sistemas Abordagem para examinar processos vivos complexos que empregam modelos matemáticos e com putacionais visando estimular redes bio lógicas não lineares e prever melhor sua operação Biosfera Partes da superfície e da atmosfera da Terra que sustentam os or ganismos vivos que a habitam Bombas Proteínas de membrana que realizam o transporte ativo primário atra vés de uma membrana biológica A maio ria das bombas transporta íons como H ou Ca2 βoxidação Oxidação de ácidos graxos em graxoacilCoA e decomposição se quencial dos ácidos graxos em unidades de acetilCoA NADH também é produ zido TaizGlossario2indd 765 TaizGlossario2indd 765 27102016 134334 27102016 134334 766 Glossário Bráctea Estrutura pequena semelhante à folha com lâmina não desenvolvida Brassinolídeo Hormônio esteroidal ve getal com atividade promotora de cresci mento isolado pela primeira vez do pólen de Brassica napus Pertence a um grupo de hormônios esteroidais vegetais com ativi dades semelhantes denominados brassi nosteroides Brassinosteroides Grupo de hormônios esteroidais vegetais que exercem papéis importantes em muitos processos de de senvolvimento incluindo a divisão e o alongamento celulares em caules e raízes fotomorfogênese desenvolvimento re produtivo senescência foliar e respostas a estresses Briófita Ver Plantas avasculares βtubulina Em conjunto com αtubulina um componente do monômero heterodi mérico que polimeriza para formar mi crotúbulos C Cadeia de transporte de elétrons Sé rie de complexos proteicos na membrana mitocondrial interna ligados pelos carre gadores móveis de elétrons ubiquinona e citocromo c que catalisam a transferência de elétrons de NADH para O2 No pro cesso é liberada grande quantidade de energia Parte da energia é conservada como um gradiente eletroquímico de pró tons Cadeia respiratória Ver Cadeia de transporte de elétrons Caeliferinas Família de ácidos graxos αhidroxissulfatados que elicitam a pro dução de voláteis vegetais e respostas imunológicas Caleosinas Proteínas de ligação ao cál cio na lâmina externa de membranas de corpos lipídicos que como as oleosinas têm uma sequência hidrofóbica grande que penetra no triglicerídeo lipídeo de reserva do corpo lipídico Calmodulina Proteína conservada de ligação ao Ca2 encontrada em todos os eucariotos ela regula muitas reações me tabólicas acionadas pelo Ca2 Calor específico Razão entre a capa cidade calorífica de uma substância e a capacidade calorífica de uma substância de referência geralmente a água A capa cidade calorífica é a quantidade de calor necessária para mudar a temperatura de uma unidade de massa em 1oC A capa cidade calorífica da água é de 1 caloria 4184 Joule por grama por grau Celsius Calor latente de vaporização Energia necessária para separar moléculas da fase líquida e movêlas para a fase gasosa à temperatura constante Calose Glucano com ligação β13 sintetizado na membrana plasmática e depositado entre ela e a parede celular A calose é sintetizada por elementos criva dos em resposta a um dano estresse ou como parte de um processo de desenvol vimento normal Calose de lesão Calose depositada nos poros de elementos crivados danificados isolandoos do tecido circundante intac to À medida que os elementos crivados se restabelecem a calose desaparece dos poros CAM Ver Metabolismo ácido das cras suláceas CAM facultativo Encontrado em algu mas espécies vegetais que sob condições de estresse pela seca alternam entre o metabolismo C3 ou C4 e o metabolismo CAM Camada de aleurona Camada distinta de células de aleurona que circunda o en dosperma amiláceo de grãos de cereais Camada de separação Camada celular dentro da zona de abscisão cujas paredes celulares se decompõem fazendo o órgão folha ou fruto ser desprendido da planta Câmbio Camada de células meristemá ticas entre o xilema e o floema que pro duz células desses tecidos resultando no crescimento lateral secundário do caule ou da raiz Câmbio suberoso Camada de meris tema lateral que se desenvolve dentro de células diferenciadas do córtex e do floema secundário Produz as camadas protetoras secundárias que juntas cons tituem a periderme Também chamado de felogênio Câmbio vascular Meristema lateral que consiste em células iniciais fusiformes e radiais e que origina os elementos secun dários de xilema e floema assim como o parênquima radial Campos de pontoações Depressões nas paredes celulares primárias onde numerosos plasmodesmos estabelecem conexões com células adjacentes Quando presentes as paredes secundárias não são depositadas nos locais de campos de pon toações originando pontoações Canais Proteínas transmembrana que funcionam como poros seletivos para o transporte passivo de íons ou de água através da membrana Canal de infecção Extensão tubular in terna da membrana plasmática de pelos das raízes através da qual os rizóbios pe netram nas células corticais da raiz Canalização da luz Em células fotossin tetizantes é a propagação de parte da luz incidente através do vacúolo central de células do parênquima paliçádico e atra vés dos espaços intercelulares Capilaridade Movimento ascendente da água por distâncias pequenas em um tubo capilar de vidro ou dentro da parede celular devido à coesão adesão e tensão superficial da água Cardenolídeos Glicosídeos esteroidais que têm sabor amargo e são extremamen te tóxicos para animais superiores me diante sua ação sobre ATPases ativadas por NaK Eles são extraídos da dedaleira Digitalis para tratamento de distúrbios cardíacos humanos Carga mutacional Número total de ge nes deletérios que se acumularam no ge noma de um indivíduo ou de uma popu lação podendo causar doença Carotenoides Polienos lineares dis postos como uma cadeia plana em zigue zague com ligações duplas conjugadas Esses pigmentos de cor laranja funcionam como pigmentos antena e agentes foto protetores Carregadoras Proteínas de transporte em membranas que se ligam a um solu to Elas passam por mudança conforma cional e liberam o soluto no outro lado da membrana Carregamento do floema Movimento de produtos fotossintéticos dos cloro plastos do mesofilo para os elementos crivados de folhas maduras Inclui etapas de transporte de curta distância e carre gamento do elemento crivado Ver também Descarregamento do floema Carregamento do xilema Processo pelo qual os íons saem do simplasto e entram nas células condutoras do xilema Carriquinolida Componente da fumaça que estimula a germinação de sementes similar estruturalmente às estrigolacto nas Casca Termo coletivo para todos os te cidos externos ao câmbio de caules ou raízes lenhosos composta de floema e periderme TaizGlossario2indd 766 TaizGlossario2indd 766 27102016 134334 27102016 134334 Glossário 767 Casca da semente Ver Testa Cascata MAP proteína ativada por mi tógeno mitogenactivated protein qui nase Ligação de um sinal do ligante que resulta na fosforilação e na ativação de uma série de enzimas quinases Catalase Enzima que decompõe pe róxido de hidrogênio em água Quando abundante em peroxissomos ela pode formar arranjos cristalinos Caule Eixo primário da planta que ge ralmente se situa acima do nível do solo mas são comuns os caules subterrâneos modificados anatomicamente semelhan tes como os rizomas e os bulbos Cavitação Colapso de tensão de uma coluna de água resultante da expansão indefinida de uma minúscula bolha de gás CCAAT box Sequência de nucleotídeos envolvidos na iniciação da transcrição em eucariotos Célula apical Em fetos e outras plantas vasculares primitivas ela é a única célula inicial ou célulatronco de raízes ou cau les e origina todas as outras células do ór gão Na embriogênese de angiospermas ela é a menor célula rica em citoplasma formada na primeira divisão do zigoto Célula basal Na embriogênese é a cé lula maior e vacuolada formada pela primeira divisão do zigoto Ela origina o suspensor Célula central Célula no saco embrio nário que se funde com a célula esper mática secundária originando a célula endospérmica primária Célula companheira ordinária Tipo de célula companheira com relativamente poucos plasmodesmos que se conectam a qualquer uma das células circundantes que não seu elemento crivado associado Célula do tubo Ver Célula vegetativa Célula fundamental da linhagem esto mática CFLE Uma das duas células filhas da divisão da célulamãe do me ristemoide durante a diferenciação das célulasguarda Célula intermediária Um tipo de célula companheira com numerosas conexões de plasmodesmos com células circundan tes especialmente com as células de bai nhas dos feixes vasculares Célulamãe de célulasguarda CMCG Célula que origina o par de célulasguar da para formar um estômato Célulamãe de megásporo Célula no interior do rudimento seminal que por meiose origina megásporos Célulamãe de pólen Microsporócito que se divide por meiose produzindo os micrósporos na antera Célula vegetativa Uma das duas células produzidas pela divisão do núcleo do mi crósporo durante a microgametogênese em grãos de pólen de angiospermas De pois que a célula generativa é engolfada a célula vegetativa origina o tubo polínico após a polinização Células albuminosas Células associa das aos elementos crivados no floema de gimnospermas Embora similares às células companheiras nas angiospermas elas têm uma origem de desenvolvimento diferente Também denominadas células de Strasburger Células alveolares Camada de células circundada por paredes celulares tubifor mes formadas durante a celularização do endosperma cenocítico Células antipodais Células localizadas na extremidade calazal do saco embrio nário em um gametófito feminino ma duro Células arquesporiais Células que ori ginam ou a célulamãe de pólen célula mãe de micrósporo masculina ou a célulamãe de megásporo feminina Células buliformes Células grandes em forma de bolha geralmente agrupa das na face adaxial da epiderme foliar de gramíneas A contração e a expansão das células buliformes em resposta a mudan ças de turgor regulam o enrolamento e o desenrolamento da folha Células companheiras Em angiosper mas elas são células metabolicamente ativas conectadas a seu elemento crivado por plasmodesmos grandes e ramificados assumem muitas das atividades metabóli cas do elemento crivado Em folhasfonte elas atuam no transporte de fotossintatos para os elementos crivados Células crivadas Elementos crivados de gimnospermas relativamente não espe cializados Comparar com elementos de tubo crivado Células de transferência Um tipo celu lar semelhante a uma célula companheira ordinária mas com projeções digitifor mes das suas paredes Essas projeções aumentam consideravelmente a área de superfície da membrana plasmática e a capacidade de transporte de solutos atra vés da membrana a partir do apoplasto Células do meristema fundamental Células meristemáticas que originam os tecidos corticais e medulares na raiz e no hipocótilo essas células produzirão a endoderme Células em paliçada Uma a três cama das de células fotossintéticas colunares localizadas abaixo da face superior da epiderme da folha constituindo o parên quima paliçádico Células fundamentais pavement cells Tipo predominante de células epidérmi cas foliares que secretam uma cutícula serosa e servem para proteger a planta da desidratação e de danos provocados pela radiação ultravioleta Célulasguarda Par de células epidér micas especializadas que circundam a fenda estomática elas regulam a abertura e o fechamento do estômato Célulasmães de meristemoide CMMs meristemoid mother cells Células da protoderme foliar que se dividem assime tricamente a assim chamada divisão de entrada para originar o meristemoide um precursor da célulaguarda Células silicosas Em membros da famí lia das gramíneas células especializadas na superfície foliar que contêm corpos silicosos Células subsidiárias Células epidérmi cas especializadas situadas ao lado das célulasguarda e que atuam junto com elas no controle das aberturas estomáti cas Celulose Cadeia linear de Dglicose com ligações β14 A unidade de repe tição é a celobiose Celulose sintase Enzima que catalisa a síntese de Dglucanos individuais com ligações β14 que formam a microfi brila de celulose Centro quiescente Região central do meristema da raiz onde as células se di videm mais lentamente do que as células circundantes ou não se dividem Centrômero Região constrita no cro mossomo mitótico onde o cinetocoro se forma e ao qual as fibras do fuso se fixam Centros FeS Grupos prostéticos forma dos de ferro e enxofre inorgânicos que são abundantes em proteínas no trans porte de elétrons respiratório e fotossin tético TaizGlossario2indd 767 TaizGlossario2indd 767 27102016 134335 27102016 134335 768 Glossário CESA celulose sintase A Família mul tigênica de celuloses sintase encontrada em todas as plantas terrestres Ciclinas Proteínas reguladoras associa das a quinases dependentes de ciclina que desempenham um papel crucial na regulação do ciclo celular Ciclo de CalvinBenson Rota bioquí mica de redução de CO2 a carboidrato O ciclo envolve três fases a carboxilação de ribulose15bifosfato com CO2 atmos férico catalisada pela rubisco a redução de 3fosfoglicerato a trioses fosfato pela 3fosfoglicerato quinase e pela NADP gliceraldeído3fosfato desidrogenase a regeneração da ribulose15bifosfato mediante a ação conjunta de dez reações enzimáticas Ciclo do ácido cítrico Ciclo de reações localizadas na matriz mitocondrial cata lisadoras da oxidação de piruvato a CO2 ATP e NADH são gerados no processo de oxidação Ciclo do glioxilato Sequência de rea ções que convertem duas moléculas de acetilCoA em succinato no glioxissomo Ciclo Q Mecanismo de oxidação de plastohidroquinona em cloroplastos e ubihidroquinona em mitocôndrias Cinesinas Proteínas motoras de ligação aos microtúbulos que se ligam ao ATP e interagem com microtúbulos bem como se ligam às moléculas da carga Elas são responsáveis pelo movimento da carga com hidrólise de ATP ao longo de mi crotúbulos ou pela ancoragem da carga como organelas ou cromossomos con densados nos microtúbulos As cargas das cinesinas podem ser outros microtú bulos e assim elas orientam a dinâmica do fuso durante a divisão celular Cinetocoro Sítio de ligação das fibras do fuso ao cromossomo na anáfase Tratase de uma estrutura em camada associada ao centrômero a qual contém proteínas de ligação aos microtúbulos e cinesinas que ajudam a despolimerizar e encurtar os microtúbulos do cinetocoro Circunutação Tendência do ápice de um caule ou de uma raiz de oscilar segundo um padrão em espiral durante o cresci mento Cisgenia Técnicas de engenharia gené tica em que os genes são transferidos en tre plantas que de outra maneira pode riam também ser cruzadas sexualmente Cisternas Rede de sáculos e túbulos achatados que compõem o retículo endo plasmático Citocinese Após a divisão nuclear em células vegetais a citocinese é a separa ção dos núcleosfilhos pela formação de nova parede celular Citocromo c Componente periférico e móvel da cadeia mitocondrial de trans porte de elétrons que oxida o complexo III e reduz o complexo IV Citocromo c oxidase complexo IV Complexo de multissubunidades na ca deia mitocondrial de transporte de elé trons que catalisa a oxidação de citocro mo c reduzido e a oxidação de O2 a H2O ligada ao bombeamento de prótons da matriz para o espaço intermembrana Citocromo f Uma subunidade no com plexo citocromo b6f que desempenha um papel no transporte de elétrons entre os fotossistemas I e II Citocromo P450monoxigenases CYPs Denominação genérica para um grande número de enzimas oxidativas de função mista localizadas no retículo endoplas mático As CYPs são aparentadas mas di ferentes e participam de uma diversidade de processos oxidativos incluindo etapas na biossíntese de giberelinas e brassinos teroides Citoesqueleto O citoesqueleto é com posto de microfilamentos polarizados de actina ou microtúbulos de tubulina Ele auxilia no controle da organização e da polaridade de organelas e células durante o crescimento Citoplasma Matéria celular limitada pela membrana plasmática que excluin do o núcleo contém o citosol os ribosso mos e o citoesqueleto Em eucariotos ele circunda organelas intracelulares e limi tadas por membranas cloroplastos mi tocôndrias retículo endoplasmático etc Citosol Fase coloidalaquosa do cito plasma contendo solutos dissolvidos mas excluindo estruturas supramoleculares como ribossomos e componentes do cito esqueleto Cladódios Caules fotossintetizantes achatados que desempenham as funções de folhas como em opúncia Opuntia Cactaceae Clatrinas Proteínas que têm uma estru tura única em tríscele do inglês triske lion Espontaneamente elas se unem em gaiolas de 100 nm que revestem vesículas associadas à endocitose junto à membra na plasmática e a outros eventos do trá fego celular Climatérico Elevação pronunciada da respiração no começo do amadurecimen to constatada em todos os frutos que amadurecem em resposta ao etileno e no processo de senescência de folhas e flores desprendidas Clonagem com base em mapeamento Técnica que emprega análise genética da descendência de cruzamentos entre uma planta mutante e uma do tipo selvagem para restringir a localização da mutação a um pequeno segmento do cromossomo que pode então ser sequenciado Clorofilas Grupo de pigmentos verdes absorventes de luz e ativos na fotossín tese Cloroplasto Organela que é o sítio da fotossíntese em organismos eucarióticos fotossintetizantes Clorose Amarelecimento de folhas que ocorre como consequência de deficiência mineral As folhas afetadas e a locali zação da clorose nelas podem servir ao diagnóstico do tipo de deficiência Coeficiente de difusão DS Constante de proporcionalidade que mede o quão facilmente uma substância específica s movese por determinado meio O coefi ciente de difusão é uma característica da substância e depende do meio Coeficiente de temperatura Q10 Au mento da taxa de um processo p ex respiração para cada aumento térmico de 10oC Coesão Atração mútua entre molécu las de água devido à extensa formação de pontes de hidrogênio Coevolução Adaptações genéticas vin culadas de dois ou mais organismos Coifa Células junto ao ápice da raiz que cobrem as células meristemáticas e as protegem de dano mecânico à medida que a raiz se move pelo solo A coifa é o sítio da percepção da gravidade e da sina lização da resposta gravitrópica Colarinho da parede Colarinho con tendo calose ao redor de um plasmodes mo que pode mudar de tamanho e desse modo afetar o limite de tamanho de ex clusão Colênquima Parênquima especializa do com paredes celulares primárias ricas em pectina e irregularmente espessadas A função desse tecido é dar sustentação a partes em crescimento de um caule ou a folhas Coleóptilo Folha modificada consti tuindose de uma bainha que cobre e protege as folhas primárias jovens de uma plântula de gramínea à medida que TaizGlossario2indd 768 TaizGlossario2indd 768 27102016 134335 27102016 134335 Glossário 769 ela cresce no solo A percepção unilateral da luz especialmente a luz azul pela ex tremidade resulta em crescimento assi métrico e curvatura devido à distribuição desigual de auxina nos lados iluminados e sombreados Coleorriza Bainha protetora envolvendo a radícula do embrião de representantes da família Poaceae Columela Cilindro central da coifa Comensalismo Relação entre dois orga nismos em que um se beneficia sem afe tar negativamente o outro Compartimento prévacuolar Compar timento de membrana equivalente ao en dossomo tardio em células animais onde a separação ocorre antes que as cargas se jam liberadas em um vacúolo lítico Compensação de temperatura Uma característica de ritmos circadianos que podem manter sua periodicidade circa diana por uma faixa ampla de temperatu ras dentro do espectro fisiológico Complementação Procedimento gené tico pelo qual duas mutações recessivas são introduzidas na mesma célula para descobrir se elas executam a mesma fun ção genética sendo portanto alelos Se a configuração trans m m1 exibir um fenótipo mutante as mutações são aléli cas se mostrar um fenótipo do tipo selva gem elas são não alélicas Complexo antena Grupo de moléculas pigmentadas que cooperam na absorção de energia luminosa e a transferem para um complexo de centro de reação Complexo citocromo b6f Complexo proteico grande de multissubunidades contendo dois hemes do tipo b um heme do tipo c citocromo f e uma proteína Rieske ferrosulfurosa Proteína imóvel distribuída igualmente entre as regiões dos grana e o estroma das membranas Complexo citocromo bc1 complexo III Complexo proteico de multissubunidades na cadeia mitocondrial de transporte de elétrons que catalisa a oxidação de ubi quinona reduzida ubiquinol e a redução de citocromo c ligado ao bombeamento de prótons da matriz para o espaço inter membrana Complexo COP1SUPRESSOR DE PHYA COP1SPA Proteína que forma um complexo com COP1 e reprime a foto morfogênese Complexo da enzima nitrogenase Complexo proteico de dois componentes que conduz a fixação biológica do nitro gênio em que a amônia é produzida a partir de nitrogênio molecular Complexo de iniciação da transcrição Complexo multiproteico de fatores de transcrição necessário para a ligação da RNApolimerase e a iniciação da trans crição Complexo de silenciamento induzido pelo RNA RISC RNAinduced silencing complex Complexo multiproteico que incorpora uma fita de um RNA de inter ferência curto siRNA ou microRNA miRNA Os complexos RISC ligamse ao mRNA e o clivam impedindo assim a tradução Complexo do centro de reação Grupo de proteínas de transferência de elétrons que recebe energia do complexo antena e a converte em energia química usando reações de oxidaçãoredução Complexo do poro nuclear CPN Es trutura desenvolvida com 120 nm de lar gura composta de mais de uma centena de proteínas nucleoporinas diferentes com disposição octogonal O CPN forma um poro grande na membrana nuclear delimitado por proteínas Complexo estomático Constituído por célulasguarda células subsidiárias e fenda estomática que juntas regulam a transpiração foliar Complexo II de captação de luz LHCII lightharvesting complex II O mais abundante complexo antena de proteí nas associado primariamente ao fotos sistema II Complexo promotor de anáfase Du rante a mitose este complexo proteico controla a destruição de proteínas ciclinas pelo proteassomo permitindo que as cro mátides alinhadas na metáfase se sepa rem para seus respectivos polos Complexo sinalossomo COP9 CSN Complexo proteico que parece facilitar a entrada de COP1 no núcleo Complexo sinaptonêmico Estrutura proteica que se forma entre cromossomos homólogos durante a prófase 1 da meiose Complexo V Ver ATPsintase Complexos IV Também conhecidos como complexos respiratórios eles são NADHdesidrogenase complexo I suc cinato desidrogenase complexo II o complexo citocromo bc1 complexo III citocromo c oxidase complexo IV e a F0F1sintase complexo V Apenas o com plexo V não está envolvido no transporte de elétrons Complexos SPHASE KINASEASSOCIA TED PROTEIN 1 Skp1CullinFbox SCF Complexos proteicos grandes que atuam como ubiquitina E3 ligases nas rotas de sinalização de vários hormônios vegetais Comprimento crítico do dia Compri mento mínimo do dia exigido para o flo rescimento de uma planta de dia longo é o comprimento máximo do dia que possi bilitará o florescimento de plantas de dia curto No entanto estudos têm demons trado que o importante é o comprimento da noite não o do dia Comprimento de onda λ Unidade de medida para caracterização da energia lu minosa Ele é a distância entre sucessivas cristas de onda No espectro visível cor responde a uma cor Concentração crítica de um nutriente Conteúdo mínimo de um nutriente mine ral no tecido que é correlacionado ao cres cimento ou ao rendimento máximo Condutividade hidráulica Descreve o quão rapidamente a água pode se mover através de uma membrana ela é expressa em termos de volume de água por unida de de área de membrana pelo tempo por unidade de força propulsora ie m3 m2 s1 MPa1 Condutividade hidráulica do solo Me dida da facilidade com que a água se move no solo Conexão citoplasmática cytoplasmic sleeve Região do citoplasma entre a membrana plasmática e o desmotúbulo central derivado do retículo endoplasmá tico em um plasmodesmo Configuração rabl Posicionamento pro posto de cromossomos dentro de um nú cleo no qual todos os centrômeros e todos os telômeros apontam em direção oposta Coníferas Árvores dotadas de cones CONSTANS CO Gene de um compo nentechave de uma rota reguladora que promove o florescimento de Arabidopsis em dias longos ele codifica uma proteína que regula a transcrição de outros genes COPI Proteína de revestimento de ve sícula que direciona vesículas envolvi das no movimento retrógrado dentro do complexo de Golgi e deste para o retículo endoplasmático COPII Proteína de revestimento de ve sícula que direciona o fornecimento da membrana e dos conteúdos da vesícula para o complexo de Golgi a partir do re tículo endoplasmático TaizGlossario2indd 769 TaizGlossario2indd 769 27102016 134335 27102016 134335 770 Glossário Corpo Região interna do meristema api cal do caule na qual os planos de divisão celular não estão fortemente polarizados levando a aumentos no volume do caule Corpo autofágico Organela simples ligada à membrana derivada do autofa gossomo que penetra no vacúolo e libera seus conteúdos para degradação Corpo multivesicular Parte do com partimento de triagem prévacuolar que atua na degradação de vacúolos e de suas membranas Corpo primário da planta Parte da planta derivada diretamente dos me ristemas apicais do caule e da raiz Ele é composto de tecidos resultantes do cres cimento primário ao contrário do corpo secundário Corpos contendo rubisco Vesículas contendo rubisco consideradas como originadas de cloroplastos senescentes subsequentemente elas são engolfadas por autofagossomos e disponibilizadas ao vacúolo para degradação Corpos de proteínas P Estruturas des contínuas de proteínas P esféricas fu siformes ou espiraladastorcidas pre sentes no citosol de elementos de tubos crivados floema imaturos Em geral estão dispersos em formas tubulares ou fibrilares durante a maturação celular Corpos lipídicos Também conhecidos como oleossomos ou esferossomos são organelas que acumulam e armazenam triacilgliceróis Eles são circundados por uma única lâmina fosfolipídica mono camada fosfolipídica derivada do retí culo endoplasmático Corpos prólamelares Sofisticados arranjos semicristalinos de túbulos membranosos que se desenvolvem em plastídios ainda não expostos à luz etio plastos Corpos proteicos Organelas de reserva proteica envolvidas por uma membrana simples eles são encontrados principal mente em tecidos de sementes Corrente citoplasmática Movimento coordenado de partículas e organelas pelo citosol Córtex Região externa da raiz delimi tada externamente pela epiderme e inter namente pela endoderme Cossupressão Decréscimo da expressão de um gene quando são introduzidas có pias extras Crescimento ácido Uma característica de paredes celulares em crescimento em que elas se estendem mais rapidamente em pH ácido do que em pH neutro Crescimento anisotrópico Aumento que é maior em uma direção do que em outra por exemplo as células que se alon gam no eixo do caule ou da raiz crescem mais em comprimento do que em largura Crescimento apical Crescimento loca lizado na extremidade de uma célula ve getal causado por secreção localizada de novos polímeros de parede Ele ocorre em tubos polínicos pelos de raízes algumas fibras e tricomas filamentosos da semente do algodoeiro bem como no protonema musgo e em hifas fungos Crescimento difuso Um tipo de cresci mento celular vegetal em que a expansão ocorre mais ou menos uniformemente por toda a superfície Comparar com cres cimento apical Crescimento primário Fase do desen volvimento vegetal que origina novos órgãos e a forma básica da planta Ele re sulta da proliferação celular nos meriste mas apicais seguida do alongamento e da diferenciação celulares Crescimento secundário Crescimento que ocorre após o alongamento completo do órgão Ele envolve o câmbio vascular produtor de xilema e floema secundá rios e o felogênio produtor da perider me CRIPTOCROMO 1 CRY1 Flavoproteína envolvida em muitas respostas à luz azul que tem homologia com fotoliase Anti gamente HY4 Cristas Dobras na membrana mitocon drial interna que se projetam para a ma triz mitocondrial Cristas da lâmina Excrescências lami nares que surgem nos limites dos domí nios adaxial e abaxial em folhas em mo saico às vezes produzidas por mutantes phan Cromatina Complexo DNAproteína encontrado no núcleo em interfase A condensação da cromatina forma os cro mossomos mitóticos e meióticos Cromóforo Molécula de pigmento ab sorvente de luz geralmente ligada a uma proteína uma apoproteína Cromoplastos Plastídios que contêm concentrações elevadas de pigmentos carotenoides em vez de clorofila Os cro moplastos são responsáveis pelas cores amarela laranja ou vermelha de muitos frutos e flores além de folhas de outono Cromossomos Forma condensada da cromatina que se configura no início da mitose e da meiose CSLA Família de genes tipo celulose sintase CSL de celulose sintaselike que codificam sintases para Dmananos com ligações β14 CSLC Família de genes tipo celulose sintase que codificam sintases para a es trutura básica Dglucanos de xiloglucano com ligações β14 CSLD Família de genes tipo celulose sintase alguns dos quais estão envolvi dos na formação de celulose cristalina em pelos de raízes e outras células enquanto outros estão comprometidos com a sínte se de manano CSLF Família de genes tipo celulose sin tase que codificam sintases para Dgluca nos com ligações mistas β13 14 CSLH Família de genes tipo celulose sin tase que codificam sintases para Dgluca nos com ligações mistas β13 14 Cultivo em solução Técnica de cultivo vegetal sem a presença de solo pela qual as raízes da planta são imersas em uma solução nutritiva Ver também Hidroponia Curso livre Designação do ritmo bioló gico característico de um organismo em particular quando os sinais ambientais são removidos como na escuridão total Ver Zeitgebers D Defesas constitutivas Defesas vegetais sempre imediatamente disponíveis ou operacionais isto é defesas que não são induzidas Defesas induzíveis Respostas de defesa que existem em níveis baixos antes que seja encontrado um estresse biótico ou abiótico Deidrinas Proteínas vegetais hidrofíli cas que se acumulam em resposta ao es tresse pela seca ou a temperaturas baixas Deiscência Abertura espontânea de uma antera madura ou fruto maduro li berando seus conteúdos Densidade de fluxo JS Taxa de trans porte de uma substância s através de uma unidade de área por unidade de tempo JS pode ter unidades de moles por metro quadrado por segundo mol m2 s1 Dependente da posição Referente aos mecanismos que operam por modulação TaizGlossario2indd 770 TaizGlossario2indd 770 27102016 134335 27102016 134335 Glossário 771 do comportamento de células de uma maneira que depende da posição delas no interior do embrião em desenvolvimento Desacoplador Composto químico que aumenta a permeabilidade de membra nas a prótons e assim desacopla a forma ção do gradiente de prótons da síntese de ATP Desacoplamento Processo pelo qual as reações acopladas são separadas de tal modo que a energia liberada por uma reação não fica disponível para acionar a outra reação Descarregamento do floema Movi mento de produtos fotossintéticos dos elementos crivados para as célulasdreno que os armazenam ou metabolizam In clui o descarregamento do elemento cri vado e o transporte por curta distância Ver também Carregamento do floema Descoloração Perda da absorbância característica da clorofila devido à sua conversão em outro estado estrutural frequentemente por oxidação Desestiolação Mudanças rápidas do desenvolvimento associadas à perda da forma estiolada devido à ação da luz Ver Fotomorfogênese Deslizamento Expansão da parede ce lular dependente do pH Ele contribui para o alongamento da parede celular em conjunto com a integração de polímeros e o relaxamento do estresse Desmotúbulo Túbulo estreito do retícu lo endoplasmático que passa pelos plas modesmos e conecta o retículo endoplas mático a células adjacentes Despolarizado Referente a um decrés cimo na diferença de potencial de mem brana geralmente negativa através da membrana plasmática de células vegetais Pode ser causada pela ativação de canais aniônicos e pela perda de ânions como o cloreto do interior da célula que é negati vo em relação ao exterior Desvio de GABA Rota que suplementa o ciclo do ácido cítrico com a capacidade de formar e degradar GABA Determinantes As duas regiões codifi cadoras de proteínas do locus S uma ex pressa no pistilo determinante feminino e a outra expressa na antera determinan te masculino Dglucano com ligações β13 14 Glucano de ligação mista encontrado em paredes celulares de gramíneas Ele pode se ligar firmemente à superfície de celulo se produzindo uma rede menos aderente Dia subjetivo Fase do ritmo que coinci de com o período luminoso de um ciclo de luzescuro precedente quando um orga nismo é colocado na escuridão total Ver Noite subjetiva Diacilglicerol DAG Molécula que con siste da molécula de glicerol de três car bonos à qual por ligações éster estão vinculados covalentemente dois ácidos graxos Diaheliotrópico Referente aos movi mentos foliares que maximizam a inter cepção da luz pelo acompanhamento da trajetória solar e minimizam a superex posição à luz DICERLIKE 1 DCL1 Uma das proteínas nucleares vegetais que converte primiR NAs em miRNAs Dicogamia Produção de estames e pis tilos em tempos diferentes em flores bis sexuais uma adaptação que promove a polinização cruzada Diferença na concentração do vapor dágua Referente à diferença entre a concentração do vapor dágua dos espa ços de ar dentro da folha e a do ar fora da folha Um dos dois fatores principais que impulsionam a transpiração da folha Diferenciação Processo pelo qual uma célula adquire propriedades metabólicas estruturais e funcionais que são distintas daquelas da sua célula progenitora Em plantas a diferenciação frequentemente é reversível quando células diferenciadas excisadas são colocadas em cultura de te cido Difusão Movimento de substâncias devido à agitação térmica aleatória de regiões de energia livre alta para regiões de energia livre baixa p ex da concen tração alta para concentração baixa Difusão da luz nas interfaces Rando mização da direção do movimento de fótons dentro de tecidos vegetais devido à reflexão e à refração da luz proveniente de muitas interfaces arágua Ela aumen ta consideravelmente a probabilidade de absorção de fótons no interior da planta Difusão facilitada Transporte passivo através de uma membrana usando um carregador Dinamina Uma GTPase grande que está envolvida na formação de muitas vesícu las e organelas bem como da placa celu lar Dioico Referente a plantas com flores estaminadas e pistiladas encontradas em indivíduos diferentes como o espinafre Spinacia sp e o cânhamo Cannabis sati va Comparar com monoico Diploide 2n Possui dois de cada cro mossomo o número cromossômico 2n caracteriza a geração esporofítica Divisão de entrada Durante a formação das célulasguarda é a divisão assimétri ca da célulamãe meristemoide originan do duas célulasfilhas morfologicamente distintas uma célula fundamental da li nhagem estomática maior e uma meris temoide menor Divisões ampliadoras Em uma epider me foliar em diferenciação é um meca nismo para aumento da quantidade de estômatos em que o meristemoide passa por um número variável de divisões assi métricas originando até três células fun damentais da linhagem estomática Divisões de espaçamento Divisões as simétricas das células fundamentais da linhagem estomática que podem originar os meristemoides secundários durante a padronização dos estômatos DNA mitocondrial mtDNA DNA en contrado nas mitocôndrias O mtDNA vegetal consiste em aproximadamente 200 a 2000 kb e é muito maior que geno mas mitocondriais de animais ou fungos Os genes mitocondriais codificam uma diversidade de proteínas necessárias para a respiração celular Dolicol difosfato Incorporado à mem brana do retículo endoplasmático este lipídeo é o sítio de construção de um oligossacarídeo ramificado Nacetilgli cosamina manose e glicose que será transferido para o grupo amino livre de um ou mais resíduos de asparagina de uma proteína no retículo endoplasmático destinada para secreção Dominância apical Na maioria das plantas superiores é a inibição do cres cimento das gemas laterais gemas axila res pelo crescimento da gema apical Domínio relacionado ao PAS PRD PAS related domain Na proteína do fi tocromo dois domínios que medeiam a dimerização dele Domínios 1 Regiões sequências de nucleotídeos dentro do gene que são si milares a regiões encontradas em outros genes 2 Regiões de uma proteína se quência de aminoácidos com uma estru tura ou função especial 3 Os três princi pais grupos taxonômicos dos seres vivos Domínios LIGHTOXYGENVOLTAGE LOV Domínios que são sítios de ligação do cro TaizGlossario2indd 771 TaizGlossario2indd 771 27102016 134335 27102016 134335 772 Glossário matóforo FMN às fototropinas e portan to são parte da proteína sensível à luz Dormência Condição viva em que o crescimento não ocorre sob circunstân cias que normalmente são favoráveis a ele Dormência da semente Estado em que a semente viva não germinará mesmo se todas as condições ambientais neces sárias para o crescimento estiverem pre sentes A dormência introduz um retardo no processo de germinação da semente propiciando tempo adicional para sua dispersão Dormência do embrião Dormência da semente que é causada diretamente pelo embrião ela não se deve a qualquer in fluência do envoltório casca da semente ou de outros tecidos de revestimento Dormência imposta pelo envoltório Dormência do embrião pelo envoltório da semente casca e outros tecidos de reves timento como endosperma pericarpo e órgãos extraflorais Dormência primária Incapacidade de sementes maduras recémdispersadas germinarem sob condições normais em geral induzida pelo ácido abscísico ABA durante a maturação da semente Dormência secundária Sementes que perderam sua dormência primária podem se tornar novamente dormentes se expos tas a condições desfavoráveis que inibam a germinação por determinado tempo Dreno Qualquer órgão que importa fo tossintatos incluindo os órgãos que não apresentam produção fotossintética sufi ciente para sustentar seu próprio cresci mento ou necessidades de reserva como raízes tubérculos frutos em desenvolvi mento e folhas imaturas Comparar com fonte Dreno de auxina Célula ou tecido que capta auxina de uma fonte de auxina pró xima Participa na canalização de auxina durante a diferenciação vascular Drupa Estrutura similar a uma baga mas com um endocarpo duro semelhan te a uma concha caroço que contém uma semente Ductos resiníferos de coníferas Du tos ou canais em folhas e tecido lenhoso de coníferas que conduzem compostos defensivos terpenoides Eles podem ser constitutivos ou sua formação pode ser induzida por respostas de defesa a feri mentos E Ectomicorrizas Simbioses onde o fungo geralmente forma uma bainha espessa ou manto de micélio ao redor das raízes As células das raízes não são penetradas pelas hifas fúngicas mas em vez disso são envolvidas por uma rede de hifas de nominada rede de Hartig Essa rede pro porciona uma grande área de contato que está envolvida nas transferências de nu trientes entre os simbiontes Efeito de melhora Efeito sinérgico mais alto das luzes vermelha e verme lhodistante na taxa de fotossíntese com parado à soma das taxas quando os dois comprimentos de onda diferentes são emitidos em separado Efeito do progenitor de origem Dife rença fenotípica na progênie que depende de ela ter sido transmitida pelo progenitor materno ou paterno Efeito estufa Aquecimento do clima da Terra causado pelo aprisionamento de radiação de comprimento de onda longo pelo CO2 e por outros gases na atmosfera Termo derivado do aquecimento de uma casa de vegetação resultante da penetra ção de radiação de comprimento de onda longo através do teto de vidro da conver são da radiação de onda longa em calor e do bloqueio do calor pelo teto de vidro Efeito peneira Penetração de luz fotos sinteticamente ativa através de várias ca madas de células devido às lacunas entre os cloroplastos permitindo a passagem da luz Efetor Molécula que se liga a uma pro teína alterando sua atividade Os efetores bacterianos são secretados por patógenos agindo sobre proteínas dentro de uma cé lula hospedeira Eficiência do crescimento Crescimento em massa de uma árvore por unidade de área foliar ou massa foliar Eixo apicalbasal Eixo que se estende do meristema apical do caule ao meriste ma apical da raiz Eixo primário da planta Eixo longitudi nal da planta definido pelas posições dos meristemas apicais do caule e da raiz Eixo radial Padrão de tecidos concêntri cos que se estendem do exterior da raiz ou do caule em direção a seu centro Elemento de reconhecimento do TFIIB BRE Sequência conservada de liga ção ao DNA dentro do promotor central que auxilia na regulação da atividade de transcrição de determinado gene Elemento de resposta à auxina AuxRE auxin responsive element Sequência promotora de DNA que modula a expres são gênica quando ligada por fatores de transcrição responsivos à auxina Elemento de resposta ao ácido gi berélico GARE de GA response ele ment Sequência promotora que confe re responsividade ao GA localizada 200 a 300 pares de bases a montante do sítio de início da transcrição Elemento distante a montante FUE far upstream element Sequência genética conservada localizada a montante do sítio poliA em genes eucarióticos Elemento do promotorcentral Porção mínima de um promotor que é requerida para iniciar corretamente a transcrição Elemento essencial Elemento químico constituinte de uma molécula que é um componente intrínseco da estrutura ou do metabolismo de uma planta Quando o fornecimento do elemento é limitado a planta padece de crescimento desenvol vimento ou produção anormais Elemento iniciador INR Uma sequên cia de DNA conservada encontrada na região do promotor principal core de ge nes eucarióticos Elemento promotor a jusante DPE do wnstream promotor element Um tipo distinto de elemento promotor central lo calizado a aproximadamente 30 nucleotí deos do sítio de início da transcrição Elementos cis Certas sequências de nucleotídeos na molécula do mRNA pelas quais a estabilidade do mRNA é regulada Não confundir com sequências atuando no cis no DNA que influenciam a ativida de de transcrição Elementos crivados Células do floema que conduzem açúcares e outros mate riais orgânicos através da planta Eles se referem tanto aos elementos de tubo cri vado angiospermas quanto às células crivadas gimnospermas Elementos de tubo crivado Elementos crivados altamente diferenciados típicos de angiospermas Comparar com células crivadas Elementos de vaso Células não vivas condutoras de água com paredes termi nais perfuradas encontradas em angios permas e em um pequeno grupo de gim nospermas TaizGlossario2indd 772 TaizGlossario2indd 772 27102016 134335 27102016 134335 Glossário 773 Elementos traqueais Células do xilema especializadas no transporte de água Eletronegativo Com capacidade de atrair elétrons e portanto tem uma carga elétrica levemente negativa Eliciadores Moléculas de patógenos es pecíficas ou fragmentos de paredes celu lares que se ligam a produtos vegetais e desse modo sinalizam a defesa da planta contra um patógeno Ver Genes de aviru lência Embebição Fase inicial da entrada de água em sementes secas que é acionada pelo potencial mátrico componente do potencial hídrico ou seja pela ligação da água a superfícies como a parede celular e macromoléculas celulares Embriófitas Ver Plantas Encurtamento do telômero Processo pelo qual o telômero uma região do DNA na extremidade de um cromossomo que protege o início da sequência da codifica ção genética contra a degradação passa por encurtamento Endocitose Formação de pequenas ve sículas a partir da membrana plasmática que se desprendem e se movem para o ci tosol onde se fundem com elementos do sistema de endomembranas Endoderme Camada especializada de células com uma estria de Caspary essa camada circunda o sistema vascular em raízes e em alguns caules Endopoliploidia Poliploidia causada pela replicação dos cromossomos sem di visão do núcleo Endorreduplicação Ciclos de replicação de DNA nuclear sem mitose resultando em poliploidização Endosperma amiláceo Tecido endos pérmico triploide de reserva de amido que corresponde à maior parte das se mentes de cereais e de outros membros da família das gramíneas Endossimbiose Teoria que explica a origem evolutiva do cloroplasto e da mi tocôndria mediante o estabelecimento de uma relação simbiótica entre uma cé lula procariótica e uma célula eucariótica não fotossintetizante simples seguida de transferência gênica extensa para o nú cleo Endossomos Vesículas precoces na en docitose que perderam seus revestimen tos de clatrina e se afastaram da mem brana plasmática deslocandose para o interior da célula Endossomos precoces Vesículas peque nas 100 nm formadas primeiro na endo citose Inicialmente elas são revestidas com clatrina que é rapidamente perdida Parte do sistema de endomembranas Endotélio Camada celular derivada da camada mais interna do tegumento que envolve o saco embrionário e o supre de nutrientes similar ao tapete camada na antera Energia livre de Gibbs Energia disponí vel para realização de trabalho de sínte se transporte e movimento em sistemas biológicos Energia luminosa Energia associada a fótons Entrenó Porção do caule entre dois nós Envoltório Sistema de membrana dupla circundando o cloroplasto ou o núcleo A membrana externa do envoltório do núcleo é contínua com o retículo endo plasmático Envoltório nuclear Membrana dupla que circunda o núcleo Enzima ativadora de ubiquitina E1 Parte da rota de ubiquitinação Inicia a ubiquitinação pela catálise da adenila ção dependente de ATP do Cterminal da ubiquitina Enzima de conjugação de ubiquitina E2 Parte da rota de ubiquitinação Um resí duo de cisteína em E2 recebe a ubiquitina adenililada produzida pela enzima ativa dora de ubiquitina E1 Enzima dismutadora enzima D Uma das duas enzimas desramificadoras que processa ramificações de oligossacarídeos posicionados inapropriadamente na construção de grânulos de amido Ela catalisa a transferência de um segmento de Dglucano com ligações α14 para uma nova posição em um aceptor que pode ser glicose ou um Dglucano com ligações α14 Enzima málica Catalisa a oxidação de malato a piruvato permitindo que a mi tocôndria vegetal oxide malato ou citrato a CO2 sem envolver piruvato gerado por glicólise Enzimas antioxidativas Proteínas que desintoxicam espécies reativas de oxigê nio Enzimas dessaturases Enzimas que removem hidrogênios em um cadeia de carbono criando uma ligação dupla entre carbonos ou adicionando um grupo etila para alongar uma cadeia de carbono Epiderme Camada mais externa de cé lulas vegetais geralmente ela é consti tuída por uma camada de células Epigenoma Transformações químicas herdáveis em DNA e cromatina incluin do metilação do DNA metilação de his tonas e acilação além de sequências do DNA geradoras de sequências de RNA não codificadoras que interferem na ex pressão gênica Epigenômica Estudo de todas as modi ficações epigenéticas de um genoma Epígeo Um tipo de crescimento de plântulas que resulta na elevação dos co tilédones acima do nível do solo Equação de Goldman Equação que prediz o potencial de difusão através de uma membrana como uma função das concentrações e permeabilidades de to dos os íons p ex K Na e Cl que a permeiam ERF1 fator de resposta ao etileno ethy lene response factor1 Gene que codi fica uma proteína pertencente à família de fatores de transcrição da proteína de ligação ao ERE Escamas da gema Folhas pequenas semelhantes a escamas que formam um revestimento protetor ao redor de uma gema dormente Escape da fotorreversibilidade Perda de fotorreversibilidade pela luz verme lhodistante de eventos mediados pelo fitocromo e induzidos pela luz vermelha após um período curto Esclerênquima Tecido vegetal compos to de células frequentemente mortas na maturidade dotadas de paredes espessas com lignificação secundária Ele atua na sustentação de regiões da planta que con cluíram o crescimento Escotomorfogênese Programa de de senvolvimento de plantas quando a ger minação das sementes e o crescimento das plântulas ocorrem no escuro Escutelo Único cotilédone do embrião de gramíneas especializado na absorção de nutrientes do endosperma Espaço extracelular Nas plantas o con tinuum espacial externamente à membra na plasmática formado pela conexão de paredes celulares através do qual a água e os nutrientes minerais se difundem fa cilmente Ver Apoplasto Espaço intermembrana Espaço preen chido de fluido entre as duas membranas TaizGlossario2indd 773 TaizGlossario2indd 773 27102016 134335 27102016 134335 774 Glossário mitocondriais ou entre as duas membra nas do envoltório do cloroplasto Espécies reativas de oxigênio EROs Elas incluem o ânion superóxido O2 o peróxido de hidrogênio H2O2 o radical hidroxila OH e o oxigênio singleto Elas são geradas em diversos compartimentos celulares e podem atuar como sinais ou causar dano a componentes celulares Espectro de absorção Representação gráfica da quantidade de luz absorvida por uma substância plotada em relação ao comprimento de onda da luz Espectro de ação Representação gráfica da magnitude de uma resposta biológica à luz como uma função do comprimento de onda Espermatófitas Plantas em que o em brião está protegido e nutrido dentro de uma semente São as gimnospermas e as angiospermas Espinhos caulinares Estruturas vegetais pontiagudas que restringem fisicamente a ação de herbívoros e são derivadas de ramos Espinhos foliares Estruturas vegetais pontiagudas e duras que restringem fi sicamente a ação de herbívoros e podem auxiliar na conservação da água Eles são derivados de folhas Esporófito Estrutura multicelular di ploide 2n que produz esporos haploides por meiose Esporos Células reprodutivas formadas nas plantas por meiose na geração espo rofítica Sem fusão com outras células elas originam a geração gametofítica Estabelecimento da plântula Estágio que sucede a germinação da semente abrangendo a produção das primeiras folhas fotossintetizantes e um sistema de raízes mínimo Estabilidade proteica Taxa de destrui ção ou inativação proteica ela pode con tribuir para a regulação da póstradução e também exerce um papel importante na atividade global de um gene ou de seu produto Estado de menor excitação Estado de excitação com a menor energia alcançado quando uma molécula de clorofila em um estado energético mais alto cede parte de sua energia para seu entorno como calor Estado fotoestacionário Relativo ao fi tocromo sob luz natural o equilíbrio de 97 Pr e 3 Pfr Estágio de coração Segundo estágio da embriogênese Estrutura com simetria bilateral produzida por divisões celulares rápidas em duas regiões de cada lado do futuro ápice caulinar Ver Estágio globu lar Estágio de torpedo Estágio de torpedo Terceiro estágio da embriogênese Estrutura produzida pelo alongamento do eixo do embrião no es tágio de coração e desenvolvimento pos terior dos cotilédones Ver também Estágio globular Estágio de coração Estágio globular Primeiro estágio da embriogênese Esfera de células com si metria radial mas sem desenvolvimento uniforme produzida por divisões celula res do zigoto inicialmente sincronizadas Ver Estágio de coração Estágio torpedo Estágio zigótico Produto celular da união de uma oosfera e de um esperma tozoide Estatócitos Células vegetais dotadas de estatólitos especializadas na percepção da gravidade Estatólitos Inclusões celulares como os amiloplastos que atuam como sensores da gravidade por terem uma densidade alta em relação ao citosol e sedimentação à base da célula Esteira rolante treadmilling Durante a interfase processo pelo qual os micro túbulos no citoplasma cortical parecem migrar ao redor da periferia da célula de vido à adição de heterodímeros de tubuli na à extremidade mais na mesma taxa de sua remoção na extremidade menos Estelo Tecidos da raiz localizados inter namente à endoderme O estelo contém os elementos vasculares da raiz o floema e o xilema Esteróis Grupo de lipídeos contendo quatro anéis de hidrocarboneto que re sidem em membranas vegetais e modifi cam sua fluidez Sitosterol e colesterol são esteróis comuns Esteroleosina Proteína da membrana externa da lâmina lipídica única do cor po lipídico que tem atividade enzimática desidrogenase sobre esteróis Estiolamento Efeitos do crescimento da plântula no escuro em que o hipocótilo e o caule são mais alongados os cotilé dones e as folhas não se expandem e os cloroplastos não amadurecem Estípulas Apêndices pequenos seme lhantes a folhas localizados junto às ba ses foliares de muitas espécies de dicoti ledôneas Estômato Abertura microscópica na epiderme foliar que é circundada por um par de célulasguarda e que em algumas espécies inclui também as células subsi diárias O estômato regula as trocas ga sosas água e CO2 de folhas por meio do controle de sua fenda ostíolo Estratificação Em algumas plantas é a exigência de temperatura baixa para a germinação das sementes O termo é derivado da prática antiga de quebrar a dormência que possibilitava a hiberna ção das sementes em montículos com al ternância de camadas de solo e sementes Estresse Influências desvantajosas exercidas em uma planta por fatores ex ternos abióticos ou bióticos como infec ções ou calor água e anoxia Ele é medido em relação à sobrevivência vegetal à pro dutividade de uma cultura à acumulação de biomassa ou à absorção de CO2 Estresse osmótico Estresse imposto às células ou às plantas inteiras quando o potencial osmótico de soluções externas é mais negativo que o da solução no interior da planta Estresse salino Efeitos adversos de mi nerais em excesso nas plantas Estria de Caspary Faixa nas paredes ce lulares da endoderme impregnada com suberina uma substância hidrofóbica semelhante à cera Ela impede que água e solutos penetrem no xilema entre as cé lulas endodérmicas Estrigolactonas Hormônios vegetais derivados de carotenoides que inibem a ramificação da parte aérea Elas também exercem papéis no solo estimulando o crescimento de micorrizas arbusculares e a germinação de sementes de indivíduos parasíticos como os de Striga a origem de seu nome Estroma Componente fluídico circun dando as membranas do tilacoide de um cloroplasto Estrômulos Protuberâncias das mem branas interna e externa do cloroplasto Etilmetanossulfonato EMS Mutagê nico químico que causa a adição de um grupo etila a um nucleotídeo resultan do em uma mutação permanente de GC para AT naquele sítio Etioplasto Forma de cloroplasto fotos sinteticamente inativa encontrada em plântulas estioladas Ele não sintetiza TaizGlossario2indd 774 TaizGlossario2indd 774 27102016 134335 27102016 134335 Glossário 775 clorofila ou a maioria das enzimas e pro teínas estruturais necessárias para a for mação de tilacoides e o funcionamento da fotossíntese Contém um sistema comple xo de túbulos membranosos interconecta dos denominado corpo prólamelar Etiquetamento de transpóson Técni ca de inserção de um transpóson em um gene marcandoo desse modo com uma sequência conhecida de DNA Eucromatina Forma de cromatina dis persa e transcricionalmente ativa Ver também Heterocromatina Eudicotiledôneas Uma das duas prin cipais classes das angiospermas esta denominação referese ao fato de que as espécies dessa classe têm duas folhas se minais cotilédones Evocação floral Eventos ocorrentes no ápice do caule que especificamente in cumbem o meristema de produzir flores Expansinas Classe de proteínas de afrouxamento de parede Elas aceleram o relaxamento do estresse da parede e a expansão celular geralmente com uma atividade ótima em pH ácido Parecem mediar o crescimento ácido Exportação Movimento de produtos da fotossíntese nos elementos crivados para fora do tecidofonte Expressão gênica impressa Genes im pressos são expressos predominantemen te a partir do alelo materno ou do paterno diferentemente dos genes não impressos nos quais os alelos de ambos maternal e paternal são expressos igualmente Extensibilidade da parede Durante a expansão da parede celular primária é o coeficiente que relaciona a taxa de cresci mento à pressão de turgor que excede o limiar de amolecimento Extremidade mais Extremidade de crescimento rápido ou polimerizante de um polímero citoesquelético Em micro túbulos no córtex celular a extremidade mais é o sítio de polimerização enquanto a extremidade menos é o sítio de despo limerização resultando no fenômeno de esteira rolante treadmilling Em filamen tos de actina a extremidade mais é tam bém chamada de extremidade farpada Em geral a extremidade mais tem nucleo tídeos trifosfatos altamente energéticos ligados a ela GTP nos microtúbulos e ATP na actina F enquanto a extremidade menos tem nucleotídeos difosfatos menos energéticos Extremidade menos Extremidade geral de um polímero citoesquelético de cres cimento lento estacionária ou despoli merizante Em microtúbulos no córtex celular a extremidade menos é o sítio de despolimerização enquanto a extremi dade mais é o sítio de polimerização re sultando no fenômeno de esteira rolante treadmilling Em filamentos de actina a extremidade menos também é chamada de extremidade pontiaguda F F0 Parte integral de membrana da F0F1 ATPsintase F0F1ATPsintase Complexo multipro teico associado à membrana mitocondrial interna que acopla a passagem de pró tons através da membrana para a sínte se de ATP a partir de ADP e fosfato O subscrito 0 em F0 referese à ligação do inibidor oligomicina Similar à CF0CF1 ATPsintase da fotofosforilação F1 Parte da F0F1ATPsintase voltada para a matriz de ligação ao ATP FACKEL FK Gene que codifica uma enzima esterol C14 redutase que parece ser crítica na formação de padrões duran te a embriogênese Os mutantes exibem defeitos na formação de padrões cotilé dones malformados redução do hipocó tilo e da raiz bem como frequentemente múltiplos meristemas de raízes e caules Fagóforo Membrana dupla que cerca e isola componentes citoplasmáticos du rante a macroautofagia Família de proteínas JAZ domínio jas monato ZIM Proteínas repressoras transcricionais que são degradadas pro teoliticamente após marcação induzida por jasmonato por um complexo ubiqui tina E3 ligase FARRED ELONGATED HYPOCOTYL1 FHY1 Proteína que facilita a entrada de phyA no núcleo em resposta à luz Fase Em fenômenos cíclicos rítmicos qualquer ponto no ciclo reconhecível por sua relação com o ciclo completo como por exemplo as posições máxima e míni ma Fase S Estágio do ciclo celular durante o qual o DNA é replicado ela sucede a fase G1 e precede a fase G2 Fator de transcrição MYC2 Proteína com motivos zíper de leucina e hélice alçahélice básicos que liga um promotor Gbox estendido Sua transcrição é indu zida pelo estresse da desidratação e ABA MYC2 regula funções dependentes do ácido jasmônico AJ e algumas respostas à luz Fator despolimerizante da actina ADF actin depolymerizant factor Perten cente a uma família de proteínas peque nas que ligam filamentos de actina e pro movem seu corte e sua despolimerização Fatores de ação em trans Fatores de transcrição que se ligam às sequências de ação no cis Fatores de choque térmico Fatores de transcrição que regulam a expressão de proteínas de choque térmico Fatores de crescimento do meristema da raiz Pequenos peptídeos de sinalização que participam da formação dos pelos da raiz Fatores de interação do fitocromo PIFs de phytochrome interaction fac tors Famílias de proteínas de interação de fitocromos que podem ativar e repri mir a transcrição gênica alguns são alvos da degradação mediada por fitocromo Fatores de nodulação Ver Fatores Nod Fatores de resposta à auxina ARFs au xin responsive factors Família de pro teínas que regulam a transcrição de genes específicos envolvidos em respostas à au xina eles são inibidos por associação com proteínas específicas repressoras de Aux AIA que são degradadas na presença de auxina Fatores de troca de guanina nucleotídeo GEFs guanine nucleotide exchange factors Proteínas que ativam GTPases inativas mediante substituição de GDP por GTP Fatores gerais de transcrição Proteínas requeridas pelas RNApolimerases de eu cariotos para o posicionamento adequado no sítio de início da transcrição Fatores Nod Moléculas de sinalização de oligossacarídeos de lipoquitina ativas na expressão gênica durante a formação de nódulos de nitrogênio Todos os fato res Nod têm uma estrutura de Nacetil Dglicosamina de quitina com ligação β14 variando em comprimento de 3 a 6 unidades de açúcar e uma cadeia de ácidos graxos na posição C2 do açúcar não redutor Fecundação Formação de um zigoto diploide 2n a partir da fusão nuclear e celular de dois gametas haploides 1n a oosfera e a célula espermática TaizGlossario2indd 775 TaizGlossario2indd 775 27102016 134335 27102016 134335 776 Glossário Fecundação dupla Uma característica de todas as angiospermas pela qual em conjunto com a fusão de um espermato zoide com o óvulo que origina um zigoto com número diploide de cromossomos um segundo gameta masculino fundese com os núcleos polares no saco embrio nário gerando o tecido endospérmico com número triploide ou mais alto de cromossomos Fecundação entre plantas diferentes Reprodução por polinização cruzada de duas plantas com genótipos diferentes Felema Parte do sistema dérmico se cundário ou periderme de plantas le nhosas consistindo em células mortas com paredes secundárias ricas em suberi na e lignina Também chamada de súber Feloderme Em algumas plantas uma ou mais camadas de tecido parenquimá tico derivado do felogênio Felogênio Ver Câmbio suberoso Fenocópia Uma planta com característi cas de crescimento produzidas por inter ferência genética ou química que imitam aquelas encontradas em outro genótipo Feofitina Clorofila em que o átomo cen tral de magnésio foi substituído por dois átomos de hidrogênio Fermentação Metabolismo de piru vato na ausência de oxigênio levando à oxidação do NADH gerado na glicólise a NAD Ela permite que a produção gli colítica de ATP funcione na ausência de oxigênio Ferredoxina Proteína pequena hi drossolúvel composta de ferroenxofre envolvida no transporte de elétrons do fotossistema I FerredoxinaNADPredutase FNR Fla voproteína associada a membranas que recebe elétrons do fotossistema I e reduz NADP a NADPH Ferritina Proteína atuante no armaze namento celular de ferro em vários com partimentos incluindo as mitocôndrias Fertilizante orgânico Fertilizante que contém elementos nutricionais derivados de fontes naturais sem quaisquer adições sintéticas Fertilizantes químicos Fertilizantes que fornecem nutrientes em formas orgâni cas FeSA Proteína ferroenxofre ligada a membranas que transfere elétrons entre o fotossistema I e a ferredoxina FeSB Proteína ferroenxofre ligada a membranas que transfere elétrons entre o fotossistema I e a ferredoxina FeSR Uma subunidade do complexo citocromo b6f contendo ferro e enxofre envolvida na transferência de elétrons e de prótons Ver também Proteína Rieske ferrosulfurosa FeSX Proteína ferroenxofre ligada a membranas que transfere elétrons entre o fotossistema I e a ferredoxina Fibra Célula de esclerênquima alonga da e afilada que proporciona suporte me cânico nas plantas vasculares Fibra de cromatina de 30 nm Estrutura helicoidal irregular formada por nucleos somos revestidos com DNA Fibras do floema Células alongadas e estreitas de esclerênquima associadas às outras células no floema Filódio Pecíolo expandido que se asse melha a uma folha e exerce sua função mas sem uma lâmina verdadeira Filoma Termo coletivo para todas as fo lhas de uma planta incluindo as estrutu ras que evoluíram delas como os órgãos florais Filotaxia Disposição das folhas no cau le Fimbrina Proteína de ligação à actina que reúne filamentos de actina F em fei xes filamentosos maiores Fissão Processo pelo qual as porções de uma membrana se separam da membra na remanescente formando vesículas Fitase Durante o crescimento da plân tula é a enzima que decompõe o com posto de fitina armazenado nas sementes ricas em fosfato Fitina Sal de K Mg2 e Ca2 de ácido fí tico a mioinositol hexafosfato uma im portante forma de reserva de fosfato em sementes Fitoalexinas Grupo quimicamente di verso de metabólitos secundários com forte atividade antimicrobiana Elas são sintetizadas após uma infecção e acumu lamse no local desta Fitocromo Proteína vegetal fotorrecep tora e reguladora de crescimento que ab sorve principalmente as luzes vermelha e vermelhodistante mas absorve também a luz azul É a holoproteína que contém o cromatóforo fitocromobilina Fitocromobilina Cromóforo tetrapirró lico linear do fitocromo Fitólitos Células individuais que acu mulam sílica em folhas ou raízes Fitômero Unidade de desenvolvimento consistindo em uma ou mais folhas o nó em que as folhas estão inseridas o en trenó abaixo do nó e uma ou mais gemas axilares Fitoquelatinas Peptídeos de baixo peso molecular sintetizados pela enzima fito quelatina sintase a partir da glutationa Esses peptídeos podem se ligar a uma diversidade de metais metaloides e de sempenham um papel importante na to lerância de plantas ao As Cd e Zn Fixação de nitrogênio Processos natu ral ou industrial pelos quais o nitrogênio atmosférico N2 é convertido em amônia NH3 ou nitrato NO3 Flavina adenina dinucleotídeo FAD Cofator contendo riboflavina que passa por uma redução reversível de dois elé trons para produzir FADH2 Flavina mononucleotídeo FMN Co fator contendo riboflavina que passa por uma redução reversível de um ou dois elé trons para produzir FMNH ou FMNH2 Flipases Enzimas que projetam os fosfolipídeos recémsintetizados Isso se processa através da bicamada do lado ex terno citoplasmático da membrana para o lado interno assegurando a composição lipídica simétrica da membrana Floema Sistema que transporta os pro dutos da fotossíntese das folhas maduras para áreas de crescimento e armazena mento incluindo as raízes Floema de coleta Elementos crivados das fontes Floema de entrega Elementos crivados das fontes Floema de transporte Elementos criva dos da rota de conexão Floema secundário Floema produzido pelo câmbio vascular Florígeno Hipotético e universal hor mônio do florescimento sintetizado pe las folhas e translocado via floema para o meristema apical do caule Até agora ele não foi isolado ou caracterizado FLOWERING LOCUS C FLC Gene que reprime o florescimento em Arabidopsis FLOWERING LOCUS T FLT Gene que codifica a proteína que atua como um flo rígeno em Arabidopsis e outras espécies Fluência Número de fótons absorvidos por unidade de área de superfície TaizGlossario2indd 776 TaizGlossario2indd 776 27102016 134335 27102016 134335 Glossário 777 Fluorescência Logo após a absorção da luz é a emissão de luz em um com primento de onda levemente mais longo energia mais baixa do que o compri mento de onda da luz absorvida Fluxo cíclico de elétrons No fotossis tema I é o fluxo de elétrons a partir dos aceptores de elétrons mediante o com plexo de citocromos b6f e de volta ao P700 acoplado ao bombeamento de prótons para o lume Esse fluxo de elétrons ener giza a síntese de ATP mas não oxida água ou reduz NADP Folha composta Folha subdividida em folíolos Folha séssil Folha sem pecíolo fixada pela lâmina diretamente ao nó Folha simples Folha com uma lâmina Folhas Apêndices laterais principais irradiando de caules e ramos As folhas geralmente são os principais órgãos fo tossintetizantes da planta Folhas vegetativas Apêndices laterais principais dos caules que realizam fotos síntese Folíolo Subdivisão de uma folha com posta Fonte Qualquer órgão exportador capaz de elaborar produtos fotossintéticos além das suas próprias necessidades como uma folha madura ou um órgão de reser va Comparar com dreno Fonte de auxina Célula ou tecido que por transporte polar exporta auxina para outras células ou tecidos Força motriz de prótons PMF proton motive force Gradiente de potencial eletroquímico para H através de uma membrana ela é expressa em unidades de potencial elétrico Forissomos Corpos proteicos que se dispersam rapidamente e bloqueiam os elementos de tubos crivados Ocorrem apenas em certas leguminosas Formação do fuso Polimerização e ali nhamento de um arranjo bipolar de mi crotúbulos através do núcleo à medida que o envoltório nuclear se decompõe em plantas Agrupamentos das extremidades menos de dois arranjos alinhados formam os polos do fuso em qualquer um dos la dos do núcleo enquanto as extremidades mais são encontradas no plano médio do núcleo Forminas Proteínas que se ligam à ac tina e a complexos de actinaprofilina iniciando a polimerização do filamento de actina Fosfatidilinositol bifosfato PIP2 phos phatidylinositol bisphosphate Grupo de derivados fosforilados de fosfatidili nositol Fosfolipase A PLA phospholipase A Enzima que remove uma das cadeias de ácidos graxos de um fosfolipídeo Fosfolipase C PLC phospholipase C Enzima cuja ação sobre fosfoinositídeos libera inositol trifosfato InsP3 junto com diacilglicerol DAG Fosfolipase D PLD phospholipase D Enzima ativa na sinalização do ABA ela libera ácido a partir de fosfatidilcolina Fosforilação em nível de substrato En volve a transferência direta de um grupo fosfato de uma molécula de substrato para o ADP formando ATP Fosforilação oxidativa Transferência de elétrons para o oxigênio na cadeia mito condrial de transporte de elétrons que está acoplada à síntese de ATP a partir de ADP e fosfato pela ATPsintase Fotoassimilação Acoplamento da assi milação de nutrientes ao transporte fo tossintético de elétrons Fotoblastia Germinação de sementes induzida pela luz Fotofosforilação Formação de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico Pi Essa reação é catalisada pela CF0F1ATP sintase usando energia luminosa arma zenada no gradiente de prótons através da membrana do tilacoide Fotoinibição Inibição da fotossíntese por excesso de luz Fotoinibição crônica Fotoinibição da atividade fotossintética em que a eficiên cia quântica e a taxa máxima de fotossín tese são diminuídas Ela ocorre sob níveis elevados de excesso de luz Fotoinibição dinâmica Fotoinibição da fotossíntese em que a eficiência quântica decresce mas a taxa fotossintética máxi ma permanece inalterada Ocorre sob luz moderada não excessiva Fotoliase Enzima ativada pela luz azul que repara dímeros de pirimidina em DNA danificado por radiação ultravioleta Ela contém um FAD e uma pterina Fotomorfogênese A influência e os papéis específicos da luz no desenvolvi mento vegetal Na plântula mudanças na expressão gênica induzidas pela luz para sustentar o crescimento acima do solo na claridade em vez do crescimento subter râneo no escuro Fotomorfogênese constitutiva 1 COP1 constitutive photomorphogenesis 1 Repressor constitutivo da fotomorfogê nese que interage com fatores promotores da fotomorfogênese como HY5 promo vendo sua degradação via rota ubiquiti naproteassomo Fóton Unidade física descontínua de energia radiante Fotonastia Movimentos vegetais em resposta à luz não direcional Fotoperiodismo Resposta biológica ao comprimento e à sincronia do dia e da noite tornando possível a ocorrência de um evento em determinada época do ano Fotoproteção Sistema com base em ca rotenoides para dissipação do excesso de energia absorvida pela clorofila a fim de evitar a formação de oxigênio singleto e o dano de pigmentos Envolve quenching Fotoquímica Reações químicas mui to rápidas nas quais a energia luminosa absorvida por uma molécula provoca a ocorrência de uma reação química Fotorreceptores Proteínas que são sen síveis à presença da luz e iniciam uma resposta mediante uma rota de sinaliza ção Fotorrespiração Absorção de O2 atmos férico com uma liberação de CO2 pelas folhas iluminadas O oxigênio molecular serve como substrato para a rubisco e o 2fosfoglicolato formado entra no ciclo fotorrespiratório da oxidação do carbo no A atividade do ciclo recupera parte do carbono presente no 2fosfoglicolato mas parte é perdida para a atmosfera Fotorreversibilidade Interconversão das formas Pr e Pfr do fitocromo Fotossintato Produtos da fotossíntese que contêm carbono Fotossíntese C4 Metabolismo fotos sintético do carbono em certas plantas nas quais a fixação inicial do CO2 e sua redução subsequente ocorrem em célu las diferentes do mesofilo e da bainha do feixe respectivamente A carboxilação inicial é catalisada pela fosfoenolpiruvato carboxilase não pela rubisco como em plantas C3 produzindo um composto de quatro carbonos oxalacetato que é imediatamente convertido em malato ou aspartato TaizGlossario2indd 777 TaizGlossario2indd 777 27102016 134335 27102016 134335 778 Glossário Fotossistema I PSI photosystem I Sistema da fotorreações que tem o máxi mo de absorção da luz vermelhodistante 700 nm oxida plastocianina e reduz fer redoxina Fotossistema II PSII photosystem II Sistema de fotorreações que tem o máxi mo de absorção da luz vermelha 680 nm oxida água e reduz plastoquinona Ope ra muito pobremente sob luz vermelho distante Fototropinas Fotorreceptores de luz azul que primordialmente regulam o fototropismo os movimentos dos cloro plastos e a abertura estomática Fototropinas 1 e 2 Duas flavoproteínas que são fotorreceptores para luz azul si nalizando a rota que induz a curvatura fototrópica em hipocótilos de Arabidopsis e em coleóptilos de aveia Elas também medeiam os movimentos dos cloroplastos e participam da abertura estomática em resposta à luz azul As fototropinas são proteínas quinase autofosforilantes cuja atividade é estimulada pela luz azul Fototropismo Alteração dos padrões de crescimento vegetal em resposta à dire ção da radiação incidente especialmente da luz azul Fragmoplasto Reunião de microtúbu los membranas e vesículas que se esta belece no final da anáfase ou no começo da telófase e precede a fusão das vesículas para formar a placa celular Frequência v Unidade de medida que caracteriza ondas em especial energia lu minosa Ela representa o número de cris tas de ondas que passam por um observa dor em determinado período Fruto Em angiospermas um ou mais ovários maduros contendo sementes e às vezes partes adjacentes aderidas Fungos micorrízicos Fungos que po dem formar simbioses micorrízicas com plantas Fusão Junção de membranas de vesícu las ou organelas separadas geralmente resultando no movimento ou na mistura dos conteúdos delas Fusão de protoplastos Técnica para incorporar genes estranhos em genomas vegetais mediante fusão de duas células geneticamente distintas das quais foram retiradas as paredes Fusão gênica Construção artificial que vincula um promotor de um gene à se quência codificadora de outro gene Com frequência inclui um gene repórter como o gene da proteína verde fluorescente GFP que produz uma proteína pronta mente detectada Fusicoccina Toxina fúngica que induz acidificação de paredes celulares vegetais por ativação de uma HATPase na mem brana plasmática A fusicoccina estimula o rápido crescimento ácido em cortes de caules e coleóptilos Ela promove também a abertura estomática pela estimulação do bombeamento de prótons na membrana plasmática das célulasguarda Fuso mitótico Estrutura mitótica envol vida no movimento dos cromossomos Polimerizado a partir de monômeros de αtubulina e βtubulina formados pela desmontagem da banda préprófase no início da metáfase G G1 Fase do ciclo celular que precede a síntese de DNA G2 Fase do ciclo celular que sucede a síntese de DNA GA 2oxidase GA2ox Enzima que de sativa giberelinas GA 3oxidase GA3ox Enzima no está gio 3 da rota biossintética de giberelinas GABA Ácido gamaaminobutírico GAF Domínio de fitocromo de ligação ao cromatóforo Galactano Polissacarídeo de parede ce lular composto de resíduos de galactose Galha da coroa Doença da planta que forma um tumor resultante de infecção de uma ferida do caule por uma bactéria de solo denominada Agrobacterium tume faciens Tumor resultante de doença Gameta Uma célula reprodutiva haploi de 1n Gametas não reduzidos Gametas que têm o mesmo número de conjuntos cro mossômicos da célula progenitora Gametófito Estrutura multicelular ha ploide 1n que produz gametas haploides por mitose e diferenciação GAMYB Fator de transcrição eucarióti co MYB implicado na sinalização de GA O GAMYB da cevada é similar às três proteínas MYB em Arabidopsis GC box Sequência de nucleotídeos en volvidos na iniciação da transcrição em eucariotos Gemas axilares Meristemas secundá rios que são formados nas axilas de fo lhas Se forem também meristemas ve getativos terão um potencial estrutural e de desenvolvimento semelhante ao do meristema apical vegetativo As gemas axilares podem também formar flores como em inflorescências Gene gun Ver Biobalística Gene repórter Gene cuja expressão revela visivelmente a atividade de outro gene Gene desenvolvido para partilhar de outro gene Genes associados à senescência SAGs senescenceassociated genes Genes cujos níveis de expressão aumentam du rante a senescência foliar Genes de avirulência genes avr Ge nes que codificam eliciadores específicos de respostas de defesa vegetal Genes de identidade de órgãos florais Três tipos de genes que controlam as lo calizações específicas dos órgãos florais na flor Genes de nodulação nod Genes de rizóbios cujos produtos participam da formação de nódulos Genes de resistência genes R Genes que atuam na defesa vegetal contra fun gos bactérias e nematódeos em alguns casos mediante codificação de receptores proteicos que se ligam a moléculas espe cíficas do patógeno os eliciadores Genes de resposta precoce Ver Genes de resposta primária Genes de resposta primária Genes cuja expressão é necessária para a morfogê nese vegetal e que são expressos rapida mente logo após a exposição a um sinal luminoso Com frequência são regulados pela ativação de fatores de transcrição li gados a fitocromos A expressão desses genes não exige a síntese de proteínas Ver Genes de resposta secundária Genes de resposta secundária Genes cuja expressão requer a síntese proteica e sucede a dos genes de resposta primária Genes de resposta tardia Ver Genes de resposta secundária Genes de senescência regulados para baixo SDGs senescence downregu lated genes Genes cujos níveis de ex pressão declinam durante a senescência foliar Genes expressos maternalmente MEGs maternally expressed genes Genes TaizGlossario2indd 778 TaizGlossario2indd 778 27102016 134335 27102016 134335 Glossário 779 dos quais apenas os alelos maternos são expressos Genes expressos paternalmente PEGs paternally expressed genes Genes para os quais apenas os alelos paternos são expressos Genes MADS box Genes codificantes de uma família de fatores de transcrição contendo uma sequência conservada de nominada MADS box Essa é a família que inclui a maioria dos genes homeóti cos florais e alguns dos genes envolvidos na regulação do ritmo de crescimento Genes nodulinos Genes vegetais espe cíficos para a formação de nódulos Genes relacionados à autofagia genes ATG Grupo de genes codificadores de proteínas que são necessárias à autofagia Genes relacionados à patogênese PR pathogenesisrelated Genes codifi cadores de proteínas pequenas que têm função antimicrobiana ou que atuam na iniciação de respostas defensivas sis têmicas Genes simbióticos essenciais Genes que codificam componentes da rota sim biótica comum Geneta Grupo de indivíduos genetica mente idênticos representantes de plan tas fungos ou bactérias derivados por clonagem do mesmo ancestral e crescen do na mesma localização geral Genoma Referese a todos os genes em um complemento haploide de cromosso mos eucarióticos em uma organela um micróbio ou o conteúdo de DNA ou RNA de um vírus Genoma mitocondrial Ver DNA mito condrial Genoma nuclear Complemento com pleto de DNA encontrado no núcleo Genoma plastidial Genoma contido nos cloroplastos e em outros plastídios Os genomas plastidiais carregam um subconjunto de genes para função de plastídios como alguns daqueles envolvi dos na fotossíntese Geração esporofítica Estágio ou gera ção no ciclo de vida das plantas que pro duz esporos Ele alterna com a geração gametofítica em um processo chamado de alternância de gerações Geração gametofítica Estágio ou gera ção no ciclo de vida das plantas que pro duz gametas Ela se alterna com a geração esporofítica em um processo denomina do alternância de gerações Germinação Eventos que ocorrem entre o início da inibição da semente seca e a emergência do embrião geralmente a ra dícula a partir de estruturas que o envol vem Pode também ser aplicada a outras estruturas quiescentes como os grãos de pólen ou os esporos Germinação precoce Germinação de sementes mutantes vivíparas enquanto ainda fixadas à plantamãe Germinação précolheita Germinação de sementes do tipo selvagem fisiologi camente maduras sobre a plantamãe causada por condições atmosféricas úmi das Gerontoplasto Em folhas senescentes é um cloroplasto modificado que passou progressivamente por desempilhamento dos grana perda de membranas de tila coides e uma expressiva acumulação de plastoglóbulos compostos de lipídeos GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1 Proteína receptora de giberelina no arroz Giberelinas Grupo grande de hormô nios vegetais quimicamente relaciona dos sintetizados por um ramo da rota de terpenoides e associados à promoção do crescimento do caule especialmente em plantas anãs ou em roseta à germinação de sementes e a muitas outras funções Gimnospermas Um grupo inicial de es permatófitas Elas distinguemse das an giospermas por terem sementes inseridas em cones desprotegidos nus Glicano Termo geral para um polímero constituído de unidades de açúcar ele é sinônimo de polissacarídeo Glicerofosfolipídeos Glicerolipídeos polares em que a porção hidrofóbica con siste em duas cadeias de ácidos graxos de 16 ou 18 carbonos esterificados nas posi ções 1 e 2 de uma estrutura de glicerol O grupo da cabeça polar contendo fosfato é fixado à posição 3 do glicerol Gliceroglicolipídeos Glicerolipídeos em que açúcares formam o grupo da cabeça polar Os gliceroglicolipídeos são os gli cerolipídeos mais abundantes nas mem branas dos cloroplastos Glicerolipídeos polares Principais lipídeos estruturais em membranas nos quais a porção hidrofóbica consiste em duas cadeias de ácidos graxos de 16 ou 18 carbonos esterificados nas posições 1 e 2 de um glicerol Glicina betaína NNNtrimetilglicina que atua na proteção contra o estresse hí drico e foi originalmente identificada no açúcar da beterraba Beta vulgaris Glicófitas Plantas incapazes de resistir aos sais no mesmo teor que as halófitas Elas exibem inibição do crescimento des coloração foliar e perda de massa seca em concentrações de sal no solo acima do li miar Comparar com halófitas Glicólise Uma série de reações em que a glicose é parcialmente oxidada para for mar duas moléculas de piruvato sendo produzida uma pequena quantidade de ATP e NADH Gliconeogênese Síntese de carboidra tos pela inversão da glicólise Glicoproteína Nligada Glicano ligado a uma proteína por um átomo de nitro gênio Formada pela transferência de um glicano de 14 açúcares do dolicolfosfato incorporado à membrana do retículo en doplasmático para o polipeptídeo nas cente à medida que ele entra no lume do retículo endoplasmático Glicoproteínas Proteínas que têm oli gômeros ou polímeros de açúcares liga dos covalentemente Glicose6fosfato desidrogenase En zima citosólica e plastídica que catalisa a reação inicial da rota oxidativa das pento ses fosfato Glicosídeos cardíacos Compostos or gânicos glicosilados de defesa vegetal eles são similares à oleandrina da espir radeira que é tóxica para animais e inibe os canais de sódiopotássio de provocar contrações nos músculos cardíacos Glicosídeos cianogênicos Compostos protetores nitrogenados não alcaloides que se decompõem liberando o gás ve nenoso ácido cianídrico quando a planta é esmagada Glicosídeos Compostos contendo açú car ou açúcares ligados Glicosilglicerídeos Moléculas lipídicas polares encontradas na membrana do cloroplasto Nos glicosilglicerídeos não há grupo fosfato e o grupo da cabeça polar é galactose digalactose ou uma galactose sulfatada Glioxilato Aldeído ácido de dois carbo nos que é um intermediário do ciclo do glioxilato TaizGlossario2indd 779 TaizGlossario2indd 779 27102016 134335 27102016 134335 780 Glossário Glioxissomo Organela encontrada nos tecidos ricos em óleo de sementes em que os ácidos graxos são oxidados Um tipo de microcorpo Glucano Polissacarídeo formado por unidades de glicose Glucomanano Polissacarídeo formado de unidades de glicose e manose Glucuronoarabinoxilano Hemicelulose com uma estrutura básica de Dxilose Xyl com ligações β14 e cadeias la terais contendo arabinose Ara e ácido 4Ometilglicurônico 4OMeDα GlcA Glucuronoxilano Hemicelulose funda mental em algumas paredes celulares se cundárias consistindo em uma estrutura básica de resíduos de Dxilose com liga ções β14 e ocasionais cadeias laterais de ácido glicurônico Glutamato desidrogenase GDH En zima que catalisa uma reação reversível que sintetiza ou desamina o glutamato como parte do processo de assimilação de nitrogênio Glutamato sintase GOGAT Enzima que transfere o grupo amida da glutami na para 2oxoglutarato produzindo duas moléculas de glutamato Também conhe cida como glutamina2oxoglutarato ami notransferase Glutamina sintetase GS Enzima que catalisa a condensação de amônio e glu tamato para formar glutamina A reação é crucial para a assimilação de amônio em aminoácidos essenciais Existem duas formas de GS uma no citosol e outra nos cloroplastos Glutationa peroxidase Família de enzi mas que reduzem peróxido a água e hi droperóxidos lipídicos a alcoóis GNOM GN Gene de Arabidopsis para o desenvolvimento de raízes e cotilédones Mutante homozigoto de GNOM produz plântulas sem raízes e cotilédones GOGAT Ver Glutamato sintase Gradiente de prótons Gradiente de concentração de prótons íons hidrogê nio através de uma membrana Usado pelos cloroplastos e pelas mitocôndrias para acionar a produção de ATP Gradiente eletroquímico de prótons Soma do gradiente de cargas elétricas e do gradiente de pH através da membrana resultante do gradiente de concentração de prótons Granum plural grana Pilha de tilacoi des no cloroplasto Gravitropismo Crescimento vegetal em resposta à gravidade capacitando as raízes ao crescimento descendente em di reção ao solo e as partes aéreas ao cresci mento em direção oposta GT43 família 43 de glicosiltransferase Grupo de sintases que sintetizam os com ponentes estruturais de polissacarídeos do tipo xilano GURKE GK Gene envolvido na forma ção de padrões Ele codifica uma acetil CoAcarboxilase necessária para a pró pria síntese de ácidos graxos de cadeias muito longas e esfingolipídeos que estão envolvidos na própria conformação da porção apical do embrião Gutação Exsudação de líquido pelas fo lhas devido à pressão de raiz H HATPase de membrana plasmática HATPase que bombeia H através da membrana plasmática energizada pela hidrólise do ATP HATPase vacuolar VATPase Com plexo enzimático grande de subunidades múltiplas e relacionado às F0F1ATPases presente em endomembranas tonoplas to complexo de Golgi Ele acidifica o vacúolo e supre a força motriz de prótons para o transporte secundário de uma di versidade de solutos para o interior do lume VATPase também atua na regula ção do tráfego intracelular de proteínas Hpirofosfatase Bomba eletrogênica que move prótons para o vacúolo energi zada pela hidrólise de pirofosfato Halófitas Plantas que são nativas de solos salinos e completam seus ciclos de vida nesses ambientes Comparar com glicófitas Haploide 1n Possui um único conjun to de cromossomos diferentemente de ter um conjunto pareado diploide Haplótipo S Genes múltiplos herdados como uma unidade segregante única que compõem o locus S Haustório Extremidade hifal de um ápi ce de fungo ou raiz de uma planta para sítica que penetra no tecido vegetal hos pedeiro Headingdate1 Hd1 Gene para um homólogo CO que age como um inibidor de florescimento no arroz Headingdate3a Hd3a Gene da pro teína FTlike no arroz que é translocada via tubos crivados para o meristema api cal onde estimula o florescimento Heliotropismo Movimento de folhas na direção do solo ou em direção oposta a ele Hemiceluloses Grupo heterogêneo de polissacarídeos que se ligam à superfície celulósica unindo microfibrilas de celulo se em uma rede Geralmente são solubi lizadas por soluções fortemente alcalinas Herança materna não mendeliana Modelo não mendeliano de herança em que a descendência recebe genes apenas de origem materna Herança uniparental Forma de herança exibida por mitocôndrias e plastídios sig nificando que a descendência de repro dução sexual via pólen e oosfera herda organelas de somente um progenitor Herbivoria Consumo de plantas ou par tes de plantas como fonte de alimentos Heterocromatina Cromatina que é den samente compactada de coloração escura e inativa na transcrição ela é responsável por cerca de 10 do DNA nuclear Heterocromatização Condensação de eucromatina em heterocromatina resul tando no silenciamento gênico Heterostilia Condição de possuir dois ou três morfos florais diferentes em que os estames e os pistilos têm comprimen tos diferentes Em flores longistilas os es tames são mais curtos do que os pistilos Em flores brevistilas os estames são mais longos do que os pistilos Hexoses fosfato Açúcares de seis car bonos com grupos fosfato ligados Hidatódios Aberturas especializadas na margem foliar associadas a terminações de nervuras através das quais a seiva do xilema pode ser exsudada quando existe pressão hidrostática positiva naquele sis tema condutor Eles constituem também um sítio de síntese de auxina em folhas imaturas de Arabidopsis Hidrofilinas Proteínas pequenas que atuam na desidrataçãodormência de se mentes e nas respostas ao estresse hídri co Hidroponia Uma técnica de cultivos de plantas cujas raízes ficam submersas em solução nutritiva sem solo Hifas enoveladas Estruturas ramifica das de fungos microrrízicos que se for mam dentro das células vegetais penetra TaizGlossario2indd 780 TaizGlossario2indd 780 27102016 134335 27102016 134335 Glossário 781 das elas são os sítios de transferência de nutrientes entre o fungo e a planta hospe deira Também chamadas de arbúsculos Hiperacumulação Acumulação de me tais por uma planta saudável em níveis muito mais altos do que os encontrados no solo e que geralmente são tóxicos a or ganismos não acumuladores Hipocótilo Região do caule da plântula abaixo dos cotilédones e acima da raiz Hipófise Na embriogênese de esperma tófitas a derivada mais apical da célula basal que contribui para o embrião e fará parte do meristema apical da raiz Hipógeo Um tipo de crescimento de plântulas em que os cotilédones perma necem abaixo da superfície do solo Hipótese de CholodnyWent Mecanis mo inicialmente proposto para tropismos que envolvem estimulação da curvatura do eixo da planta por transporte lateral de auxina em resposta a um estímulo como luz gravidade ou contato O modelo ori ginal tem sido respaldado e expandido por evidência experimental recente Hipótese de crescimento em multirrede Referente ao depósito da parede celular durante a expansão da célula Segundo ela cada camada de parede sucessiva é esticada e adelgaçada durante a expansão celular de modo que seria esperado que as microfibrilas fossem reorientadas pas sivamente na direção do crescimento Hipótese de Defesa Ótima Hipótese segundo a qual as plantas otimizam a so brevivência e a reprodução mediante uma gama de adaptações evolutivas que redu zem a herbivoria Hipótese do amidoestatólito Meca nismo proposto para o gravitropismo envolvendo a sedimentação de estatólitos nos estatócitos Hipótese do crescimento ácido Hipó tese de que a acidificação da parede celu lar resultante da extrusão de prótons atra vés da membrana provoca relaxamento e extensão do estresse da parede celular Hipótese do relógio Hipótese atual mente aceita de como as plantas medem o comprimento da noite Ela propõe que a cronometragem fotoperiódica depende do oscilador endógeno do ritmo circa diano Hipóteseguarda Hipótese na qual as proteínas R interagem com efetores de patógenos para impedir interações desses efetores com alvos nas células vegetais Hipótese mecânica Um tipo de cresci mento do tubo polínico que é determina do pela arquitetura do pistilo Hipótese quimiosmótica Mecanismo pelo qual o gradiente eletroquímico de prótons estabelecido através de uma membrana por um processo de transporte de elétrons é usado para acionar a síntese de ATP que requer energia Ele opera em mitocôndrias e cloroplastos Hipótese quimiotrópica Hipótese se gundo a qual uma hierarquia de sinais moleculares direciona o tubo polínico para seu destino estimulando o ápice a crescer em direção ao rudimento seminal Histogênese Diferenciação de células para produzir tecidos diversos Histonas Família de proteínas que inte ragem com DNA que ao redor delas é enrolado formando um nucleossomo Homogalacturonano HG Este polis sacarídeo péctico é um polímero de resí duos de ácido Dgalacturônico com liga ções β14 também chamado de ácido poligalacturônico Homólogo D da oxidase da queima respiratória RBOHD respiratory burst oxidase homolog D Enzima que gera superóxido usando NADPH como um doador de elétrons I Idioblasto Célula especial que quan to à forma ao conteúdo ou ao tamanho difere significativamente das outras célu las no mesmo tecido Importação Movimento de fotossinta tos nos elementos crivados para o interior dos órgãosdreno Imunidade desencadeada pelo efe tor Respostas imunológicas mediadas por nucleotídeo intracelular que liga proteínas de repetição ricas em leucina NLRs codificadas pelos genes R Inativação de EROs Desintoxicação de espécies reativas de oxigênio via intera ções com proteínas e moléculas aceptoras de elétrons Indeiscência Ausência de abertura es pontânea de uma antera madura ou de um fruto maduro Indução fotoperiódica Processos regu lados pelo fotoperíodo que ocorrem nas folhas resultando na transmissão de um estímulo floral para o ápice caulinar Inibidores da αamilase Substâncias sintetizadas por algumas leguminosas que interferem na digestão de herbívoros pelo bloqueio da ação da αamilase enzi ma da digestão do amido Iniciais Grupo de células indetermina das que se dividem lentamente nos me ristemas de raízes e de caules Seus des cendentes afastamse mediante padrões polarizados de divisão celular e seguem destinos diferentes contribuindo para a organização radial e longitudinal da raiz ou do caule e para o desenvolvimento de órgãos laterais Iniciais corticaisendodérmicas Anel de célulastronco que circunda o centro quiescente e gera as camadas corticais e endodérmicas em raízes Iniciais da columela Localizadas dire tamente abaixo do centro quiescente em posição distal a ele essas células origi nam a porção central da coifa Iniciais da parte lateral da coifa e epi derme Células localizadas ao lado do centro quiescente Em Arabidopsis essas iniciais primeiramente apresentam divi sões anticlinais e originam célulasfilhas derivadas A seguir essas células se di videm de maneira periclinal formando duas fileiras de células que irão se dife renciar na parte lateral da coifa e na epi derme Iniciais do estelo Na raiz células lo calizadas imediatamente atrás do centro quiescente proximais a ele que originam o periciclo e o tecido vascular Injectissoma Denominação do apêndice do sistema de secreção do tipo III de algu mas bactérias patogênicas Inositol145trifosfato IP3 Um dos vários mensageiros secundários que de sencadeiam a liberação de cálcio a partir das reservas intracelulares Inserção cotraducional Mecanismo de inserção de uma proteína em uma mem brana à medida que ela está sendo for mada ou traduzida a partir do mRNA As proteínas de endomembranas na maio ria são assim inseridas primeiro no retí culo endoplasmático e após transporta das para seu destino Instabilidade dinâmica Sequência de despolimerização catastrófica rápida e resgate mais lento da polimerização na extremidade crescente de microtúbulos que ocorre quando essa extremidade não está estabilizada com algumas proteínas associadas a microtúbulos MAPs Intensidade do dreno Capacidade de um órgãodreno de mobilizar assimila TaizGlossario2indd 781 TaizGlossario2indd 781 27102016 134335 27102016 134335 782 Glossário dos para si próprio Ela depende de dois fatores tamanho e atividade do dreno Intensificadores Sequências regulado ras positivas localizadas a uma distância de dezenas de milhares de pares de bases do sítio de partida do gene Os realçado res podem estar localizados a montante ou a jusante do promotor Interfase Coletivamente as fases G1 S e G2 do ciclo celular Irradiância Quantidade de energia que incide sobre um sensor plano de área co nhecida por unidade de tempo Ela é ex pressa em watts por metro quadrado W m2 Observar que o tempo segundos está contido no termo watt 1 W 1 joule J s1 ou em moles de quanta por metro quadrado por segundo mol m2 s1 tam bém referido como taxa de fluência J JASMONATEZIM DOMAIN JAZ Re pressor transcricional que atua como um controlador para a sinalização do jasmo nato Na presença de AJ jasmonato ácido jasmônico JAZ é degradado permitindo que reguladores transcricionais positivos ativem genes induzidos por AJ K Katanina Proteína desestabilizadora de microtúbulos denominação referente à katana tipo de espada usada pelos sa murais KNOLLE Proteína de reconhecimento de alvo envolvida na fusão de vesículas durante a formação da placa celular Ela pertence à família SNARE de proteínas L L1 Camada epidérmica distinta deriva da de um conjunto de iniciais no meriste ma apical do caule L2 Camada de células subepidérmicas derivada de um conjunto interno de ini ciais no meristema apical do caule L3 Camada de células de posição cen tral e derivada de um conjunto interno de iniciais no meristema apical do caule Lamela média Camada delgada de ma terial rico em pectina localizada onde as paredes primárias de células vizinhas en tram em contato Originada como placa celular durante a divisão celular Lamelas estromais Membranas do ti lacoide não empilhadas dentro do cloro plasto Lamelas granais Membranas dos tila coides empilhadas dentro do cloroplasto Cada pilha é denominada granum ao pas so que onde não há pilha as membranas expostas são conhecidas como estroma lamelar Lâmina Limbo da uma folha Lâmina foliar Área extensa e expandida da folha também chamada de lâmina Látex Solução complexa muitas vezes leitosa que é exsudada de cortes de certas espécies vegetais e representa o citoplas ma de laticíferos podendo conter subs tâncias defensivas Laticíferos Em muitas plantas uma rede de células alongadas diferenciadas separadamente e com frequência inter conectadas Elas contêm látex por isso o termo laticífero borracha e outros meta bólitos secundários Lectinas Proteínas vegetais defensivas que se ligam a carboidratos ou proteínas contendo carboidratos inibindo sua di gestão por um herbívoro Leghemoglobina Proteína heme que se liga ao oxigênio encontrada no cito plasma de células infectadas dos nódulos ela facilita a difusão do oxigênio para a respiração de bactérias simbióticas Lei da reciprocidade Relação recíproca entre a taxa de fluência mol m2 s1 e a duração da exposição à luz característi ca de muitas reações fotoquímicas bem como algumas respostas do desenvolvi mento de plantas à luz A fluência total depende de dois fatores a taxa de fluência e o tempo de irradiação Uma breve expo sição luminosa pode ser eficiente com luz brilhante inversamente a luz opaca exige um tempo de exposição longo Também identificada como lei de BunsenRoscoe Lenho de tensão Um tipo de lenho de reação encontrado em dicotiledôneas ar borescentes formado no lado superior de caules ou ramos inclinados ou horizon tais Leucoplastos Plastídios não pigmen tados dos quais o mais importante é o amiloplasto Ligações de hidrogênio Ligações quí micas fracas formadas entre um átomo de hidrogênio e um átomo de oxigênio ou de nitrogênio Lignina Polímero fenólico altamente ramificado com uma estrutura complexa constituída de alcoóis fenilpropanoides que podem estar associados a celulo ses e proteínas Depositada em paredes secundárias ela auxilia na sustentação possibilitando o crescimento ascendente e permitindo a condução pelo xilema sob pressão negativa A lignina tem funções defensivas importantes Limbo Ver Lâmina Limiar de amolecimento Valor mínimo de pressão de turgor no qual começa a extensão mensurável da parede celular Limite de exclusão por tamanho SEL size exclusion limit Restrição quanto ao tamanho de moléculas que podem ser transportadas via simplasto Ele é impos to pela largura do envoltório citoplasmá tico ao redor do desmotúbulo no centro do plasmodesmo Lisofosfolipídeo Fosfolipídeo do qual um ou os dois grupos de ácido graxo fo ram removidos Litocisto Em certas folhas uma célula com superfície ampliada contendo um cistólito uma concreção de carbonato de cálcio depositada sobre uma extensão ce lulósica que pende da parede celular su perior Lóculos Cavidades contendo pólen no interior das anteras O termo também é aplicado às câmaras dentro do ovário nas quais as sementes se desenvolvem Longevidade da semente Duração do tempo que uma semente pode permane cer dormente sem perda da viabilidade LUREs Quimioatrativos de pólen de To renia fournieri consistindo em polipeptí deos ricos em cisteína M Macroautofagia Tipo principal de auto fagia em plantas em que organelas espe cializadas denominadas autofagossomos envolvem os componentes citoplasmáti cos e se fundem com o vacúolo Macrofibrilas Estruturas encontradas em paredes celulares secundárias de tra queídes e fibras consistindo em cerca de 10 a 20 microfibrilas de celulose agrega das Manano Hemicelulose constituída de uma estrutura básica de Dmanose com ligações β14 Manchas de sol Fragmentos de luz so lar que passam através de aberturas no dossel até o chão da floresta É a principal fonte de radiação incidente para as plan tas que crescem sob o dossel da floresta TaizGlossario2indd 782 TaizGlossario2indd 782 27102016 134335 27102016 134335 Glossário 783 Manchas necróticas Manchas pequenas de tecido foliar morto Uma característica da deficiência de fósforo por exemplo Marcador genético Sequência de DNA que ocorre em um local conhecido de um cromossomo e que pode ser usada para identificar espécies ou indivíduos Margo Região porosa e relativamente flexível das membranas de pontoação em traqueídes do xilema de coníferas circun dando um espessamento central denomi nado toro Matrixulos Saliências das membranas externa e interna da mitocôndria Matriz Fase coloidalaquosa limitada pela membrana interna de uma mitocôn dria Matriz extracelular Termo geral que em plantas costuma se referir à parede celular Medula Tecido fundamental no centro do caule ou da raiz Megásporo Esporo haploide 1n que se desenvolve no gametófito feminino Megastróbilos Estróbilos ou cones que contêm o tecido gametofítico feminino Meiose Divisão redutora pela qual duas divisões celulares sucessivas pro duzem quatro células haploides 1n a partir de uma célula diploide 2n Em plantas com alternância de gerações os esporos são produzidos por meiose Em animais que não apresentam alternância de gerações gametas são produzidos pela meiose Membrana de pontoação Camada po rosa no xilema localizada entre pares de pontoação consistindo em duas paredes primárias delgadas e a lamela média Membrana mitocondrial externa Uma das duas membranas mitocondriais que aparenta ser livremente permeável a to das as moléculas pequenas Membrana mitocondrial interna Mem brana mais interna das duas membra nas mitocondriais contendo a cadeia de transporte de elétrons F0F1ATPsintase e numerosos transportadores Membrana plasmática Estrutura em mosaico fluido composta de uma bica mada de lipídeos polares fosfolipídeos ou glicosilglicerídeos e proteínas incor poradas que juntas conferem permea bilidade seletiva à membrana Também chamada de plasmalema Mensageiro secundário Molécula intracelular p ex AMP cíclico GMP cíclico cálcio IP3 ou diacilglicerol cuja produção foi eliciada por um hormônio sistêmico o mensageiro primário ligan do a um receptor frequentemente sobre a membrana plasmática Ele se difunde intracelularmente para as enzimasalvo ou para o receptor intracelular a fim de produzir ou amplificar a resposta Meristema apical da raiz MAR Grupo de células no ápice da raiz que retém a capacidade de proliferação e cujo destino final permanece indeterminado Meristema apical do caule MAC Me ristema do ápice do caule Ele consiste em zona central ZC terminal contendo células iniciais indeterminadas que se di videm lentamente zona periférica ZP e zona medular ZM Na ZM as células derivadas da ZC dividemse mais rapida mente e após diferenciamse Meristema axilar Tecido meristemático nas axilas de folhas que origina gemas axilares Meristema de espessamento primário Meristema especializado localizado na gema apical abaixo do primórdio foliar de certas monocotiledôneas como nas palmeiras Ele serve para o crescimento em espessura do caule permitindo que o tronco alcance uma altura considerável Meristema floral Forma órgãos florais reprodutivos sépalas pétalas estames e carpelos Ele pode se formar diretamen te a partir de meristemas vegetativos ou indiretamente por um meristema de in florescência Meristema intercalar Meristema locali zado próximo à base em vez de no ápice de um caule ou de uma folha como em gramíneas Meristema limítrofe Zona de transição que separa o primórdio foliar do meriste ma apical do caule Meristema primário da inflorescência Meristema que produz o escapo da in florescência ele é formado do meristema apical do caule Meristemas Regiões localizadas de di visões celulares contínuas que permitem o crescimento durante o desenvolvimento pósembrionário Meristemas apicais Regiões localizadas nos ápices de caules e raízes compostas de células indiferenciadas que passam por divisão celular sem diferenciação Meristemas marginais Tecidos de pro liferação que são ladeados por tecidos diferenciados nas margens de órgãos em desenvolvimento Meristemas secundários da inflorescên cia Meristemas da inflorescência que se desenvolvem a partir das gemas axilares na junção do caule com as folhas Meristemoides Agrupamentos peque nos e superficiais de células em divisão que originam estruturas como tricomas ou estômatos Mesocótilo Em membros da família das gramíneas a parte do eixo em alonga mento entre o escutelo e o coleóptilo Mesofilo Tecidos foliares encontrados entre as camadas epidérmicas superior e inferior consistindo nos parênquimas paliçádico e esponjoso Metabolismo ácido das crassuláceas CAM crassulacean acid metabolism Processo bioquímico de concentração de CO2 no sítio de carboxilação da rubis co Encontrado na família Crassulaceae Crassula Kalanchoë Sedum e em várias outras famílias de angiospermas No processo CAM a absorção e a fixação de CO2 ocorrem à noite a descarboxilação e a redução de CO2 liberado internamente ocorrem durante o dia Metabólitos secundários Compostos que não têm um papel direto no cresci mento e no desenvolvimento das plantas mas funcionam como defesas contra her bívoros e infecção por patógenos micro bianos na atração de animais poliniza dores e dispersores de sementes e como agentes na competição entre plantas Metabolômica Estudo de todos os me tabólitos em uma célula tecido órgão ou organismo que são os produtos do meta bolismo celular Metáfase Estágio da mitose durante o qual o envoltório nuclear se desintegra e os cromossomos condensados se alinham na região mediana da célula Metilação Adição química de grupos metila para alterar estrutura ou função Uma modificação comum de resíduos de citosina no DNA Micorriza Associação simbiótica mutu alística de certos fungos e raízes de plan tas facilitando a absorção de nutrientes minerais pelas raízes Micorrizas arbusculares Simbioses en tre um filo de fungos recentemente des crito Glomeromycota e uma gama ampla TaizGlossario2indd 783 TaizGlossario2indd 783 27102016 134335 27102016 134335 784 Glossário de angiospermas gimnospermas fetos e hepáticas Elas facilitam a captação de nu trientes minerais pelas raízes Microautofagia Tipo de autofagia me nos compreendido em plantas envolven do a invaginação da membrana do tono plasto e a formação de pequenas vesículas intravacuolares denominadas corpos au tofágicos que passam por dissolução dentro do vacúolo Microcorpos Classe de organelas esféri cas circundadas por uma membrana sim ples e especializadas em uma de várias funções metabólicas como a βoxidação de ácidos graxos e o metabolismo de glio xilato em peroxissomos e glioxissomos respectivamente Microfibrila de celulose Estrutura fina semelhante a uma fita de comprimento indeterminado e largura variável Ela é composta de cadeias de Dglucanos com ligações β14 firmemente dispostas em arranjos cristalinos alternadas com regiões amorfas menos organizadas Proporciona integridade estrutural às paredes celulares de plantas e direciona a expansão celular Microfilamento Componente do citoes queleto celular constituído de actina ele está envolvido na motilidade de organelas dentro das células Microgametogênese Processo no grão de pólen que origina gametas masculinos as células espermáticas Micrópila Pequena abertura na extre midade distal do óvulo rudimento semi nal através da qual passa o tubo polínico antes da fecundação MicroRNAs miRNAs RNAs curtos 2124nt que têm estruturas de fita dupla e medeiam a interferência do RNA Micrósporo Célula haploide 1n que se desenvolve no tubo polínico ou gametófi to masculino Microsporócito Células que se dividem meioticamente para produzir micrós poros Microsporogênese Processo em que os micrósporos são formados pelo micros porócito Microstróbilos Estróbilos ou cones que contêm o tecido esporofítico masculino Microtúbulo Componente do cito esqueleto celular feito de tubulina um constituinte do fuso mitótico e impor tante para a orientação de microfibrilas de celulose na parede celular Mineralização Processo de decomposi ção de compostos orgânicos pelos micror ganismos do solo que libera nutrientes minerais sob formas assimiláveis pelas plantas Mitocôndria Organela que é o sítio da maioria das reações no processo respira tório de eucariotos Mitose Processo celular ordenado pelo qual os cromossomos replicados são dis tribuídos pelas célulasfilhas formadas por citocinese Modelo ABC Proposta para a maneira na qual os genes homeóticos florais con trolam a formação de órgãos nas flores De acordo com o modelo a atividade dos órgãos em cada verticilo é determinada por uma combinação única das três ativi dades dos genes de identidade de órgãos Modelo de alternância Modelo para a mudança de conformação do fitocromo da forma Pr para a forma Pfr em que a rotação do cromóforo faz o grampo β se tornar helicoidal e exercer uma tração na espinha helicoidal Modelo de aprisionamento de políme ros Modelo que explica a acumulação específica de açúcares nos elementos crivados de espécies com carregamento simplástico Modelo de canalização Hipótese se gundo a qual à medida que flui pelos tecidos a auxina estimula e polariza seu próprio transporte que gradualmente se torna canalizado em filas de células que conduzem para longe das fontes desse hormônio após essas filas podem dife renciarse formando tecido vascular Modelo de coincidência Modelo de florescimento em plantas fotoperiódicas no qual o oscilador circadiano controla o ajustamento do ritmo das fases sensível e insensível à luz durante o ciclo de 24 ho ras Modelo de fluxo de pressão Modelo amplamente aceito de translocação no floema de angiospermas Segundo ele o transporte nos elementos crivados é acionado pelo gradiente de pressão entre fonte e dreno O gradiente de pressão é gerado osmoticamente e resulta do carre gamento na fonte e do descarregamento no dreno Modelo do mosaico fluido Estrutura molecular lipídicoproteica comum a to das as membranas biológicas Uma cama da dupla bicamada de lipídeos polares fosfolipídeos ou em cloroplastos gli cosilglicerídeos tem uma região interna hidrofóbica similar a um fluido As pro teínas de membrana são incorporadas à bicamada e podem moverse lateralmente devido às suas propriedades similares às de um fluido Modelo quaternário Modelo molecu lar que explica as interações dos genes das classes A B C e E na especificação da identidade de órgãos florais durante o florescimento De acordo com o modelo os genes MADS box dimerizam e dois dímeros podem formar um tetrâmero Hipoteticamente esses tetrâmeros ligam CArGboxes em genesalvo e modificam sua expressão Modificações epigenéticas Transfor mações químicas em DNA e histonas que causam mudanças herdáveis na atividade gênica sem alterar a sequência funda mental do DNA Monocárpico Referente a plantas geral mente anuais que produzem frutos ape nas uma vez e depois morrem Monocotiledônea Uma das duas clas ses de angiospermas caracterizada por um único cotilédone no embrião Monoico Referente a plantas estami nadas e pistiladas encontradas no mes mo indivíduo como por exemplo pepi no Cucumis sativus e milho Zea mays Comparar com dioico MONOPTEROS MP Gene envolvido na padronização embrionária Ele co difica um fator de resposta à auxina que é necessária para a formação normal de elementos basais como a raiz e os hipo cótilos Monossomia Tipo de aneuploidia em que está presente somente um cromosso mo de determinado tipo Morfogênese Processo de desenvolvi mento que origina a forma biológica Morfógenos Em animais substâncias que exercem papéischave no forneci mento de indicações posicionais em cer tos tipos de desenvolvimento dependente da posição Morte celular programada MCP Pro cesso pelo qual células individuais ativam um programa intrínseco de senescência acompanhado de um conjunto distinto de mudanças morfológicas similar à apop tose de mamíferos TaizGlossario2indd 784 TaizGlossario2indd 784 27102016 134335 27102016 134335 Glossário 785 Morte celular programada do tipo va cuolar Tipo de morte celular programa da associada à senescência do desenvol vimento em células vegetais cujo vacúolo se decompõe liberando diferentes hidro lases para o citoplasma Mosaicismo genético Presença de duas ou mais populações de células com genó tipos diferentes causado por mutações somáticas em uma planta que se desen volveu de um único óvulo fertilizado Motivos de lisina LysM Moléculas contendo Nacetilglicosamina NAG derivadas de quitina fúngica que elicitam respostas vegetais Movimento dirigido de organelas Mo vimento de uma organela em determina da direção que pode ser promovido pela interação com motores moleculares asso ciados ao citoesqueleto MscS canal mecanossensível de con dutância pequena Canal iônico con trolado mecanicamente que percebe mu danças no volume celular acionadas por osmose ou contato físico com um objeto herbívoro ou patógeno Mudança de fases Fenômeno em que os destinos das células meristemáticas são de tal modo alterados que elas pas sam a produzir novos tipos de estruturas Murcha Perda de rigidez da planta le vando a um estado flácido devido à que da a zero da pressão de turgor Mutante Indivíduo que contém mudan ças específicas em sua sequência de DNA e pode mostrar um fenótipo alterado Mutualismo Relação simbiótica em que ambos os organismos se beneficiam N NADPHdesidrogenases Termo co letivo para enzimas ligadas à membrana que oxidam NADH ou NADPH ou am bas e reduzem quinona Várias estão pre sentes na cadeia de transporte de elétrons de mitocôndrias por exemplo o complexo I de bombeamento de prótons mas tam bém enzimas mais simples que não bom beiam prótons NADHdesidrogenase complexo I Complexo proteico de multissubunidades na cadeia mitocondrial de transporte de elétrons que catalisa a oxidação de NADH e a redução de ubiquinona conectada ao bombeamento de prótons da matriz para o espaço intermediário Não climatérico Referente a um tipo de fruto que não passa por um climatérico ou aumento respiratório brusco durante o amadurecimento Não espermatófitas Famílias vegetais que não produzem sementes NCED Enzima 9cisepoxicarotenoide dioxigenase catalisadora da primeira etapa da biossíntese do ABA formando um intermediário que é um inibidor de crescimento neutro e tem propriedades fisiológicas similares às do ABA Necrose Morte que é causada direta mente por dano físico toxinas ou outros agentes externos Necrotrófico Referente à morte de célu las ou de tecidos por patógenos que ata cam sua planta hospedeira inicialmente pela secreção de enzimas eou toxinas degradadoras de paredes celulares Isso provocará a dilaceração intensa de tecidos e a morte da planta Nectário extrafloral Nectário formado fora da flor e não envolvido nos eventos da polinização Nematódeos de nodosidades das raízes Fitoparasitas do gênero Meloidogyne en contrados em solos tropicais e subtropi cais As larvas desses nematódeos infec tam as raízes onde formam nodosidades e causam perdas expressivas nas culturas agrícolas Nematódeos encistados Nematódeos parasíticos que invadem as raízes e se transformam em um cisto imóvel O ne matódeo Heterodera glycines parasita a soja e representa uma grande ameaça à produção dessa leguminosa Neocromo Fotorreceptor na alga Mou geotia que consiste em uma fusão entre fitocromo e uma fototropina Nervura mediana Também conhecida como nervura primária o primeiro feixe vascular formado que se localiza no meio da lâmina foliar em folhas de dicotile dôneas Nervura primária Ver Nervura mediana Nictinastia Movimentos de repouso das folhas As folhas estendemse horizontal mente para exporse à luz durante o dia e fechamse verticalmente à noite Nitrato redutase Enzima localizada no citosol que reduz nitrato NO3 a nitrito NO2 Ela catalisa a primeira etapa pela qual o nitrato absorvido pelas raízes é as similado na forma orgânica Nó Posição do caule onde as folhas são inseridas Nódulos Órgãos especializados de uma planta hospedeira contendo bactérias simbióticas fixadoras de nitrogênio Noite subjetiva Fase do ritmo que coin cide com o período escuro de um ciclo de luzescuro precedente quando um orga nismo é colocado na escuridão total Ver Dia subjetivo Nucelo Tecido materno do ovário que origina o rudimento seminal Núcleo Organela que contém a infor mação genética primordialmente res ponsável pela regulação do metabolismo do crescimento e da diferenciação da cé lula Nucleoides Organelas e genomas pro carióticos que não são circundados por um envoltório nuclear Nucléolo Região densamente granular no núcleo onde ocorre a síntese de ribos somos Nucleoporinas Proteínas que formam o complexo do poro nuclear no envoltório do núcleo Núcleos polares Dois núcleos haploides no centro do saco embrionário que nor malmente se fundem formando o núcleo diploide da célula central Nucleossomo Estrutura que consiste em oitos proteínas histonas ao redor das quais o DNA está enrolado Nutrição mineral Estudo de como as plantas obtêm e utilizam os nutrientes minerais O Octante Embrião esférico globular e dotado de oito células exibindo simetria radial Oleosina Proteína específica que reves te os corpos lipídicos Oligogalacturonanos Fragmentos de pectina 10 a 13 resíduos resultantes da degradação da parede celular vegetal que elicitam múltiplas respostas de defesa Eles podem também funcionar durante o controle normal de crescimento e diferen ciação da célula Oligossacarídeos de lipoquitina Molé culas bacterianas sinalizadoras que me deiam a sinalização entre rizóbios bacté rias e espécies de leguminosas TaizGlossario2indd 785 TaizGlossario2indd 785 27102016 134335 27102016 134335 786 Glossário Oligossacarídeos Oligados Oligossa carídeos que são ligados a proteínas via grupos OH de resíduos de hidroxiprolina serina treonina e tirosina Oligossacarinas Fragmentos resultan tes da degradação da parede celular ve getal que afetam a defesa e o crescimento da planta Oosfera Gameta feminino Organismosmodelo Organismos que são especialmente acessíveis e conve nientes para a pesquisa fornecendo in formação para o teste de hipóteses em outros organismos Organogênese Formação de estruturas formalmente organizadas durante a em briogênese Órgãos florais Órgãos das angiosper mas envolvidos direta ou indiretamente na reprodução sexual sépalas pétalas estames e carpelos Osmolaridade Unidade de concentra ção expressa como moles dos solutos to tais dissolvidos por litro de solução mol L1 Em biologia o solvente geralmente é a água Osmose Movimento de água através de uma membrana seletivamente permeável no sentido da região de potencial hídrico mais negativo Ψ concentração da água mais baixa Oxidase alternativa Enzima na cadeia mitocondrial de transporte de elétrons que reduz oxigênio e oxida ubihidroqui nona Oxigênio singleto 1O2 Forma de oxi gênio extremamente reativa e danosa produzida pela reação da clorofila exci tada com oxigênio molecular Ela causa dano em componentes celulares espe cialmente lipídeos Oxilipinas Derivados de ácidos graxos oxigenados que atuam em resposta ao estresse e a patógenos em plantas e ani mais P P680 Clorofila do centro de reação do fotossistema II que tem o máximo de absorção a 680 nm em seu estado neutro A letra P simboliza pigmento P700 Clorofila do centro de reação do fotossistema I que tem o máximo de ab sorção a 700 nm em seu estado neutro A letra P simboliza pigmento P870 Bacterioclorofila do centro de rea ção de bactérias fotossintetizantes pur púreas que tem o máximo de absorção a 870 nm em seu estado neutro A letra P simboliza pigmento Padrão de venação Padrão de nervuras de uma folha Padrões moleculares associados a her bivoros HAMPs herbivoreassociated molecular patterns Respostas imuno lógicas vegetais iniciadas mediante inte rações com herbívoros Padrões moleculares associados a pa tógenos PAMPs pathogenassociated molecular patterns Moléculas origina das de fontes patogênicas que podem ini ciar respostas imunológicas Constituem um subconjunto de padrões moleculares associados a micróbios MAMPs Padrões moleculares associados ao dano DAMPs damage associated mo lecular patterns Moléculas originárias de fontes não patogênicas que podem ini ciar respostas imunológicas Paleopoliploides Espécies que mostram sinais de duplicações antigas de genoma seguidas de perda de DNA Par de pontoações Pontoações adjacen tes de células traqueais contíguas Um ca minho de baixa resistência ao movimento de água entre células condutoras Paraheliotrópico Referente ao movi mento das folhas para longe da luz solar incidente Parasita Organismo que vive sobre ou dentro de um organismo de outra espé cie conhecida como hospedeiro de cujo corpo ele obtém alimento Parede celular Estrutura rígida da su perfície celular situada externamente à membrana plasmática com funções de sustentação ligação e proteção da célula Ela é composta de celulose e outros polis sacarídeos além de proteínas Ver também Paredes celulares primárias e paredes ce lulares secundárias Paredes celulares primárias Paredes celulares delgadas menos de 1 μm que são características de células jovens em crescimento Sua massa seca possui cer ca de 85 de polissacarídeos e 10 de proteínas Paredes celulares secundárias Pare des sintetizadas por células que concluí ram o crescimento Com frequência elas apresentam camadas múltiplas e contêm lignina diferindo da parede primária em composição e estrutura Elas se formam durante a diferenciação da célula após sua expansão cessa Paredes primárias Ver Paredes celulares primárias Paredes secundárias Ver Paredes celu lares secundárias Paredes secundárias de tecidos lenho sos Paredes espessadas produzidas dentro da parede celular primária elas muitas vezes são lignificadas e exercem um papel estrutural na sustentação do peso do caule Parênquima Tecido vegetal metaboli camente ativo consistindo em células de paredes delgadas com espaços intercelu lares preenchidos de ar Parênquima esponjoso Tecido do me sofilo constituído de células de formas irregulares localizadas abaixo do parên quima paliçádico e circundadas por gran des espaços intercelulares Partes aéreas Tecidos localizados so bre a superfície do solo acima da junção raizcaule Geralmente elas abrangem o caule e as folhas Partição Distribuição diferencial de produtos da fotossíntese para múltiplos drenos dentro da planta Partícula de reconhecimento de sinal PRS A partícula de reconhecimento de sinal é uma ribonucleoproteína complexo proteínaRNA que reconhece e destina proteínas específicas para o retículo en doplasmático em eucariotos PAS Domínio de fitocromo que é ne cessário para a fixação do cromatóforo à proteína PASGAFPHY Metade Nterminal de fitocromo contendo o domínio fotossen sorial Patógenos biotróficos Patógenos que saem vivos do tecido infectado e apenas minimamente danificados enquanto o patógeno continua a se alimentar da planta hospedeira Patógenos hemibiotróficos Patógenos vegetais que mostram um estágio inicial biotrófico seguido de um estágio necro trófico no qual o patógeno causa dano extenso aos tecidos Patógenos microbianos Organismos bacterianos ou fúngicos que causam doença em uma planta hospedeira PCR inversa Um tipo de PCR que pode ser usado para amplificar o DNA quando TaizGlossario2indd 786 TaizGlossario2indd 786 27102016 134335 27102016 134335 Glossário 787 a sequência de apenas um trecho é co nhecida Pecíolo Pedúnculo da folha que une a lâmina foliar ao caule Pectinas Grupo heterogêneo de polis sacarídeos de parede celular complexos que formam um gel no qual é incorporada a rede de celulosehemicelulose Em ge ral contêm açúcares ácidos como o ácido galacturônico e açúcares neutros como ramnose galactose e arabinose Fre quentemente elas incluem cálcio como um componente estrutural permitindo extrações da parede com queladores ou ácidos diluídos Pelos da raiz Projeções microscópicas de células epidérmicas das raízes que aumentam consideravelmente sua su perfície possibilitando assim maior ca pacidade de absorção de íons e em uma extensão menor da água do solo PEPcarboxilase Enzima citosólica que forma oxalacetato pela carboxilação de fosfoenolpiruvato Peptídeo de trânsito Sequência de aminoácidos Nterminal que facilita a passagem de uma proteína precursora através das membranas externa e interna de uma organela como o cloroplasto O peptídeo de trânsito é a seguir cortado Peptídeo sinal Sequência hidrofóbica de 18 a 30 resíduos de aminoácidos na ex tremidade aminoterminal de uma cadeia ele é encontrado em todas as proteínas secretoras e na maioria das proteínas in tegrais de membrana e permite seu trân sito através da membrana do retículo en doplasmático rugoso Peptídeos antimicrobianos Peptídeos pequenos enriquecidos de glicinacis teína e produzidos por plantas que ini bem o crescimento bacteriano Pericarpo Envoltório do fruto derivado da parede do ovário Periciclo Células meristemáticas que formam a camada mais externa do ci lindro vascular no caule ou na raiz dis posta internamente à endoderme Tecido interno a partir do qual surgem as raízes laterais Periclinal Referente à orientação da di visão celular de modo que as novas pare des celulares se formam paralelamente à superfície do tecido Periderme Conjunto de tecidos in cluindo o felogênio que constituem a casca externa de caules e raízes durante o crescimento secundário de plantas lenho sas substituindo a epiderme Ela também cobre lesões e forma camadas de absci são após o desprendimento de partes da planta Período Em fenômenos cíclicos rítmi cos é o tempo entre pontos comparáveis no ciclo repetitivo como picos ou depres sões Período de indução Tempo de latência decorrido entre a percepção de um sinal e a ativação da resposta No ciclo de Cal vinBenson é o período entre o começo da iluminação e a ativação total do ciclo Perisperma Tecido de reserva derivado do nucelo frequentemente consumido durante a embriogênese Permeabilidade de membrana Exten são na qual uma membrana permite ou restringe o movimento de uma substân cia Permeabilidade seletiva Propriedade da membrana que permite a difusão de algumas moléculas através dela em um grau diferente do de outras moléculas Peroxirredoxinas Prx Família de en zimas antioxidantes que inativam peró xidos Peroxissomo Organela na qual substra tos orgânicos são oxidados pelo O2 Essas reações geram H2O2 que é decomposta em água pela enzima peroxissômica ca talase Peroxulos Extensões tubulares dos pe roxissomos Pfr Forma de absorção de luz vermelho distante de fitocromos convertida a par tir de Pr pela ação da luz vermelha A Pfr de cor azulesverdeada é convertida de volta a Pr pela luz vermelhodistante Pfr é a forma fisiologicamente ativa do fito cromo PHY Designação da apoproteína do fito cromo sem o cromatóforo PIF3 Fator de transcrição hélicealçahé lice básico que interage com phyA e phyB Pigmentos acessórios Moléculas absor ventes de luz em organismos fotossinteti zantes que trabalham com clorofila a na absorção da luz usada para fotossíntese Abrangem carotenoides outras clorofilas e ficobiliproteínas Piruvato desidrogenase Enzima na matriz mitocondrial que descarboxila piruvato produzindo NADH a partir de NAD CO2 e ácido acético na forma de acetilCoA ácido acético ligado à coenzi ma A Placa celular Estrutura semelhante à parede que separa células recémdividi das Ela é formada pelo fragmoplasto e mais tarde tornase a parede celular Placa de perfuração Paredes terminais perfuradas de elementos de vaso xilema Placas crivadas Regiões crivadas en contradas nos elementos de tubo crivado angiospermas As placas crivadas têm poros maiores que os de outras áreas cri vadas e geralmente são encontradas nas paredes terminais dos elementos de tubo crivado Planta anual Planta que completa seu ciclo de vida desde a semente até a produ ção de novas sementes senesce e morre no período de um ano Planta bianual Planta que necessita de duas estações de crescimento para flores cer e produzir semente Planta de dia neutro DNP dayneutral plant Planta cujo florescimento não é regulado pelo comprimento do dia Planta de dias curtos SDP shortday plant Planta que floresce somente em dias curtos SDP qualitativa ou com florescimento acelerado por dias curtos SDP quantitativa Planta de dias curtoslongos SLDP longshortday plant Planta que flo resce em resposta a uma mudança de dias longos para dias curtos Planta de dias curtoslongos SLDP shortlongday plant Planta que flo resce somente após uma sequência de dias curtos seguidos por dias longos Planta de dias longos LDP longday plant Planta que floresce somente em dias longos LDP qualitativa ou cujo flo rescimento é acelerado por dias longos LDP quantitativa Plantas Todas as famílias vegetais in cluindo as plantas avasculares sem se mentes Plantas avasculares Plantas que não possuem sistemas vasculares como xile ma e floema Plantas floríferas Ver Angiospermas Plantas hemiparasíticas Plantas fotos sintetizantes que também são parasitas Plantas holoparasíticas Plantas não fotossintetizantes que são parasitas obri gatórios TaizGlossario2indd 787 TaizGlossario2indd 787 27102016 134335 27102016 134335 788 Glossário Plantas perenes Plantas que vivem por mais de dois anos Plantas tolerantes ao sal Plantas que podem sobreviver ou mesmo se desen volver em solos altamente salinos Ver também Halófitas Plantas vasculares Plantas que têm xi lema e floema Plasmodesmo Canal microscópico delimitado por membrana conectando células adjacentes através da parede ce lular e preenchido com citoplasma e uma haste central derivada do retículo endo plasmático e denominada desmotúbulo Possibilita o movimento de moléculas de uma célula a outra através do simplasto O tamanho do poro pode aparentemente ser regulado por proteínas globulares que revestem a superfície interna do canal e do desmotúbulo permitindo que partí culas tão grandes quanto vírus possam atravessar Plasmodesmos primários Extensões tubulares da membrana plasmática com 40 a 50 nm de diâmetro que atravessam a parede celular e formam conexões ci toplasmáticas entre células com origem mitótica comum Plasmodesmos ramificados Plasmo desmos que são conectados na parede celular e por sua vez conectam células adjacentes entre si ver Plasmodesmo Plasmodesmos secundários Plasmo desmos que formam e permitem o trans porte simplástico entre células sem rela ção clonal Plasmodesmos simples Plasmodesmos que formam uma conexão única não ra mificada entre duas células adjacentes Plasticidade Capacidade de ajuste mor fológico fisiológico e bioquímico em res posta a mudanças no ambiente Plasticidade fenotípica Respostas fi siológicas ou de desenvolvimento de uma planta a seu ambiente Essas respostas não envolvem mudanças genéticas Plastídios Organelas celulares encon tradas em eucariotos limitadas por uma membrana dupla e às vezes contendo sistemas de membranas extensos Eles exercem muitas funções diferentes fo tossíntese armazenamento de amido armazenamento de pigmentos e transfor mações de energia Plastocianina PC Proteína pequena 105 kDa hidrossolúvel e contendo co bre que transfere elétrons entre o com plexo citocromo b6f e P700 Essa proteína é encontrada no espaço do lume Plastoglóbulos Corpos lipídicos que se acumulam dentro dos gerontoplastos du rante a senescência foliar Plastohidroquinona PQH2 Forma to talmente reduzida de plastoquinona Plúmula Primeira folha verdadeira de uma plântula em crescimento Polaridade 1 Propriedade de algumas moléculas como a água em que as di ferenças na eletronegatividade de certos átomos resulta em uma carga parcial ne gativa em uma extremidade da molécula e em uma carga parcial positiva na outra extremidade 2 Referente a extremida des distintas e regiões intermediárias ao longo de um eixo Tendo como ponto de partida o zigoto unicelular ocorre o de senvolvimento progressivo de diferenças ao longo de dois eixos um eixo apical basal e um eixo radial Polaridade proximaldistal Polaridade que se desenvolve ao longo do compri mento de uma folha Pólen Estruturas pequenas micróspo ros produzidas pelas anteras de esper matófitas Um de seus núcleos haploides fecundará a oosfera no rudimento semi nal Políades Grandes agrupamentos de pó len que facilitam a transferência em mas sa de múltiplos grãos durante a poliniza ção mediada por insetos Policárpico Referente a plantas perenes que produzem frutos muitas vezes Polinização cruzada Polinização de uma flor pelo pólen da flor de uma planta diferente Poliploidia Condição de ser poliploide ou seja ter um ou mais conjuntos extras de cromossomos Polirribossomos Ribossomos que são encadeados com RNA mensageiro e es tão no processo de tradução de proteínas a partir desse mRNA Polissacarídeos de matriz Polissacarí deos que abrangem a matriz de paredes celulares vegetais Nas paredes celulares primárias eles consistem em pectinas hemiceluloses e proteínas Pomo Tipo de fruto como o da maçã composto de um ou mais carpelos e en volvido por tecido acessório derivado do receptáculo Ponte triploide Estado genômico tran sitório e frequentemente instável entre um diploide e um tetraploide formado pela fusão de um haploide típico com um gameta diploide não reduzido Ponto de checagem checkpoint Pon tochave de regulação no início da fase G1 do ciclo celular que determina se a célula é comprometida com a iniciação da sínte se de DNA Ponto de checagem do fuso Ponto no ciclo celular metáfase onde o avanço pelo ciclo é sustado até que os cromosso mos sejam fixados corretamente ao fuso mitótico Ponto de compensação da luz Quan tidade de luz que alcança uma folha fo tossintetizante em que a absorção fotos sintética de CO2 está em exato equilíbrio com a liberação de CO2 pela respiração Ponto de compensação do CO2 Con centração de CO2 em que a taxa de respi ração se iguala à taxa fotossintética Pontoação Região microscópica onde a parede secundária de um elemento traqueal não está presente e a parede pri mária é delgada e porosa facilitando o movimento da seiva entre uma célula e a adjacente Pontos convergentes Regiões de con centração máxima de auxina na camada L1 do primórdio foliar Poros nucleares Sítios onde se jun tam as duas membranas do envoltório nuclear formando uma abertura parcial entre o interior do núcleo e o citosol O poro contém uma estrutura sofisticada de mais de cem proteínas nucleoporinas diferentes que constituem o complexo do poro nuclear Portão Domínio estrutural da proteína canal que abre ou fecha o canal em res posta a sinais externos como mudanças de voltagem ligação hormonal ou luz Pósmaturação Técnica para quebra da dormência de sementes mediante arma zenamento à temperatura ambiente sob condições secas geralmente por vários meses Póstradução Referente aos eventos ou às modificações que ocorrem após a síntese ou a tradução de uma proteína a partir de seu mRNA Potencial de ação Evento transitório em que a diferença de potencial de mem brana sobe rapidamente hiperpolariza e cai abruptamente despolariza Os po TaizGlossario2indd 788 TaizGlossario2indd 788 27102016 134335 27102016 134335 Glossário 789 tenciais de ação que são desencadeados pela abertura de canais iônicos podem ser autopropagantes ao longo de fileiras lineares de células especialmente nos sistemas vasculares de plantas Potencial de difusão Diferença de po tencial voltagem que se desenvolve atra vés de uma membrana semipermeável como resultado da permeabilidade dife rencial de solutos com cargas opostas p ex K e Cl Potencial de Nernst Potencial elétrico descrito pela equação de Nernst Potencial de pressão Ψp Pressão hi drostática de uma solução que excede a pressão atmosférica do ambiente Potencial de soluto Ver Potencial osmó tico Potencial eletroquímico Potencial quí mico de um soluto carregado eletrica mente Potencial gravitacional Parte do poten cial químico causada por gravidade Ela representa uma parcela apenas insigni ficante quando se considera o transporte de água em árvores Potencial hídrico Ψ Potencial hídrico é uma medida da energia livre associada a água por unidade de volume J m3 Es sas unidades são equivalentes a unidades de pressão como pascais Ψ é uma função do potencial de soluto do potencial de pressão e do potencial gravitacional Ψ Ψs Ψp Ψg O termo Ψg frequentemente é ignorado porque ele é desprezível para alturas inferiores a 5 metros Potencial mátrico Ψm Soma do po tencial osmótico Ψs pressão hidrostá tica Ψp Útil em situações solos secos sementes e paredes celulares em que é difícil ou impossível a medição separada de Ψs e Ψp Potencial osmótico Ψs Efeito de solu tos dissolvidos no potencial hídrico Tam bém chamado de potencial de solutos Potencial químico Energia livre asso ciada a uma substância que está disponí vel para realizar trabalho Pr Forma de fitocromo que absorve luz vermelha Essa é a forma na qual o fito cromo está reunido O Pr de cor azul é convertido pela luz vermelha na forma que absorve luz vermelhodistante Pfr Préprocâmbio Estado intermediário estável entre células fundamentais e célu las do procâmbio que podem ser detecta das pela expressão de fatores de transcri ção específicos Préprófase Na mitose é o estágio ime diatamente anterior à prófase durante o qual os microtúbulos de G2 estão com pletamente reorganizados em uma banda préprófase Pressão de raiz Pressão hidrostática po sitiva no xilema de raízes Pressão de turgor Força por unidade de área em um líquido Em uma célula vege tal a pressão de turgor empurra a mem brana plasmática contra a parede celular rígida e proporciona uma força para a ex pansão celular Pressão hidrostática Pressão gerada por compressão da água em um espaço restrito Sua unidade de medida é o pascal Pa ou mais adequadamente megapas cal MPa Primeira célula do endosperma Célula endospérmica triploide produzida pela fusão da segunda célula espermática com os dois núcleos polares ou o núcleo di ploide da célula central Proantocianidinas Grupo de taninos condensados presentes em muitas plan tas que servem como substâncias quí micas defensivas contra fitopatógenos e herbívoros Procâmbio Tecido meristemático pri mário que se diferencia em xilema floema e câmbio Produtividade quântica máxima Razão entre o produto fotossintético e o núme ro de fótons absorvidos por um tecido fotossintetizante Em uma representação gráfica do fluxo de fótons e da taxa fotos sintética a produtividade quântica é dada pelo declive da porção linear da curva Produtividade quântica Razão do ren dimento de um produto de um processo fotoquímico relacionado ao número total de quanta absorvidos Prófase Primeiro estágio da mitose e meiose antes da dissociação do envoltó rio nuclear durante o qual a cromatina se condensa para formar cromossomos dis tintos Profilinas Proteínas de ligação à actina que mantêm os monômeros despolime rizados de actina G globular carregados com ATP de modo que eles podem ser rapidamente reintegrados à actina F Elas também ligam a forminas assim acele ram a formação de actina F a partir das forminas Prómetáfase Estágio inicial da metáfa se em que a banda préprófase se desfaz e novos microtúbulos polimerizam para formar o fuso mitótico Promotor Região do gene que se liga à RNApolimerase Promotor proximal Ver Promotor regu lador Promotor regulador Sequência dentro do gene ou adjacente a ele que regula sua atividade via seu promotor central Promotorcentral promotor míni mo Uma das duas partes do promotor eucariótico consistindo em uma sequên cia mínima a montante requerida para a expressão gênica Próplastídio Tipo de plastídio imaturo não desenvolvido encontrado no tecido meristemático Durante o desenvolvi mento ele pode ser convertido em vários tipos de plastídios especializados como cloroplastos amiloplastos e cromoplas tos Propriedades de amolecimento da pare de celular Capacidade da parede celular de afrouxar e se estender irreversivel mente de diferentes maneiras em respos ta a distintos fatores internos e externos Propriedades viscoelásticas fluxo reo lógico Propriedades intermediárias entre as de um sólido e as de um líquido combinando comportamentos viscoso e elástico Prótalo Em fetos pteridófitas gametó fito fotossintetizante independente Proteassomo 26S Complexo proteolí tico grande que degrada proteínas intra celulares marcadas para destruição me diante fixação de uma ou mais cópias da ubiquitina uma proteína pequena Proteção cruzada Resposta vegetal a um estresse ambiental que confere resis tência frente a outro estresse PROTEIN PHOSPHATASE1 PP1 Sinali zador intermediário da rota da fototropi na durante a abertura estomática induzi da pela luz azul Proteína carotenoide laranja OCP de orange carotenoid protein Proteína solúvel associada à antena de ficobilisso mo do fotossistema II em cianobactérias Proteína carregadora de acil ACP acyl carrier protein Proteína ácida de baixo peso molecular à qual são ligadas cova lentemente cadeias de acil em crescimen TaizGlossario2indd 789 TaizGlossario2indd 789 27102016 134335 27102016 134335 790 Glossário to com participação da enzima ácido gra xo sintetase Proteína dasacopladora Proteína que aumenta a permeabilidade de prótons da membrana mitocondrial interna e desse modo reduz a conservação de energia Proteína G Proteína de ligação ao GTP envolvida na transdução de sinais Proteína II de ligação à clorofila de cap tação de luz LHCP II lightharvesting chlorophyll protein II Complexo de captação de luz ou complexo antena do fotossistema II Proteína rica em cisteína do locus S SCR S cysteine rich Proteína rica em cisteína localizada no invólucro do pólen que representa o determinante masculino S em Brassicaceae Proteína Rieske ferrosulfurosa Subu nidade proteica no complexo citocromo b6 f em que dois átomos de ferro estão unidos por dois átomos de enxofre com duas histidinas e duas cisteínas ligantes Proteínas abundantes na embriogênese tardia LEA late embryogenesis abun dant Proteínas envolvidas na tolerân cia à dessecação Elas interagem forman do um líquido altamente viscoso com difusão muito lenta e portanto reações químicas limitadas Elas são codificadas por um grupo de genes regulados por es tresse osmótico os quais foram descritos primeiramente em embriões submetidos à dessecação durante a maturação de se mentes Proteínas ancoradas Proteínas que são ligadas à superfície de membrana via mo léculas de lipídeos às quais elas são uni das covalentemente Proteínas antena clorofilas ab Pro teínas dotadas de clorofila associadas a um dos dois fotossistemas de organismos eucarióticos Também conhecidas como proteínas do complexo de captação de luz proteínas LHC lightharvesting complex Proteínas anticongelamento Proteínas que conferem às soluções aquosas a pro priedade de histerese térmica Quando induzidas por temperaturas baixas essas proteínas vegetais ligamse às superfícies de cristais de gelo para evitar ou retar dar seu crescimento limitando ou impe dindo assim o dano por congelamento Algumas proteínas anticongelamento podem ser idênticas às proteínas relacio nadas à patogênese Proteínas arabinogalactanas AGPs arabinogalactan proteins Família de proteínas de parede celular hidrossolú veis e altamente glicosiladas na maioria das vezes galactose e arabinose que ge ralmente representam menos de 1 da massa seca da parede Algumas podem associarse à membrana plasmática me diante uma âncora de glicosilfosfatidili nositol Elas com frequência exibem ex pressão específica de tecidos e de células Proteínas associadas à senescência Proteínas que são sintetizadas especifica mente durante a senescência Proteínas bacterianas semelhantes ao fitocromo BphPs Membros de uma ampla família de fitossensores que in cluem fitocromos vegetais família Phy cianobactérias Cph1 e Cph2 bactérias purpúreas e outras não fotossintetizantes BphP bem como fungos Fph Proteínas chaperonas moleculares Proteínas que mantêm eou restauram as estruturas tridimensionais ativas de ou tras macromoléculas Proteínas de ativação de GTPases GAPs GTPasesactivating proteins Proteínas que ativam GTPases mediante promoção da hidrólise de GTP Proteínas de choque térmico HSPs heat shock proteins Conjunto de proteínas induzidas por uma elevação rápida de temperatura e por outros fatores que le vam à desnaturação proteica A maioria atua como chaperonas moleculares Proteínas de movimento Proteínas não estruturais codificadas pelo genoma vi ral que facilitam o movimento viral pelo simplasto Proteínas de reserva da casca BSPs bark storage proteins Proteínas de reserva que se acumulam no parênquima do floema casca interna de espécies le nhosas no final da estação de crescimen to em climas temperados Na primavera essas proteínas são mobilizadas para sus tentar o crescimento Proteínas de resistência ao ácido jasmô nico JAR Proteínas de defesa que são induzidas pelo ácido jasmônico Proteínas de revestimento Proteínas específicas sobre a superfície de vesí culas que determinam a liberação da membrana e dos conteúdos de vesícula ao complexo de Golgi ou ao retículo en doplasmático COP1 COP2 e clatrina são proteínas de revestimento Proteínas de transporte Proteínas transmembrana envolvidas no movimen to de moléculas ou de íons de um lado de uma membrana para o outro lado Proteínas dirigentes de domínio Ho mólogos de uma proteína que posiciona dois substratos do álcool coniferil da di merização radical oxidativa em determi nada conformação estereoespecífica para a formação de pinorresinol As proteí nas dirigentes têm sido também invoca das em uma hipótese em discussão sobre a formação ordenada da lignina Proteínas do grupo Polycomb Família de proteínas encontradas pela primei ra vez em Drosophila que medeiam a remodelação da cromatina geralmente levando ao silenciamento de genes epi genéticos Proteínas do tipo PIF PILs Proteínas nucleares de ligação do DNA que inte ragem seletivamente com fitocromos em suas conformações Pfr ativas Proteínas Fbox Componentes de com plexos de ubiquitina E3 ligase Proteínas integrais de membrana Pro teínas incorporadas à bicamada lipídi ca de membranas A maioria atravessa a bicamada de modo que uma parte da proteína interage com um lado da célula outra parte interage com o centro hidro fóbico da membrana e uma terceira parte interage com o citosol Proteínas interativas com ROP contendo motivo CRIB RICs Proteínas que inte ragem com ROP1 para regular o cresci mento e a polaridade do tubo polínico Proteínas MYB Classe de fatores de transcrição em eucariotos Em plantas é um subgrupo de uma grande família MYB envolvida na sinalização de GA GAMYB Proteínas não enzimáticas Proteínas sem atividade enzimática incluindo pro teínas arabinogalactanas glicoproteínas ricas em hidroprolina bem como proteí nas sinalizadoras e estruturais variadas As expansinas estão incluídas nessa ca tegoria Proteínas P Proteínas do floema que atuam na vedação de células danificadas do floema obstruindo os poros dos ele mentos crivados Elas são abundantes nos elementos crivados da maioria das angiospermas mas inexistem nas gim nospermas Antigamente chamadas de mucilagem Proteínas periféricas Proteínas que são ligadas à superfície da membrana por li TaizGlossario2indd 790 TaizGlossario2indd 790 27102016 134335 27102016 134335 Glossário 791 gações não covalentes como ligações iô nicas ou ligações de hidrogênio Proteínas PIN carregadoras de efluxo de auxina Proteínas de transporte em membranas que amplificam correntes direcionais e localizadas de auxina as sociadas a desenvolvimento embrionário organogênese e crescimento trópico Proteínas sensoras Proteínas vegetais receptoras celulares especializadas que percebem sinais externos e internos Elas consistem em dois domínios um domí nio de entrada input que recebe o sinal ambiental e um domínio transmissor que transmite o sinal para o regulador de res posta Proteoma Conjunto completo de pro teínas expressas em determinado tempo por uma célula tecido ou organismo Proteômica Estudo dos proteomas in cluindo a abundância relativa e as modifi cações das proteínas Protoderme Na planta embrionária ca mada superficial de células que cobre as duas metades do embrião e dará origem à epiderme Protofilamentos Heterodímeros de α e βtubulina polimerizados Protoplastos de célulasguarda Pro toplastos preparados a partir de células guarda mediante remoção de suas paredes pela aplicação de enzimas que degradam seus componentes Pseudogenes Genes estáveis mas não funcionais aparentemente derivados da mutação de genes ativos Pulvino Estrutura da folha acionada pelo turgor encontrada na junção da lâ mina com o pecíolo propiciando uma for ça mecânica para os movimentos foliares PYRPYLRCARs Família de recepto res de ABA solúveis identificados como proteínas que interagem com as proteínas PP2Cfosfatases Q Quantum quanta no plural Quantida de descontínua de energia contida em um fóton Quebra da noite Interrupção do pe ríodo escuro com uma exposição pequena à luz Ela torna ineficaz o período escuro como um todo Quelador Composto de carbono que pode formar um complexo não covalente com certos cátions facilitando sua absor ção p ex ácido málico ácido cítrico Quenching Processo pelo qual a energia armazenada em clorofilas excitadas pela luz é rapidamente dissipada principal mente pela transferência de excitação ou fotoquímica Quenching não fotoquímico Dissipação da fluorescência da clorofila por outros processos que não a fotoquímica a con versão do excesso de excitação em calor Quimiocianina Pequena proteína secre tada no estilete que atua como uma in dicação direcional durante o crescimento do tubo polínico Quinase 2 relacionada à sacarose não fermentativa SnRK2 sucrose non fermenting related kinase 2 Família de quinases que inclui proteínas quinase ativadas pelo ABA ou proteínas quinase ativadas pelo estresse Quinases Enzimas que têm a capaci dade de transferir grupos fosfato do ATP para outras moléculas Quinases dependentes de ciclina CDKs cyclin dependent kinases Proteínas quinase que regulam as transições de G1 para S e de G2 para mitose durante o ciclo celular Quociente respiratório QR Razão en tre a produção de CO2 e o consumo de O2 Quorum sensing Sistema de sinais e respostas coordenados pelo qual as popu lações regulam crescimento e respostas ambientais Esse mecanismo é comum em organismos microbianos R Rabs Classe de proteínas de reconheci mento de alvo para a fusão e a fissão se paração de vesículas e túbulos dentro do sistema de endomembranas Radícula Raiz embrionária Geralmen te o primeiro órgão a emergir na germi nação Ráfides Agulhas de oxalato ou carbona to de cálcio que atuam na defesa vegetal Raios Tecidos de diferentes alturas e larguras dispostos no xilema e no floema secundários e formados a partir de ini ciais radiais do câmbio Raios proteicos nos plasmodesmos Proteínas semelhantes a bastonetes de natureza desconhecida que atravessam a conexão sleeve citoplasmática no plas modesmo Raiz Geralmente localizados abaixo da superfície do solo tecidos descendentes a partir da junção com a parte aérea que ancoram a planta além de absorverem e conduzirem água e nutrientes minerais para seu interior Raiz pivotante Raiz principal axial a partir da qual se desenvolvem raízes la terais Raiz primária Raiz originada direta mente do crescimento da raiz embrioná ria ou radícula Raízes da coroa Raízes adventícias que emergem dos nós inferiores de um caule Raízes laterais Nascem do periciclo em regiões maduras da raiz mediante o es tabelecimento de meristemas laterais que crescem através do córtex e da epiderme formando um novo eixo de crescimento Raízes nodais Raízes adventícias que se formam após a emergência das raízes primárias Raízes seminais Raízes laterais que se desenvolvem da raiz embrionária ou ra dícula Ramificação dicotômica Ramificação que ocorre pela divisão do meristema apical do caule produzindo dois ramos iguais Ramnogalacturonano I RG I Polissa carídeo péctico abundante que tem uma longa estrutura básica de resíduos alter nantes de ramnose e de ácido galacturô nico Ramnogalacturonano II RG II Polissa carídeo péctico com uma estrutura com plexa incluindo resíduos de apiose que podem ter ligações cruzadas por ésteres de borato Raque Eixo principal de uma folha com posta ao qual os folíolos são fixados eixo principal de uma inflorescência ao qual as flores são fixadas Razão de Bowen Razão da perda de calor sensível em relação à perda de ca lor evaporativo os dois processos mais importantes na regulação da temperatura foliar Razão de transpiração Razão de água perdida em relação ao ganho de carbono pela fotossíntese Ela mede a efetividade das plantas em moderar a perda de água enquanto possibilitam a absorção sufi ciente de CO2 para a fotossíntese Razão entre isótopos de carbono Ra zão da compensação isotópica 13C12C de compostos de carbono medida pelo em prego de um espectrômetro de massa TaizGlossario2indd 791 TaizGlossario2indd 791 27102016 134335 27102016 134335 792 Glossário Reações de fixação do carbono Rea ções sintéticas ocorrentes no estroma do cloroplasto que usam os compostos alta mente energéticos ATP e NADPH para a incorporação de CO2 aos compostos de carbono Reações dos tilacoides Reações quí micas da fotossíntese que ocorrem em membranas internas especializadas do cloroplasto denominadas tilacoides Es sas reações abrangem o transporte fotos sintético de elétrons e a síntese de ATP Receptor de PRS Proteína receptora sobre a membrana do retículo endoplas mático que se liga ao complexo ribosso moPRS permitindo que o ribossomo se ancore no poro do translocon através do qual o polipeptídeo em alongamento en tra no lume do retículo endoplasmático Receptor do tipo quinase RLKs re ceptorlike kinases Proteínas trans membrana com domínios putativos ex tracelulares aminoterminais e domínios quinases intracelulares carboxiterminais que se assemelham aos receptores tiro sinas quinase em animais Muitas RLKs vegetais fosforilam especificamente resí duos de serina ou treonina Receptor quinase Proteína em uma rota de sinalização que detecta a presença de um ligante como um hormônio me diante fosforilação própria ou de outra proteína Receptor quinase do locus S SRK S re ceptor kinase Quinase receptora de serinatreonina localizada na membrana plasmática de células do estigma que re presenta o determinante feminino S em Brassicaceae Receptores de reconhecimento de pa drões PRRs pattern recognition recep tors Proteínas do sistema imunológi co inato primitivo que são associadas a PAMPs e DAMPs Reciclagem Processo pelo qual o con teúdo da membrana adicionado por fusão é separado e removido por fissão Rede de Hartig Rede fúngica de hifas que envolvem as células corticais de raí zes mas não penetram nelas Rede micorrízica Micélio micorrízico comum conectando as raízes de duas ou mais plantas Rede trans do Golgi TGN trans Golgi network Rede tubularvesicular que deriva do desprendimento de cisternas trans do complexo de Golgi Está separada do endossomo em reciclagem inicial que também é chamado de retículo parcial mente revestido em plantas Redundância metabólica Referente à característica comum do metabolismo vegetal em que diferentes rotas servem a uma função similar Elas podem portan to ser substituídas umas pelas outras sem perda aparente de função Região do grampo β Motivo estrutural proteico básico que consiste em dois cor dões β em uma posição antiparalela lem brando um grampo Também chamada de fita β Região organizadora de nucléolo RON Associada ao nucléolo no núcleo em in terfase Sítio onde porções de um ou mais cromossomos contendo genes repetidos em série codificantes para RNA ribossô mico são agrupadas e transcritas Regiões subteloméricas Regiões de um cromossomo em posição imediatamente proximal aos telômeros Regulação cruzada Referente à intera ção de duas ou mais rotas de sinalização Regulação cruzada primária Envolve rotas de sinalização distintas que regu lam um componente de transdução com partilhado de uma maneira positiva ou negativa Regulação cruzada secundária Regu lação pela saída output de uma rota de sinalização da abundância ou percepção de um segundo sinal Regulação cruzada terciária Envolve as saídas de duas rotas de sinalização distin tas que exercem influências recíprocas Regulação póstranscricional Após a transcrição é o controle da expressão gênica por alteração da estabilidade do mRNA ou eficiência da tradução Regulação transcricional Nível de re gulação que determina se e quando o RNA será transcrito a partir do DNA Regulador de resposta Componente dos sistemas reguladores de dois com ponentes que são compostos de uma proteína sensora histidina quinase e uma proteína reguladora de resposta Regulons de resposta ao estresse Se quências reguladoras de DNA que atuam coordenadamente em respostas ao es tresse Relaxamento do estresse Afrouxamen to seletivo de ligações entre polímeros da parede celular primária permitindo o deslizamento de um polímero em relação a outro aumentando simultaneamente a área de superfície de parede e reduzindo nela o estresse físico Remodelação da cromatina Mudanças estáveis na estrutura da cromatina reali zadas por fatores epigenéticos Renovação reciclagem turnover Ba lanço entre a taxa de síntese e a taxa de degradação geralmente aplicado a proteí nas ou RNA Um aumento na renovação normalmente se refere a um aumento na degradação Repetição dispersada Tipo de sequên cia repetida que não é restrita a um único local no genoma Pode ocorrer como mi crossatélites ou transpósons Repetições em série Estruturas hetero cromáticas que consistem em sequências de DNA altamente repetitivas Repressor Proteína que sozinha ou combinada com outras proteínas reprime a expressão de um gene Resgate Quando usado em genética restauração do crescimento e do desen volvimento de tipos selvagens Resistência à difusão Restrição à difu são livre de gases para fora e para dentro da folha imposta pela camada limítrofe e pelos estômatos Resistência à tensão Capacidade de re sistir a uma força de tração A água tem uma resistência alta à tensão Resistência ao glifosato Capacida de genética de sobreviver à aplicação no campo do herbicida comercial Roundup que mata plantas indesejadas mas não prejudica as culturas vegetais resistentes Resistência da camada limítrofe rb Resistência à difusão do vapor dágua devido à camada de ar parado próximo à superfície foliar Um componente de re sistência à difusão Resistência do espaço de ar intercelular Resistência ou obstáculo que reduz a ve locidade de difusão de CO2 no interior da folha da câmara subestomática para as paredes das células do mesofilo Resistência do mesofilo Resistência à difusão de CO2 imposta pela fase líqui da no interior das folhas A fase líquida abrange a difusão a partir dos espaços intercelulares foliares para os sítios de carboxilação no cloroplasto Resistência estomática Medida da limi tação da difusão livre de gases a partir da folha e para o interior dela imposta pela fenda estomática É o inverso da condu tância estomática TaizGlossario2indd 792 TaizGlossario2indd 792 27102016 134335 27102016 134335 Glossário 793 Resistência estomática foliar Resistên cia à difusão de CO2 imposta pelas fendas estomáticas Resistência sistêmica adquirida SAR systemic acquired resistance Aumen to da resistência da planta a uma gama de patógenos após a infecção por um pató geno em determinado local Resistência sistêmica induzida ISR in duced systemicresistance Defesas ve getais que são ativadas por micróbios não patogênicos como rizobactérias Res posta vegetal eliciada por uma infecção localizada mediada por ácido jasmônico e etileno leva à resistência a doenças sis têmicas e persistentes ela é efetiva contra fungos bactérias e vírus Respiração aeróbica Oxidação com pleta de compostos de carbono em CO2 e H2O usando o oxigênio como o aceptor final de elétrons A energia é liberada e conservada como ATP Respiração para crescimento Respira ção que proporciona a energia necessária para a conversão de açúcares em blocos estruturais que constituem um novo te cido Comparar com respiração para ma nutenção Respiração para manutenção Respira ção necessária para sustentar o funciona mento e a renovação turnover de tecidos existentes Comparar com respiração para crescimento Resposta autônoma celular Respos ta a um estímulo ambiental ou mutação genética que é localizada em uma célula particular Resposta autônoma não celular Res posta celular a um estímulo ambiental ou mutação genética que é induzida por outras células Resposta de hipersensibilidade tipo de MCP Defesa vegetal comum logo após uma infecção microbiana em que as cé lulas em contato imediato com o sítio de infecção morrem rapidamente privando o patógeno de nutrientes e impedindo sua expansão Resposta gravitrópica Crescimento ini ciado mediante percepção da gravidade pela coifa e o sinal que direciona o cresci mento descendente da raiz Ressonância de spin eletrônico ESR electron spin ressonance Técnica de ressonância magnética que detecta elé trons não pareados em moléculas Me dições instrumentais que identificam carregadores intermediários de elétrons no sistema fotossintético de transporte de elétrons Retículo endoplasmático cortical Rede de retículo endoplasmático situada sob a membrana plasmática e associada ao cito plasma em pontos de contato específicos É diferente do retículo endoplasmático interno que é encontrado mais profunda mente no citoplasma e nos cordões trans vacuolares Retículo endoplasmático liso Retículo endoplasmático sem ribossomos associa dos e geralmente consistindo em túbulos Retículo endoplasmático rugoso Retí culo endoplasmático ao qual os ribosso mos são fixados Reticulons Classe de proteínas que con trolam a transição entre as formas tubular e de cisterna do retículo endoplasmático pela formação de túbulos de lâminas de membranas Retificadores de entrada Referemse aos canais iônicos que abrem somente em potenciais mais negativos que o po tencial de Nernst predominante para um cátion ou mais positivos que o potencial de Nernst predominante para um ânion e assim medeiam a corrente de entrada Retificadores de saída Canais que se abrem somente em potenciais mais posi tivos que o potencial de Nernst predomi nante para um cátion ou mais negativos que o potencial de Nernst predominante para um ânion e portanto medeiam a corrente de saída Retrógrado Movimento para trás no transporte ou na sinalização Retrotranspósons Diferentemente dos transpósons de DNA eles fazem uma có pia de RNA deles mesmos que é então transcrita invertida em DNA antes de ser inserida em outro local no genoma Ribossomo Sítio da síntese de proteínas celulares que consiste em RNA e proteína Ribulose15bifosfato carboxilaseoxi genase Ver Rubisco Ribulose5fosfato Na rota das pento ses fosfato é o produto inicial de cinco carbonos da oxidação da glicose 6fosfato em reações subsequentes ela é converti da em açúcares contendo 3 a 7 átomos de carbono Rizobactérias promotoras do cresci mento vegetal PGPR plant growth promoting rhizobacteria Bactérias do solo associadas a superfícies das raízes promovendo o crescimento vegetal pela produção de reguladores de crescimento eou fixação de nitrogênio Rizóbios Termo coletivo para os gêne ros de bactérias do solo que estabelecem relações simbióticas mutualísticas com representantes da família Leguminosae Rizosfera Microambiente imediato que circunda a raiz RNApolimerase Classe de enzimas que se ligam a um gene e o transcrevem em um RNA complementar à sequência de DNA RNApolimerase dependente de RNA RdRP RNAdependent RNA polymera se Classe especial de RNApolimerases que convertem RNA de fita simples em RNA de fita dupla RNAs de interferência curtos siRNAs small interfering RNAs RNAs que são estrutural e funcionalmente bastante se melhantes aos miRNAs e também levam à iniciação da rota de interferência do RNA RNAs de silenciamento associados a re petições rasiRNAs repeat associated small interfering RNAs Regiões de repetições a partir das quais se originam RNAs de interferência curtos RNAs não codificadores de proteínas ncRNAs RNAs que não codificam proteínas mas em vez disso podem ser envolvidos na regulação gênica ou ativos na rota do RNA de interferência RNAi ROP tipo Rho de plantas GTPases Grupo de ATPases que participam no controle do citoesqueleto e no tráfego de vesículas Rota de transdução de sinal Sequência de processos pela qual um sinal extrace lular em geral luz um hormônio ou um neurotransmissor interage com um re ceptor junto à superfície celular causando uma alteração no nível de um mensageiro secundário e essencialmente uma mu dança no funcionamento celular Rota do RNA de interferência RNAi Processo de silenciamento gênico depen dente de RNA controlado pelo comple xo de silenciamento induzido pelo RNA RISC e iniciado no citoplasma por molé culas curtas de RNA de fita dupla Rota eucariótica No citoplasma a série de reações para a síntese de glicerolipíde os Ver também Rota procariótica Rota oxidativa das pentoses fosfato Rota citosólica e plastídica que oxida gli TaizGlossario2indd 793 TaizGlossario2indd 793 27102016 134335 27102016 134335 794 Glossário cose e produz NADPH e muitos açúcares fosfato Rota procariótica No cloroplasto uma série de reações para a síntese de glicero lipídeos Ver também Rota eucariótica Rota simbiótica comum Sequência de eventos celulares comuns em raízes constatada na formação de micorrizas e na nodulação de raízes Rota ubiquitinaproteassomo Mecanis mo para a degradação específica de pro teínas celulares envolvendo duas etapas descontínuas a poliubiquitinação de pro teínas via ubiquitina ligase E3 e a degra dação pelo proteassomo 26S da proteína marcada Rotas respiratórias não fosforilantes Componentes da cadeia respiratória mi tocondrial não conectados ao bombea mento de prótons p ex a oxidase alter nativa Rubisco Acrônimo para a enzima ri bulose bisfosfato carboxilaseoxigenase presente no cloroplasto Em uma reação de carboxilase a rubisco usa CO2 atmos férico e ribulose15bifosfato para formar duas moléculas de 3fosfoglicerato Ela também funciona como uma oxigenase que incorpora O2 à ribulose15bifosfato produzindo uma molécula de 3fosfogli cerato e outra de 2fosfoglicerato A com petição entre CO2 e O2 por ribulose15 bifosfato limita a fixação líquida de CO2 S Sacarose Dissacarídeo que consiste em uma molécula de glicose e uma de frutose unidas por uma ligação éter en tre C1 na subunidade glicosil e C2 na subunidade frutosil O nome químico completo é αDglicopiranosil12β Dfrutofuranosídeo A sacarose é a forma de transporte dos carboidratos p ex no floema entre a fonte e o dreno Segregação vegetativa Uma conse quência importante da herança de orga nelas cloroplastos mitocôndrias é que uma célula vegetativa não gamética pode originar outra célula vegetativa via mitose Essa célula é geneticamente di ferente porque uma célulafilha pode re ceber organelas com um tipo de genoma enquanto a outra recebe organelas com informação genética diferente Semente ortodoxa Semente que con segue tolerar a dessecação e permanecer viável após armazenamento em um esta do seco Sementes recalcitrantes Sementes que são liberadas da planta com um conteúdo de água relativamente alto e metabolismo ativo como consequência elas se dete rioram sob secagem e não sobrevivem ao armazenamento Senescência Processo ativo de desen volvimento geneticamente controlado em que estruturas celulares e macromo léculas são decompostas e translocadas do órgão senescente folhas normalmen te para regiões de crescimento ativo que servem como drenos de nutrientes Ela é iniciada por influências ambientais e re gulada por hormônios Senescência da planta inteira Morte da planta inteira em vez da morte de células tecidos ou órgãos individuais Senescência foliar sazonal Padrão de senescência foliar em árvores decíduas de climas temperados em que todas as folhas passam por senescência e abscisão no outono Senescência foliar sequencial Padrão de senescência foliar no qual existe um gradiente desde o ápice de crescimento do caule até as folhas mais antigas na base Sequência polimórfica Sequência que varia entre os membros de uma popula ção ou espécie Sequenciamento de RNA RNAseq Técnica para medir a abundância de todos os transcritos dentro de uma amostra de RNA Sequências atuando no cis Sequências de DNA que ligam fatores de transcri ção e são adjacentes cis às unidades de transcrição que elas regulam Não con fundir com elementos cis Sequências de DNA microssatélite Grupo de repetições heterocromáticas dispersadas que consistem em sequências curtas de dois nucleotídeos repetidas centenas ou mesmo milhares de vezes Também conhecidas como repetições simples de sequências Sequências do promotor regulador Elementos de sequência que são parte do promotor central Sequências promotoras reguladoras distais Localizadas a montante das sequências promotoras proximais essas sequências atuando no cis podem exer cer controle positivo ou negativo sobre os promotores eucarióticos Sequências simples repetidas SSRs simple sequence repeats ou microssa télites Grupo de repetições dispersa das heterocromáticas que consistem em sequências curtas de dois nucleotídeos repetidas centenas ou mesmo milhares de vezes Também conhecidas como mi crossatélites Sideróforos Moléculas pequenas secre tadas por plantas não gramíneas e alguns micróbios para quelar ferro que após penetra nas células da superfície da raiz Silenciamento transcricional induzido por RNA RITS RNA induced transcrip tional silencing Inativação direcionada do RNA mensageiro quando uma curta sequência de RNA de interferência hibri diza para formar um híbrido de fita dupla Simbiose Estreita associação de dois organismos em uma relação que pode ou não trazer benefícios mútuos Com frequência aplicada à relação benéfica mutualística Ver Mutualismo Simplasto Sistema contínuo de proto plastos interconectados por plasmodes mos Simporte Um tipo de transporte ativo em que duas substâncias são movidas na mesma direção através da membrana Sinal de localização nuclear Sequência específica de aminoácidos necessária para que uma proteína entre no núcleo Sincício Célula multinucleada que pode resultar de fusões múltiplas de células uninucleadas geralmente em resposta à infecção viral Sincronização Sincronização do pe ríodo de ritmos biológicos por fatores controladores externos como a luz e o escuro Sinérgides As duas células adjacentes da oosfera do saco embrionário uma das quais é penetrada pelo tubo polínico após a entrada no rudimento seminal Sistema de cultivo em película de nu trientes Uma forma de cultura hidropô nica em que as raízes da planta se situam sobre a superfície de uma câmara e a so lução nutritiva cobre as raízes com uma camada delgada ao longo dessa câmara Sistema dérmico Sistema que cobre o exterior do corpo da planta a epiderme ou a periderme Sistema ferredoxinatiorredoxina Três proteínas do cloroplasto ferredoxina ferredoxinatiorredoxina redutase tior redoxina A ação combinada dessas três proteínas usa o poder redutor do sistema fotossintético de transporte de elétrons para reduzir as ligações proteicas de dis TaizGlossario2indd 794 TaizGlossario2indd 794 27102016 134335 27102016 134335 Glossário 795 sulfeto por uma cascata de trocas tiol dissulfeto Como resultado a luz controla a atividade de várias enzimas do ciclo de CalvinBenson Sistemas reguladores de dois compo nentes Rotas de sinalização comuns em procariotos Em geral elas abrangem uma proteína sensora histidina quinase ligada à membrana que percebe sinais ambientais e uma proteína reguladora que medeia a resposta Embora raros em eucariotos os sistemas de dois compo nentes estão envolvidos na sinalização do etileno e da citocinina Sítio de montagem de fagóforos Sítio celular onde o fagóforo é montado duran te a autofagia Sítios de saída do retículo endoplasmá tico ERESs endoplasmic reticulum exit sites Sítios especializados no retículo endoplasmático caracterizados pela pro teína de revestimento COPII a partir da qual ocorre a transferência de vesículas para o complexo de Golgi SNAREs Classe de proteínas de reco nhecimento de alvos para fusão e fissão com separação seletivas de vesículas e túbulos dentro do sistema de endomem branas Solução de Hoagland Solução nutriti va para o crescimento vegetal formulada originalmente por Dennis R Hoagland Solução nutritiva Solução que contém apenas sais inorgânicos e sustenta o cres cimento de plantas à luz solar sem solo ou matéria orgânica Solutos compatíveis Compostos or gânicos que são acumulados no citosol durante o ajuste osmótico Os solutos compatíveis não inibem enzimas citosó licas como o fazem altas concentrações de íons Entre os exemplos de solutos com patíveis estão prolina sorbitol manitol e glicina betaína Sorbitol Açúcarálcool formado pela re dução do aldeído da glicose Sortingout Ver Segregação vegetativa STOMAGEN Peptídeo produzido pelo mesofilo e liberado para a epiderme que atua como um regulador positivo da den sidade estomática Súber Ver Felema Suberina reforçada 1 ESB1 Proteína envolvida na restrita formação de ligni na na estreita faixa da parede celular que constitui a estria de Caspary na endoder me Mutantes no gene ESB1 são caracteri zados por uma expansão da lignificação além da estria de Caspary bem como ní veis elevados de suberina na raiz Subfuncionalização Processo pelo qual a evolução atua sobre duplicatas gênicas fazendo uma cópia ser perdida ou mudar de função enquanto a outra retém sua função original Substratos da quinase do fitocromo PKSs de phytochrome kinase substrates Proteínas que participam da regulação de fitocromos via fosforilação direta ou via fosforilação por outras quinases Succinato desidrogenase complexo II Complexo proteico de multissubunidades na cadeia de transporte mitocondrial de elétrons que catalisa a oxidação de succi nato e a redução de ubiquinona Suco vacuolar Conteúdos fluídicos de um vacúolo que podem incluir água íons inorgânicos açúcares ácidos orgânicos e pigmentos Superóxido dismutase Enzima que converte radicais superóxido em peróxido de hidrogênio Superresfriamento Condição em que a água celular permanece líquida devido a seu conteúdo de solutos mesmo sob tem peraturas de vários graus abaixo do ponto teórico de congelamento Suspensor Na embriogênese de esper matófitas é a estrutura que se desenvolve da célula basal logo após a primeira divi são do zigoto Ele sustenta o embrião que se desenvolve da célula apical e da hipófi se mas não é parte dele T Tamanho do dreno Peso total do dreno Taninos condensados Taninos que são polímeros de unidades de flavonoides Eles requerem o uso de ácido forte para hidrólise Tapete Camada de células secretoras que reveste o lóculo da antera e contribui para a formação da parede celular do pó len TATA box Localizada a aproximada mente 25 a 35 pb a montante do sítio de partida transcricional esta sequência curta TATAAAA serve como sítio de montagem para o complexo de iniciação da transcrição Taxa de transferência de massa Quan tidade de material que passa por deter minada secção transversal do floema ou de elementos crivados por unidade de tempo Tecido fundamental Tecidos vegetais internos muito diferentes dos tecidos vasculares de transporte Tecidos vasculares Tecidos vegetais especializados para o transporte de água xilema e produtos fotossintéticos floema Telófase Estágio final da mitose ou meiose anterior à citocinese durante o qual a cromatina descondensa o envoltó rio nuclear se reorganiza e a placa celular se estende Telomerase Enzima que repara as ex tremidades dos cromossomos após a divi são celular e evita seu encurtamento Telômeros Regiões de DNA repetitivo que formam as extremidades de cromos somos e as protegem de degradação Tensão Pressão hidrostática negativa Tensão superficial Força exercida por moléculas de água junto à interface ar água resultante das propriedades de co esão e adesão de moléculas de água Essa força minimiza a superfície da interface arágua Teoria do balanço dos hormônios Hi pótese segundo a qual a dormência e a germinação da semente são reguladas pelo ABA e giberelina Teoria endossimbiótica Ver Endossim biose Território cromossômico Região espe cífica dentro de um núcleo que é ocupada por um cromossomo Testa Camada externa da semente de rivada do tegumento do rudimento se minal Tétrade Um par de cromossomos ho mólogos replicados que apresentam sinapses Ela consiste em quatro cro mátides Tigmotropismo Crescimento vegetal em resposta ao toque Ele possibilita o crescimento de raízes ao redor de rochas e a ascensão de lianas ao redor de estrutu ras de suporte Tilacoides Membranas especializadas do cloroplasto elas são internas contêm clorofila e nelas ocorrem a absorção de luz e as reações químicas da fotossíntese Tiorredoxina Proteína pequena apro ximadamente 12 kDa e ubíqua cujas cis teínas do sítio ativo participam de reações de troca de tiossulfeto TaizGlossario2indd 795 TaizGlossario2indd 795 27102016 134335 27102016 134335 796 Glossário Tolerância à dessecação Capacidade da planta de funcionar enquanto desi dratada Tolerância interna Mecanismos de tole rância que atuam no simplasto em oposi ção aos mecanismos de exclusão Tonoplasto Membrana vacuolar Toro Espessamento central encontrado na membrana de pontoação de traqueídes da maioria das gimnospermas Toxina HC Tetrapeptídeo cíclico que permeia células produzido pelo patógeno do milho Cochliobolus carbonum que inibe histonas desacetilase Traço foliar Porção do sistema vascular primário do caule que diverge para uma folha Tradução Processo pelo qual uma pro teína específica é sintetizada de acordo com a informação da sequência codifica da pelo mRNA Transcitose Redireção de uma proteína secretada de um domínio de membrana dentro de uma célula para outro domínio polarizado Transcrição Processo pelo qual a infor mação da sequência de bases no DNA é copiada em uma molécula de RNA Transcriptoma Complemento completo de RNA expresso por uma célula tecido ou organismo em determinado momento Ele inclui mRNA tRNA rRNA e qual quer outro RNA não codificante Transcriptômica Estudo de transcrip tomas Transferência de energia Nas reações luminosas da fotossíntese é a transfe rência direta de energia de uma molécula excitada como o caroteno para outra mo lécula como a clorofila A transferência de energia pode também ocorrer entre moléculas quimicamente idênticas como de clorofila para clorofila Transferência de energia por ressonân cia de fluorescência Mecanismo físico pelo qual a energia de excitação é trans mitida do pigmento que absorve a luz para o centro de reação Transgene Gene estranho ou alterado que foi inserido em uma célula ou em um organismo Transgênica Planta expressando um gene estranho introduzido por técnicas de engenharia genética Translocação 1 Na síntese proteica é o movimento de proteína de seu sítio de síntese citoplasma para a membrana ou o lume de uma organela 2 Movimento de fotossintatos das fontes para os dre nos no floema Translocons Canais proteicos de mem brana no retículo endoplasmático rugoso que formam associações com receptores de PRS partícula de reconhecimento de sinal e permitem que proteínas sinteti zadas nos ribossomos entrem no lume do retículo endoplasmático Transpiração Evaporação da água da superfície de folhas e caules Transportador de fosfato Proteína na membrana plasmática específica para a absorção de fosfato pela célula Transporte Movimento molecular ou iônico de um local para outro Ele pode envolver a passagem através de uma barreira de difusão como uma ou mais membranas Transporte apoplástico Movimento de moléculas pelo continuum celular cha mado de apoplasto As moléculas podem deslocarse através das paredes celula res de células adjacentes unidas e dessa forma movemse por toda a planta sem atravessar a membrana plasmática Transporte ativo Uso de energia para mover um soluto através de uma mem brana contra um gradiente de concen tração um gradiente potencial ou ambos potencial eletroquímico Transporte as cendente Transporte ativo primário Ligação di reta de uma fonte metabólica de energia como a hidrólise de ATP a reação de oxidaçãoredução ou a absorção de luz ao transporte ativo por uma proteína car regadora Transporte ativo secundário Transpor te ativo que usa a energia armazenada na força motriz de prótons ou outro gradien te iônico e opera por meio de simporte ou antiporte Transporte de curta distância Trans porte por uma distância que corresponde ao diâmetro de apenas duas ou três célu las Ele é envolvido no carregamento do floema quando os açúcares se movimen tam do mesofilo para a vizinhança das nervuras menores da folhafonte e no descarregamento do floema quando os açúcares se movem das nervuras para as célulasdreno Transporte de longa distância Translo cação através do floema para o dreno Transporte de massa Translocação de água e solutos por fluxo de massa a favor de um gradiente de pressão como no xi lema ou floema Transporte eletrogênico Transporte iônico ativo que envolve o movimento líquido de carga através de uma membra na Transporte eletroneutro Transporte ativo de íons que não envolve qualquer movimento líquido de carga através de uma membrana Transporte passivo Difusão através de uma membrana Movimento espontâneo de um soluto através de uma membrana na direção de um gradiente de potencial eletro químico do potencial mais alto para o mais baixo Transporte a favor de um gradiente de concentração Transporte polar de auxina Corrente direcional de auxina que atua no desen volvimento programado e em respostas do crescimento plástico O transporte polar de auxina por longa distância man tém a polaridade geral do eixo vegetal e fornece auxina na direção de correntes localizadas Transporte simplástico Transporte in tercelular de água e solutos através dos plasmodesmos Transposase Enzima que catalisa o movimento de uma sequência de DNA a partir de um sítio para outro diferente na molécula de DNA Transpóson autônomo Transpóson que pode se mover por si próprio sem a neces sidade de outros elementos transponíveis Transpósons elementos transponíveis Elementos de DNA que podem se mover ou ser copiados de um sítio no genoma para outro sítio Transpósons de DNA Grupo dominante de repetições dispersadas encontradas na heterocromatina podendo se mover ou ser copiadas de um local para outro den tro do genoma da mesma célula Transpósons não autônomos Transpó sons que necessitam de outros elementos de transposição para se moverem Traqueídes Células fusiformes condu toras de água com extremidades afiladas e dotadas de pontoações Essas células não perfuradas são encontradas no xi lema de angiospermas e gimnospermas TaizGlossario2indd 796 TaizGlossario2indd 796 27102016 134335 27102016 134335 Glossário 797 Traqueófita Ver Planta vascular Trato transmissor Trajeto de crescimen to do tubo polínico do estigma até a mi crópila do ovário Triacilgliceróis Três grupos acil graxo esterificados a três grupos hidroxila de glicerol Gorduras e óleos Tricoblastos Células epidérmicas da raiz que têm a capacidade de se diferen ciar em pelos Tricomas Estruturas similares a pelos unicelulares ou multicelulares que se diferenciam a partir de células epidérmi cas de partes aéreas e raízes Os tricomas podem ser estruturais ou glandulares e atuam em respostas vegetais bióticas ou abióticas Trifina tryphine Substância pegajosa adesiva rica em proteínas ácidos graxos ceras e outros hidrocarbonetos que re veste a camada de exina de paredes celu lares do pólen Trifosfato de adenosina ATP adenosi ne triphosphate Principal transporta dor de energia química na célula sendo convertido por hidrólise em difosfato de adenosina ADP ou monofosfato de ade nosina AMP Triglicerídeos Ver Triacilgliceróis Trioses fosfato Grupo de açúcares fos fato de três carbonos Trissomia Tipo de aneuploidia em que existem três cópias de um tipo de cromos somo em vez de duas normais Troca catiônica Substituição de cátions minerais adsorvidos à superfície de partí culas do solo por outros cátions Tropismo Crescimento vegetal orienta do em resposta a um estímulo direcional percebido de luz gravidade ou contato Tubo crivado Tubo formado pela junção das paredes terminais de elementos de tubo crivado individuais Tubulina Família de proteínas cito esqueléticas de ligação ao GTP com três membros αtubulina βtubulina e γtubulina A αtubulina forma heterodí meros com a βtubulina que polimerizam e formam microtúbulos A βtubulina é exposta na extremidade mais de cresci mento e passa por hidrólise do GTP ao passo que o GTP não é hidrolisado na αtubulina A iniciação dos microtúbulos é mediada pela γtubulina que constitui um iniciador primer aneliforme para a construção do microtúbulo em sua extre midade menos Túnica Camadas celulares externas do meristema apical do caule A camada mais externa da túnica origina a epider me do caule U Ubiquinona Transportador móvel de elétrons da cadeia mitocondrial de trans porte de elétrons Química e funcional mente ela é similar à plastoquinona na cadeia fotossintética de transporte de elétrons Ubiquitina Polipeptídeo pequeno liga do covalentemente a proteínas pela en zima ubiquitina ligase usando energia proveniente do ATP serve como um sítio de reconhecimento para um grande com plexo proteolítico o proteassomo Ubiquitina ligase E3 Complexos SCF que são parte da rota de ubiquitinação Ela se liga a proteínas destinadas à degra dação Resíduos de lisina sobre E3 rece bem ubiquitina do conjugado de enzima ativadora de ubiquitina E2 e ubiquitina UV RESISTANCE LOCUS 8 UVR8 Re ceptor de proteínas que medeia diferentes respostas vegetais à radiação UVB V Vacúolos associados à senescência Va cúolos ácidos e pequenos que aumentam em quantidade durante a senescência no mesofilo parte da folha nas células guarda mas não nas células epidérmicas aclorofiladas Embora sejam distintos dos corpos que contêm rubisco esses vacúo los contêm rubisco e outras enzimas do estroma que são capazes de degradação diretamente independentemente da ma quinaria autofágica Vacúolos de reserva de proteínas Va cúolos pequenos especializados que acu mulam proteínas de reserva geralmente nas sementes Vacúolos líticos Análogos aos lisosso mos de células animais eles liberam en zimas hidrolíticas que degradam consti tuintes celulares durante a senescência e a autofagocitose Variegação Condição em que as folhas mostram padrões de branco e verde Ela é produzida por segregação vegetativa e pode ser causada por mutações em genes nucleares mitocondriais ou de cloro plastos Vaso Sequência de dois ou mais ele mentos de vaso xilema Velocidade de translocação Taxa de movimento de materiais nos elementos crivados floema expressa como a dis tância linear percorrida por unidade de tempo Vernalização Tratase da necessidade de temperatura baixa para o floresci mento em algumas espécies O termo é derivado da palavra vernalis referente à primavera Verticilo Pertencente ao padrão concên trico de um conjunto de órgãos que são iniciados ao redor dos flancos do meris tema Vigor híbrido heterose Aumento do vigor frequentemente observado na des cendência de cruzamentos entre duas va riedades endogâmicas da mesma espécie vegetal Vilina Proteína de ligação da actina que reúne filamentos de actina F Viviparidade Germinação precoce de sementes no fruto enquanto este conti nua fixado à planta Voláteis de folhas verdes Derivados de lipídeos constituídos de uma mistura de aldeídos de seis carbonos alcoóis e éste res liberada pelas plantas em resposta ao dano mecânico Volicitina Composto volátil produzi do pela lagartadabeterraba Spodoptera exigua durante o forrageio de gramíneas hospedeiras que atrai a vespa parasitoide generalista Cotesia marginiventris X Xantofilas Carotenoides envolvidos no quenching não fotoquímico A xantofila zeaxantina associase ao estado sob quen ching do fotossistema II e a violaxantina associase ao estado que não está sob quenching Xilano Polímero do açúcar xilose de cin co carbonos Xilema Sistema vascular que transporta água e íons da raiz para as outras partes da planta Xilema secundário Xilema produzido pelo câmbio vascular Xilogênio xylogen Fator similar ao proteoglicano que estimula a diferencia ção do xilema em cultura de células em suspensão de zínia Na zínia ele está concentrado nas extremidades apicais das TaizGlossario2indd 797 TaizGlossario2indd 797 27102016 134335 27102016 134335 798 Glossário paredes celulares de elementos traqueais em diferenciação Xiloglucano Hemicelulose com uma estrutura básica de resíduos de Dglicose com ligações β14 e cadeias laterais curtas que contêm xilose galactose e às vezes fucose O xiloglucano é a he micelulose mais abundante nas paredes primárias da maioria das plantas em gramíneas está presente mas é menos abundante Xiloglucano endotransglicosilasehidro lases XTHs Grande família de enzi mas incluindo a xiloglucanoendotrans glicosilase XET que tem a capacidade de clivar a estrutura básica de um xiloglu cano na parede celular e juntar uma ex tremidade da cadeia cortada com a extre midade livre de um xiloglucano aceptor Z Zeitgebers Sinais ambientais como as transições da luz para o escuro ou do escuro para a luz que sincronizam o os cilador endógeno para uma periodicidade de 24 horas ZEITLUPE ZTL Fotorreceptor de luz azul que regula a percepção do compri mento do dia fotoperiodismo e os ritmos circadianos Zona adequada Faixa de concentrações de nutrientes minerais além da qual uma adição de nutrientes posterior não au menta o crescimento ou a produção Zona central ZC Grupo central de cé lulas relativamente grandes altamente vacuoladas e de divisões lentas locali zado nos meristemas apicais de caules e comparáveis ao centro quiescente dos meristemas de raízes Zona de abscisão Região que contém a camada de abscisão e está localizada per to da base do pecíolo do órgão Zona de alongamento Região de alon gamento celular rápido e extenso da raiz onde ocorrem quando muito poucas di visões celulares Zona de deficiência Concentrações de um nutriente mineral no tecido vegetal abaixo da concentração crítica que reduz o crescimento da planta Zona de diferenciação Região de de senvolvimento do ápice da raiz acima da zona de alongamento em que ocorre di ferenciação celular incluindo a formação dos pelos das raízes e a diferenciação do sistema vascular Zona de esgotamento de nutrientes Região no entorno da superfície da raiz mostrando diminuição das concentrações de nutrientes devido à absorção deles pelas raízes e à sua lenta reposição por difusão Zona de maturação Região da raiz que completou sua diferenciação e apresenta pelos para absorção de água e solutos e tecido vascular funcional Zona foliar inferior LLZ lowerleaf zone Zona junto à base de primórdios foliares que em algumas espécies dá origem às estípulas ou bainhas foliares Zona medular ZM Células meristemá ticas localizadas abaixo da zona central do meristema apical do caule que origi nam os tecidos internos desse órgão Zona meristemática Região no ápice da raiz que contém o meristema gerador do corpo da raiz Ela se situa logo acima da coifa Zona periférica ZP Região em formato de bolo de forma com o centro oco que circunda a zona central em meristemas apicais de caules Ela consiste em células pequenas que se dividem ativamente e possuem vacúolos inconspícuos Os pri mórdios foliares são formados na zona periférica Zona tóxica Faixa de concentrações de nutrientes em excesso em relação à zona adequada onde o crescimento ou a pro dutividade diminuem Zonação Diferenças citológicas regio nais na divisão celular dos meristemas apicais de caules de espermatófitas TaizGlossario2indd 798 TaizGlossario2indd 798 27102016 134335 27102016 134335 Créditos das Ilustrações Capítulo 1 Figura 14 RobinsonBeers K and Evert R F 1991 Fine structure of plasmodesmata in mature leaves of sugar cane Planta 184 307318 Bell K and Oparka K 2011 Imaging plasmodesmata Protoplasma 248 925 Fitzgibbon J Beck M Zhou J Faulkner C Robatzek S and Oparka K 2013 A developmental framework for complex plasmodesmata formation revealed by largescale imaging of the Arabidopsis leaf epidermis Plant Cell 25 5770 Ueki S and Citovsky V 2011 To gate or not to gate regulatory mechanisms for intercellular protein transport and virus movement in plants Mol Plant 4 782793 Figura 17 Buchanan B B Gruissem W and Jones R L eds 2000 Biochemistry and Molecular Biology of Plants American Society of Plant Biologists Rockville MD Figura 18 Fiserova J Kiseleva E and Goldberg M W 2009 Nuclear envelope and nuclear pore complex structure and organization in tobacco BY2 cells Plant J 59 243255 Figura 19 Alberts B Johnson A Lewis J Raff M Roberts K and Walter P 2002 Molecular Biology of the Cell 4th ed Garland Science New York Figura 110 Idziak D Betekhtin A Wolny E Lesniewska K Wrigth J Febrer M Bevan M Jenkins G and Hasterok R 2011 Painting the chromosomes of Brachypodium current status and future prospects Chromosoma 120 469479 Figuras 113 e 115 Gunning B E S and Steer M W 1996 Plant Cell Biology Structure and Function of Plant Cells Jones and Bartlett Boston Figura 118 Huang A H C 1987 Lipases In The Biochemistry of Plants A Comprehensive Treatise Vol 9 Lipids Structure and Function P K Stumpf ed Academic Press New York pp 91119 Buchanan B B Gruissem W and Jones R L eds 2000 Biochemistry and Molecular Biology of Plants American Society of Plant Physiologists Rockville MD Figuras 122 e 123 Gunning B E S and Steer M W 1996 Plant Cell Biology Structure and Function of Plant Cells Jones and Bartlett Boston Figura 130 Xu X M Meulia T and Meier I 2007 Anchorage of plant RanGAP to the nuclear envelope involves novel nuclearporeassociated proteins Curr Biol 17 11571163 Higaki T Kutsuna N Sano T and Hasezawa S 2008 Quantitative analysis of changes in actin microfilament contribution to cell plate development in plant cytokinesis BMC Plant Biol 8 80 Figura 131 SeguíSimarro J M Austin J R White E A and Staehelin L A 2004 Electron tomographic analysis of somatic cell plate formation in meristematic cells of Arabidopsis preserved by highpressure freezing Plant Cell 16 836856 Figuras 132135 Gunning BES 2009 Plant Cell Biology on DVD Information for students and a resource for teachers Springer New York wwwspringer comlifesciencesplantsciences book9783642036903 Figuras 135 e 136 StPierre B VazquezFlota F A and De Luca V 1999 Multicellular compartmentation of Catharanthus roseus alkaloid biosynthesis predicts intercellular translocation of a pathway intermediate Plant Cell 11 887900 Figura 136 Leroux O 2012 Collenchyma a versatile mechanical tissue with dynamic cell walls Ann Bot 110 10831098 Rudall P J 1987 Laticifers in Euphorbiaceae a conspectus Bot J Linn Soc 94 143163 Figura 137 Zhang W Wang XQ and Li ZY 2011 The protective schell Schlereids and their mechanical function in corollas of some species of Camellia Theaceae Plant Biol 13 688692 Kaneda M Rensing K and Samuels L 2010 Secondary cell wall deposition in developing secondary xylem of poplar J Integr Plant Biol 52 234243 Figura 138 Froelich D R Mullendore D L Jensen K H RossElliott T J Anstead J A Thompson G A Pelissier H C and Knoblach M 2011 Phloem ultrastructure and pressure flow Sieveelementocclusionrelated agglomerations do not affect translocation Plant Cell 23 4428 4445 Figura 139 Wightman R and Turner S 2008 The roles of the cytoskeleton during cellulose deposition at the secondary wall Plant J 54 794805 Samuels A L Rensing K H Douglas C J Mansfield S D Dharmawarhana D P and Ellis B E 2002 Cellular machinery of wood production differentiation of secondary xylem in Pinus contorta var latifolia Planta 216 7282 Capítulo 2 Figura 21 Kato A Lamb J C and Birchler J A 2004 Chromosome painting using repetitive DNA sequences as probes for somatic chromosome identification in maize Proc Natl Acad Sci USA 101 1355413559 Figura 23 Miura A Yonebayashi S Watanabe K Toyama T Shimadak H and Kakutani T 2001 Mobilization of transposons by a mutation abolishing full DNA methylation in Arabidopsis Nature 411 212214 Figura 24 Tiang C L He Y and Pawlowski W P 2012 Chromosome organization and dynamics during interphase mitosis and meiosis in plants Plant Physiol 158 2634 Figuras 25 e TaizCreditosIlustracoesindd 799 TaizCreditosIlustracoesindd 799 27102016 093049 27102016 093049 800 Créditos das Ilustrações 26 Ma H 2005 Molecular genetic analyses of microsporogenesis and microgametogenesis in flowering plants Annu Rev Plant Biol 56 393434 Figura 25 Grandont L Jenczewski E and Lloyd A 2013 Meiosis and its deviations in polyploid plants Cytogenet Genome Res 140 17184 Figura 27 Bomblies K and Madlung A 2014 Polyploidy in the Arabidopsis genus Chromosome Res 22 117134 Figura 210 Comai L 2005 The advantages and disadvantages of being polyploid Nat Rev Genet 6 836846 Capítulo 3 Figura 31 Day W Legg B J French B K Johnston A E Lawlor D W and Jeffers W de C 1978 A drought experiment using mobile shelters The effect of drought on barley yield water use and nutrient uptake J Agric Sci 91 599623 Innes P and Blackwell R D 1981 The effect of drought on the water use and yield of two spring wheat genotypes J Agric Sci 102 341351 Jones H G 1992 Plants and Microclimate 2nd ed Cambridge University Press Cambridge Figura 32 Whittaker R H 1970 Communities and Ecosystems Macmillan New York Figura 38 Nobel P S 1999 Physicochemical and Environmental Plant Physiology 2nd ed Academic Press San Diego CA Figura 311 Hsiao T C and Xu L K 2000 Sensitivity of growth of roots versus leaves to water stress Biophysical analysis and relation to water transport J Exp Bot 51 15951616 Figura 315 Hsiao T C and Acevedo E 1974 Plant responses to water deficits efficiency and drought resistance Agr Meteorol 14 5984 Capítulo 4 Tabela 41 Nobel P S 1999 Physicochemical and Environmental Plant Physiology 2nd ed Academic Press San Diego CA Figura 43 Kramer P J and Boyer J S 1995 Water Relations of Plants and Soils Academic Press San Diego CA Figura 46 Zimmermann M H 1983 Xylem Structure and the Ascent of Sap Springer Berlin Figura 48 Gunning B S and Steer M M 1996 Plant Cell Biology Structure and Function Jones and Bartlett Publishers Boston Figura 49 Sperry J S 2000 Hydraulic constraints on plant gas exchange Agric For Meteorol 104 1323 Figura 411 Bange G G J 1953 On the quantitative explanation of stomatal transpiration Acta Bot Neerl 2 255296 Figura 412 Zeiger E and Hepler P K 1976 Production of guard cell protoplasts from onion and tobacco Plant Physiol 58 492498 Figura 413 Palevitz B A 1981 The structure and development of guard cells In Stomatal Physiology P G Jarvis and T A Mansfield eds Cambridge University Press Cambridge pp 123 Sack F D 1987 The development and structure of stomata In Stomatal Function E Zeiger G Farquhar and I Cowan eds Stanford University Press Stanford CA pp 5990 Meidner H and Mansfield D 1968 Stomatal Physiology McGrawHill London Figura 414 Franks P J and Farquhar G D 2007 The mechanical diversity of stomata and its significance in gasexchange control Plant Physiol 143 7887 Capítulo 5 Tabela 51 Epstein E 1999 Silicon Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 50 641664 Epstein E 1972 Mineral Nutrition of Plants Principles and Perspectives John Wiley and Sons New York Tabela 52 Evans H J and Sorger G J 1966 Role of mineral elements with emphasis on the univalent cations Annu Rev Plant Physiol 17 4776 Mengel K and Kirkby E A 2001 Principles of Plant Nutrition 5th ed Kluwer Academic Publishers Dordrecht Netherlands Tabela 53 Epstein E and Bloom A J 2005 Mineral Nutrition of Plants Principles and Perspectives 2nd ed Sinauer Associates Sunderland MA Tabela 55 Brady N C 1974 The Nature and Properties of Soils 8th ed Macmillan New York Figura 52 Epstein E and Bloom A J 2005 Mineral Nutrition of Plants Principles and Perspectives 2nd ed Sinauer Associates Sunderland MA Figura 53 Sievers R E and Bailar J C Jr 1962 Some metal chelates of ethylenediaminetetraacetic acid diethylenetriaminepentaacetic acid and triethylenetriaminehexaacetic acid Inorg Chem 1 174182 Figura 55 Lucas R E and Davis J F 1961 Relationships between pH values of organic soils and availabilities of 12 plant nutrients Soil Sci 92 177182 Figuras 57 e 58 Weaver J E 1926 Root Development of Field Crops McGrawHill New York Figura 510 Mengel K and Kirkby E A 2001 Principles of Plant Nutrition 5th ed Kluwer Academic Publishers Dordrecht Netherlands Figura 511 Bloom A J Jackson L E and Smart D R 1993 Root growth as a function of ammonium and nitrate in the root zone Plant Cell Environ 16 199206 Figura 512 Smith S E and Read D J 2008 Mycorrhizal Symbiosis 3rd ed Academic Press Amsterdam Boston Figura 514 Rovira A D Bowen C D and Foster R C 1983 The significance of rhizosphere microflora and mycorrhizas in plant nutrition In Encyclopedia of Plant Physiology New Series Vol 15B Inorganic Plant Nutrition A Läuchli and R L Bieleski eds Springer Berlin pp 6193 Capítulo 6 Tabela 61 Higinbotham N Etherton B and Foster R J 1967 Mineral ion contents and cell transmembrane electropotentials of pea and oat seedling tissue Plant Physiol 42 3746 Figura 64 Higinbotham N Graves J S and Davis R F 1970 Evidence for an electrogenic ion transport pump in cells of higher plants J Membr Biol 3 210222 Figura 67 Buchanan B B Gruissem W and Jones R L eds 2000 Biochemistry and Molecular Biology of Plants American Society of Plant Physiologists Rockville MD Leng Q Mercier R W Hua B G Fromm H and Berkowitz G A 2002 Electrophysiological analysis of cloned cyclic nucleotidegated ion channels Plant Physiol 128 400410 Figura 612 Lin W Schmitt M R Hitz W D and Giaquinta R T 1984 Sugar transport into protoplasts isolated from developing soybean cotyledons Plant Physiol 75 936940 Figura 614 Lebaudy A Véry A and Sentenac H 2007 K channel activity in plants Genes regulations and functions FEBS Lett 581 23572366 Very A A and Sentenac H 2002 Cation channels in the Arabidopsis plasma membrane Trends Plant Sci 7 168175 Figura 616 Palmgren M G 2001 Plant plasma membrane HATPases Powerhouses for nutrient uptake Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 52 817845 Figura 617 Kluge C Lahr J Hanitzsch M Bolte S Golldack D and Dietz K J 2003 New insight into the structure and regulation of the plant vacuolar HATPase J Bioenerg Biomembr 35 377388 Capítulo 7 Figura 715 Becker W M 1986 The World of the Cell BenjaminCummings TaizCreditosIlustracoesindd 800 TaizCreditosIlustracoesindd 800 27102016 093049 27102016 093049 Créditos das Ilustrações 801 Menlo Park CA Figura 716 Allen J F and Forsberg J 2001 Molecular recognition in thylakoid structure and function Trends Plant Sci 6 317326 Nelson N and BenShem A 2004 The complex architecture of oxygenic photosynthesis Nat Rev Mol Cell Biol 5 971982 Figura 718 Barros T and Kühlbrandt W 2009 Crystallisation structure and function of plant lightharvesting Complex II Biochim Biophys Acta 1787 753772 Figuras 719 e 721 Blankenship R E and Prince R C 1985 Excitedstate redox potentials and the Z scheme of photosynthesis Trends Biochem Sci 10 382383 Figura 722 Barber J Nield N Morris E P and Hankamer B 1999 Subunit positioning in photosystem II revisited Trends Biochem Sci 24 4345 Figura 723 Ferreira K N Iverson T M Maghlaoui K Barber J and Iwata S 2004 Architecture of the photosynthetic oxygenevolving center Science 303 18311838 Umena Y Kawakami K Shen JR and Kamiya N 2011 Crystal structure of oxygenevolving photosystem II at a resolution of 19 Å Nature 473 55 60 Figura 725 Kurisu G Zhang H M Smith J L and Cramer W A 2003 Structure of cytochrome b6f complex of oxygenic photosynthesis tuning the cavity Science 302 10091014 Figura 727 Buchanan B B Gruissem W and Jones R L eds 2000 Biochemistry and Molecular Biology of Plants American Society of Plant Physiologists Rockville MD Nelson N and BenShem A 2004 The complex architecture of oxygenic photosynthesis Nat Rev Mol Cell Biol 5 971982 Figura 729 Jagendorf A T 1967 Acidbased transitions and phosphorylation by chloroplasts Fed Proc Am Soc Exp Biol 26 13611369 Figura 732 Asada K 1999 The waterwater cycle in chloroplasts scavenging of active oxygens and dissipation of excess photons Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 50 601639 Capítulo 8 Figura 812 Edwards G E Franceschi V R and Voznesenskaya E V 2004 Singlecell C4 photosynthesis versus the dualcell Kranz paradigm Annu Rev Plant Biol 55 173196 Figura 815 Ridout M J Parker M L Hedley C L Bogracheva T Y and Morris V J 2003 Atomic force microscopy of pea starch granules Granule architecture of wildtype parent r and rb single mutants and the rrb double mutant Carbohydr Res 338 21352147 Capítulo 9 Figura 93 Smith H 1986 The perception of light quality In Photomorphogenesis in Plants R E Kendrick and G H M Kronenberg eds Nijhoff Dordrecht Netherlands pp 187217 Figura 94 Smith H 1994 Sensing the light environment The functions of the phytochrome family In Photomorphogenesis in Plants 2nd ed R E Kendrick and G H M Kronenberg eds Nijhoff Dordrecht Netherlands pp 377416 Figura 95 Vogelmann T C and Björn L O 1983 Response to directional light by leaves of a suntracking lupine Lupinus succulentus Physiol Plant 59 533538 Figura 97 Harvey G W 1979 Photosynthetic performance of isolated leaf cells from sun and shade plants Carnegie Inst Wash Yb 79 161164 Figura 98 Björkman O 1981 Responses to different quantum flux densities In Encyclopedia of Plant Physiology New Series Vol 12A O L Lange P S Nobel C B Osmond and H Zeigler eds Springer Berlin pp 57107 Figura 99 Jarvis P G and Leverenz J W 1983 Productivity of temperate deciduous and evergreen forests In Encyclopedia of Plant Physiology New Series Vol 12D O L Lange P S Nobel C B Osmond and H Ziegler eds Springer Berlin pp 233280 Figura 910 Osmond C B 1994 What is photoinhibition Some insights from comparisons of shade and sun plants In Photoinhibition of Photosynthesis From Molecular Mechanisms to the Field N R Baker and J R Bowyer eds BIOS Scientific Oxford pp 124 Figura 911 DemmigAdams B and Adams W 1996 The role of xanthophyll cycle carotenoids in the protection of photosynthesis Trends Plant Sci 1 2126 Figura 913 DemmingAdams B and Adams W 2000 Harvesting sunlight safely Nature 403 371372 Figura 915 Berry J and Björkman O 1980 Photosynthetic response and adaptation to temperature in higher plants Annu Rev Plant Physiol 31 491543 Figura 916 Ehleringer J R Cerling T E and Helliker B R 1997 C4 photosynthesis atmospheric CO2 and climate Oecologia 112 285299 Figura 917 Ehleringer J R 1978 Implications of quantum yield differences on the distributions of C3 and C4 grasses Oecologia 31 255267 Figura 918 Barnola J M Raynaud D Lorius C and Korothevich Y S 1994 Historical CO2 record from the Vostok ice core In Trends 93 A Compendium of Data on Global Change T A Boden D P Kaiser R J Sepanski and F W Stoss eds Carbon Dioxide Information Center Oak Ridge National Laboratory Oak Ridge TN pp 710 Keeling C D and Whorf T P 1994 Atmospheric CO2 records from sites in the SIO air sampling network In Trends 93 A Compendium of Data on Global Change T A Boden D P Kaiser R J Sepanski and F W Stoss eds Carbon Dioxide Information Center Oak Ridge National Laboratory Oak Ridge TN pp 1626 Neftel A Friedle H Moor E Lötscher H Oeschger H Siegenthaler U and Stauffer B 1994 Historical CO2 record from the Siple Station ice core In Trends 93 A Compendium of Data on Global Change T A Boden D P Kaiser R J Sepanski and F W Stoss eds Carbon Dioxide Information Center Oak Ridge National Laboratory Oak Ridge TN pp 1115 Keeling C D Whorf T P Wahlen M and Van der Plicht J 1995 Interannual extremes in the rate of rise of atmospheric carbon dioxide since 1980 Nature 375 666670 Figura 920 Berry J A and Downton J S 1982 Environmental regulation of photosynthesis In Photosynthesis Development Carbon Metabolism and Plant Productivity Vol 2 Govindjee ed Academic Press New York pp 263343 Figura 921 Ehleringer J R Cerling T E and Helliker B R 1997 C4 photosynthesis atmospheric CO2 and climate Oecologia 112 285299 Figura 922 Gibson A C and Nobel P S 1986 The Cactus Primer Harvard University Press Cambridge MA Figura 923 Long S P Ainsworth E A Leakey A D Nosberger J and Ort D R 2006 Food for thought Lowerthanexpected crop stimulation with rising CO2 concentrations Science 312 1918 1921 Figura 924 Cerling T E Harris J M MacFadden B J Leakey M G Quade J Eisenmann V and Ehleringer J R 1997 Global vegetation change through the MiocenePliocene boundary Nature 389 153158 Figura 925 Stewart G R Turnbull M H Schmidt S and Erskine P D 1995 13C natural abundance in plant communities TaizCreditosIlustracoesindd 801 TaizCreditosIlustracoesindd 801 27102016 093049 27102016 093049 802 Créditos das Ilustrações along a rainfall gradient A biological integrator of water availability Aust J Plant Physiol 22 5155 Capítulo 10 Figura 102 Srivastava A and Zeiger E 1995 Guard cell zeaxanthin tracks photosynthetic active radiation and stomatal apertures in Vicia faba leaves Plant Cell Environ 18 813817 Figura 103 Schwartz A and Zeiger E 1984 Metabolic energy for stomatal opening Roles of photophosphorylation and oxidative phosphorylation Planta 161 129136 Figura 104 Karlsson P E 1986 Blue light regulation of stomata in wheat seedlings II Action spectrum and search for action dichroism Physiol Plant 66 207210 Figura 105 Zeiger E and Hepler P K 1977 Light and stomatal function Blue light stimulates swelling of guard cell protoplasts Science 196 887889 Amodeo G Srivastava A and Zeiger E 1992 Vanadate inhibits blue lightstimulated swelling of Vicia guard cell protoplasts Plant Physiol 100 15671570 Figura 106 Shimazaki K Iino M and Zeiger E 1986 Blue light dependent proton extrusion by guard cell protoplasts of Vicia faba Nature 319 324326 Figura 107 Serrano E E Zeiger E and Hagiwara S 1988 Red light stimulates an electrogenic proton pump in Vicia guard cell protoplasts Proc Natl Acad Sci USA 85 436440 Assmann S M Simoncini L and Schroeder J I 1985 Blue light activates electrogenic ion pumping in guard cell protoplasts of Vicia faba Nature 318 285 287 Figuras 108 e 109 Talbott L D and Zeiger E 1998 The role of sucrose in guard cell osmoregulation J Exp Bot 49 329337 Figura 1010 Talbott L D Zhu J Han S W and Zeiger E 2002 Phytochrome and blue lightmediated stomatal opening in the orchid Paphiopedilum Plant Cell Physiol 43 639646 Figura 1011 Srivastava A and Zeiger E 1995 Guard cell zeaxanthin tracks photosynthetic active radiation and stomatal apertures in Vicia faba leaves Plant Cell Environ 18 813 817 Figura 1014 Frechilla S Talbott L D Bogomolni R A and Zeiger E 2000 Reversal of blue lightstimulated stomatal opening by green light Plant Cell Physiol 41 171176 Figura 1015 Talbott L D Hammad J W Harn L C Nguyen V Patel J and Zeiger E 2006 Reversal by green light of blue lightstimulated stomatal opening in intact attached leaves of Arabidopsis operates only in the potassium dependent morning phase of movement Plant Cell Physiol 47 333339 Figura 1016 Karlsson P E 1986 Blue light regulation of stomata in wheat seedlings II Action spectrum and search for action dichroism Physiol Plant 66 207210 Frechilla S Talbott L D Bogomolni R A and Zeiger E 2000 Reversal of blue lightstimulated stomatal opening by green light Plant Cell Physiol 41 171176 Capítulo 11 Tabela 112 Hall S M and Baker D A 1972 The chemical composition of Ricinus phloem exudate Planta 106 131140 Tabela 113 Gamalei Y V 1985 Features of phloem loading in woody and herbaceous plants Fiziologiya Rastenii Moscow 32 866875 van Bel A J E 1992 Different phloemloading machineries correlated with the climate Acta Bot Neerl 41 121141 Rennie E A and Turgeon R 2009 A comprehensive picture of phloem loading strategies Proc Natl Acad Sci USA 106 1416314167 Figura 114 Warmbrodt R D 1985 Studies on the root of Hordeum vulgare L Ultrastructure of the seminal root with special reference to the phloem Am J Bot 72 414432 Figura 115 Evert R F 1982 Sievetube structure in relation to function Bioscience 32 789795 Truernit E Bauby H Dubreucq B Grandjean O Runions J Barthelemy J and Palauqui JC 2008 Highresolution wholemount imaging of threedimensional tissue organization and gene expression enables the study of phloem development and structure in Arabidopsis Plant Cell 20 14941503 Figura 116 Schulz A 1990 Conifers In Sieve Elements Comparative Structure Induction and Development HD Behnke and R D Sjolund eds SpringerVerlag Berlin Figura 117 Brentwood B and Cronshaw J 1978 Cytochemical localization of adenosine triphosphatase in the phloem of Pisum sativum and its relation to the function of transfer cells Planta 140 111120 Turgeon R Beebe D U and Gowan E 1993 The intermediary cell Minorvein anatomy and raffinose oligosaccharide synthesis in the Scrophulariaceae Planta 191 446456 Figura 118 Joy K W 1964 Translocation in sugar beet I Assimilation of 14CO2 and distribution of materials from leaves J Exp Bot 15 485494 Figura 1110 Nobel P S 2005 Physicochemical and Environmental Plant Physiology 3rd ed Academic Press San Diego CA Figura 1111 Geiger D R and Sovonick S A 1975 Effects of temperature anoxia and other metabolic inhibitors on translocation In Transport in Plants 1 Phloem Transport Encyclopedia of Plant Physiology New Series Vol 1 M H Zimmerman and J A Milburn eds Springer New York pp 256286 Figura 1112 Froelich D R Mullendore D L Jensen K H RossElliott T J Anstead J A Thompson G A Pelissier H C and Knoblauch M 2011 Phloem ultrastructure and pressure flow SieveElementOcclusionRelated agglomerations do not affect translocation Plant Cell 23 4428 4445 Figura 1113 Evert R F and Mierzwa R J 1985 Pathways of assimilate movement from mesophyll cells to sieve tubes in the Beta vulgaris leaf In Phloem Transport Proceedings of an International Conference on Phloem Transport Asilomar CA J Cronshaw W J Lucas and R T Giaquinta eds Liss New York pp 419432 Figura 1115 Fondy B R 1975 Sugar selectivity of phloem loading in Beta vulgaris vulgaris L and Fraxinus americanus americana L PhD diss University of Dayton Dayton OH Figura 1117 van Bel A J E 1992 Different phloemloading machineries correlated with the climate Acta Bot Neerl 41 121141 Figura 1119 Turgeon R and Webb J A 1973 Leaf development and phloem transport in Cucurbita pepo Transition from import to export Planta 113 179191 Figura 1120 Turgeon R 2006 Phloem loading How leaves gain their independence Bioscience 56 1524 Figura 1121 Schneidereit A Imlau A and Sauer N 2008 Conserved cisregulatory elements for DNAbindingwithonefinger and homeodomainleucinezipper transcription factors regulate companion cellspecific expression of the Arabidopsis thaliana SUCROSE TRANSPORTER 2 gene Planta 228 651662 Figura 1122 Preiss J 1982 Regulation of the biosynthesis and degradation of starch Annu Rev Plant Physiol 33 431454 Figura 1123 Stadler R Wright K M Lauterbach C Amon G Gahrtz M Feuerstein A Oparka K J and Sauer N 2005 Expression of GFPfusions in Arabidopsis companion cells reveals nonspecific protein TaizCreditosIlustracoesindd 802 TaizCreditosIlustracoesindd 802 27102016 093049 27102016 093049 Créditos das Ilustrações 803 trafficking into sieve elements and identifies a novel postphloem domain in roots Plant J 41 319331 Capítulo 12 Tabela 122 Brand M D 1994 The stoichiometry of proton pumping and ATP synthesis in mitochondria Biochem Lond 16 2024 Figura 125 Perkins G Renken C Martone M E Young S J Ellisman M and Frey T 1997 Eceltron tomography of neuronal mitochondria Threedimensional structure and organization of cristae and membrane contacts J Struct Biol 119 260272 Gunning B E S and Steer M W 1996 Plant Cell Biology Structure and Function of Plant Cells Jones and Bartlett Boston Figura 129 Shiba T Kido Y Sakamoto K Inaoka D K Tsuge C Tatsumi R Takahashi G Balogun E O Nara T Aoki T et al 2013 Structure of the trypanosome cyanideinsensitive alternative oxidase Proc Natl Acad Sci USA 110 4580 4585 Figura 1210 Douce R 1985 Mitochondria in Higher Plants Structure Function and Biogenesis Academic Press Orlando FL Capítulo 13 Figura 132 Bloom A J 1997 Nitrogen as a limiting factor Crop acquisition of ammonium and nitrate In Ecology in Agriculture L E Jackson ed Academic Press San Diego CA pp 145172 Figura 134 Kleinhofs A Warner R L Lawrence J M Melzer J M Jeter J M and Kudrna D A 1989 Molecular genetics of nitrate reductase in barley In Molecular and Genetic Aspects of Nitrate Assimilation J L Wray and J R Kinghorn eds Oxford Science New York pp 197211 Figura 136 Pate J S 1983 Patterns of nitrogen metabolism in higher plants and their ecological significance In Nitrogen as an Ecological Factor The 22nd Symposium of the British Ecological Society Oxford 1981 J A Lee S McNeill and I H Rorison eds Blackwell Boston pp 225255 Figura 1311 Stokkermans T J W Ikeshita S Cohn J Carlson R W Stacey G Ogawa T and Peters N K 1995 Structural requirements of synthetic and natural product lipochitin oligosaccharides for induction of nodule primordia on Glycine soja Plant Physiol 108 15871595 Figura 1313 Dixon R O D and Wheeler C T 1986 Nitrogen Fixation in Plants Chapman and Hall New York Buchanan B Gruissem W and Jones R eds 2000 Biochemistry and Molecular Biology of Plants American Society of Plant Physiologists Rockville MD Figura 1316 Rees D A 1977 Polysaccharide Shapes Chapman and Hall London Figura 1318 Guerinot M L and Yi Y 1994 Iron Nutritious noxious and not readily available Plant Physiol 104 815820 Figura 1321 Searles P S and Bloom A J 2003 Nitrate photoassimilation in tomato leaves under shortterm exposure to elevated carbon dioxide and low oxygen Plant Cell Environ 26 12471255 Bloom A J RubioAsensio J S Randall L Rachmilevitch S Cousins A B and Carlisle E A 2012 CO2 enrichment inhibits shoot nitrate assimilation in C3 but not C4 plants and slows growth under nitrate in C3 plants Ecology 93 355367 Capítulo 14 Figura 142 McCann M C Wells B and Roberts K 1990 Direct visualization of crosslinks in the primary plant cell wall J Cell Sci 96 323334 Zhang T MahgsoudyLouyeh S Tittmann B and Cosgrove D J 2013 Visualization of the nanoscale pattern of recentlydeposited cellulose microfibrils and matrix materials in neverdried primary walls of the onion epidermis Cellulose 21 853862 DOI 101007s1057001399961 Roland J C Reis D Mosiniak M and Vian B 1982 Cell wall texture along the growth gradient of the mung bean hypocotyl Ordered assembly and dissipative processes J Cell Sci 56 303318 Figura 145 Carpita N C and McCann M 2000 The cell wall In Biochemistry and Molecular Biology of Plants B B Buchanan W Gruissem and R L Jones eds American Society of Plant Biologists Rockville MD pp 52108 Figura 146 Zhang T MahgsoudyLouyeh S Tittmann B and Cosgrove D J 2013 Visualization of the nanoscale pattern of recentlydeposited cellulose microfibrils and matrix materials in neverdried primary walls of the onion epidermis Cellulose 21 853862 DOI 101007s1057001399961 Matthews J F Skopec C E Mason P E Zuccato P Torget R W Sugiyama J Himmel M E and Brady J W 2006 Computer simulation studies of microcrystalline cellulose Ib Carbohydr Res 341 138152 Figura 147 Gunning B E S and Steer M W 1996 Plant Cell Biology Structure and Function of Plant Cells Jones and Bartlett Boston Kimura S Laosinchai W Itoh T Cui X Linder R and Brown R M Jr 1999 Immunogold labeling of rosette terminal cellulosesynthesizing complexes in the vascular plant Vigna angularis Plant Cell 11 20752085 Morgan J L Strumillo J and Zimmer J 2013 Crystallographic snapshot of cellulose synthesis and membrane translocation Nature 493 181186 Sethaphong L Haigler C H Kubicki J D Zimmer J Bonetta D DeBolt S and Yingling Y G 2013 Tertiary model of a plant cellulose synthase Proc Natl Acad Sci USA 110 75127517 Figura 148 Cosgrove D J 2005 Growth of the plant cell wall Nat Rev Mol Cell Biol 6 850861 Figura 149 Carpita N C and McCann M 2000 The cell wall In Biochemistry and Molecular Biology of Plants B B Buchanan W Gruissem and R L Jones eds American Society of Plant Biologists Rockville MD pp 52 108 Figura 1410 Mohnen D 2008 Pectin structure and biosynthesis Curr Opin Plant Biol 11 266277 Figuras 1410 e 1411 Carpita N C and McCann M 2000 The cell wall In Biochemistry and Molecular Biology of Plants B B Buchanan W Gruissem and R L Jones eds American Society of Plant Biologists Rockville MD pp 52108 Figura 1412 Fry S C 2004 Primary cell wall metabolism tracking the careers of wall polymers in living plant cells New Phytol 161 641 675 Figura 1415 Fu Y Gu Y Zheng Z Wasteneys G and Yang Z 2005 Arabidopsis interdigitating cell growth requires two antagonistic pathways with opposing action on cell morphogenesis Cell 120 687700 Settleman J 2005 Intercalating Arabidopsis leaf cells A jigsaw puzzle of lobes necks ROPs and RICs Cell 120 570572 Figura 1417 Baskin T I Wilson J E Cork A and Williamson R E 1994 Morphology and microtubule organization in Arabidopsis roots exposed to oryzalin or taxol Plant Cell Physiol 35 935942 Gutierrez R Lindeboom J J Paredez A R Emons A M and Ehrhardt D W 2009 Arabidopsis cortical microtubules position cellulose synthase delivery to the plasma membrane and interact with cellulose synthase trafficking compartments Nat Cell Biol 11 797 806 Figura 1418 Durachko D M and Cosgrove D J 2009 Measuring plant cell wall extension creep induced TaizCreditosIlustracoesindd 803 TaizCreditosIlustracoesindd 803 27102016 093049 27102016 093049 804 Créditos das Ilustrações by acidic pH and by alphaexpansin J Vis Exp 11 1263 Figura 1419 Cosgrove D J 1997 Relaxation in a highstress environment The molecular bases of extensible cell walls and cell enlargement Plant Cell 9 10311041 Figura 1420 Park Y B and Cosgrove D J 2012 A revised architecture of primary cell walls based on biomechanical changes induced by substratespecific endoglucanases Plant Physiol 158 19331943 Zhao Z Crespi V H Kubicki J D Cosgrove D J and Zhong L 2013 Molecular dynamics simulation study of xyloglucan adsorption on cellulose surfaces Effects of surface hydrophobicity and sidechain variation Cellulose 21 10251039 DOI 101007s1057001300411 Figura 1421 Terashima N Awano T Takabe K and Yoshida M 2004 Formation of macromolecular lignin in ginkgo xylem cell walls as observed by field emission scanning electron microscopy C R Biol 327 903910 Terashima N Kitano K Kojima M Yoshida M Yamamoto H and Westermark U 2009 Nanostructural assembly of cellulose hemicellulose and lignin in the middle layer of secondary wall of ginkgo tracheid J Wood Sci 55 409416 Figura 1422 Ralph J Brunow G and Boerjan W 2007 Lignins In Encyclopedia of Plant Science K Roberts ed Wiley Chichester pp 11231134 Figura 1423 Roppolo D and Geldner N 2012 Membrane and walls Who is master who is servant Curr Opin Plant Biol 15 608617 Capítulo 15 Tabela 151 SuarezRodriguez M C Petersen M and Mundy J 2010 Mitogenactivated protein kinase signaling in plants Annu Rev Plant Biol 61 621649 Figura 153 Santer A and Estelle M 2009 Recent advances and emerging trends in plant hormone signaling Nature Lond 459 10711078 Figura 156 Wang X 2004 Lipid signaling Curr Opin Plant Biol 7 329336 Figura 1511 RiouKhamlichi C Huntley R Jacqmard A and Murray J A 1999 Cytokinin activation of Arabidopsis cell division through a Dtype cyclin Science 283 15411544 Aloni R Wolf A Feigenbaum P Avni A and Klee H J 1998 The Never ripe mutant provides evidence that tumorinduced ethylene controls the morphogenesis of Agrobacterium tumefaciensinduced crown galls in tomato stems Plant Physiol 117 841849 Figura 1519 Woodward W and Bartel B 2005 Auxin Regulation action and interaction Annals Botany 95 707735 Figura 1522 McKeon T A FernándezMaculet J C and Yang S F 1995 Biosynthesis and metabolism of ethylene In Plant Hormones Physiology Biochemistry and Molecular Biology 2nd ed P J Davies ed Kluwer Dordrecht Netherlands pp 118139 Figura 1527 Braam J 2005 In touch Plant responses to mechanical stimuli New Phytol 165 373389 EscalantePérez M Krola E Stangea A Geigera D AlRasheidb K A S Hausec B Neherd E and Hedrich R 2011 A special pair of phytohormones controls excitability slow closure and external stomach formation in the Venus flytrap Proc Natl Acad Sci USA 108 1549215497 Figura 1530 Ju C and Chang C 2012 Advances in ethylene signalling Protein complexes at the endoplasmic reticulum membrane AoB PLANTS DOI 101093 aobplapls031 Figura 1531 Jiang J Zhang C and Wang X 2013 Ligand perception activation and early signaling of plant steroid receptor Brassinosteroid Insensitive 1 J Integr Plant Biol 55 11981211 Capítulo 16 Tabela 163 Jenkins G I 2014 The UVB photoreceptor UVR8 From structure to physiology Plant Cell 26 2137 Figura 166 Shropshire W Jr Klein W H and Elstad V B 1961 Action spectra of photomorphogenic induction and photoinactivation of germination in Arabidopsis thaliana Plant Cell Physiol 2 6369 Kelly J M and Lagarias J C 1985 Photochemistry of 124kilodalton Avena phytochrome under constant illumination in vitro Biochemistry 24 60036010 Figura 167 Thimann K V and Curry G M 1960 Phototropism and phototaxis In Comparative Biochemistry Vol 1 M Florkin and H S Mason eds Academic Press New York pp 243306 Swartz T E Corchnoy S B Christie J M Lewis J W Szundi I Briggs W R and Bogomolni R 2001 The photocycle of a flavinbinding domain of the blue light photoreceptor phototropin J Biol Chem 276 3649336500 Figura 169 Burgie E S Bussell A N Walker J M Dubiel K and Vierstra R D 2014 Crystal structure of the photosensing module from a redfarred lightabsorbing plant phytochrome Proc Natl Acad Sci USA 111 1017910184 Figura 1610 Montgomery B L and Lagarias J C 2002 Phytochrome ancestry Sensors of bilins and light Trends Plant Sci 7 357366 Figura 1611 Yamaguchi R Nakamura M Mochizuki N Kay S A and Nagatani A 1999 Lightdependent translocation of a phytochrome BGFP fusion protein to the nucleus in transgenic Arabidopsis J Cell Biol 145 437445 Figura 1612 Briggs W R Mandoli D F Shinkle J R Kaufman L S Watson J C and Thompson W F 1984 Phytochrome regulation of plant development at the whole plant physiological and molecular levels In Sensory Perception and Transduction in Aneural Organisms G Colombetti F Lenci and PS Song eds Plenum New York pp 265280 Figura 1613 Leivar P and Monte E 2014 PIFs Systems integrators in plant development Plant Cell 26 5678 Figura 1615 Spalding E P and Cosgrove D J 1989 Large membrane depolarization precedes rapid bluelight induced growth inhibition in cucumber Planta 178 407410 Figura 1616 Huang Y Baxter R Smith B S Partch C L Colbert C L and Deisenhofer J 2006 Crystal structure of cryptochrome 3 from Arabidopsis thaliana and its implications for photolyase activity Proc Natl Acad Sci USA 103 1770117706 Figura 1617 Ahmad M Jarillo J A Smirnova O and Cashmore A R 1998 Cryptochrome blue light photoreceptors of Arabidopsis implicated in phototropism Nature 392 720723 Figura 1619 Parks B M Folta K M and Spalding E P 2001 Photocontrol of stem growth Curr Opin Plant Biol 4 436440 Figura 1620 Christie J M 2007 Phototropin bluelight receptors Annu Rev Plant Biol 58 2145 Figura 1622 Inoue SI Takemiya A and Shimazaki KI 2010 Phototropin signaling and stomatal opening as a model case Curr Opin Plant Biol 13 587593 Figuras 1623 e 1624 Wada M 2013 Chloroplast movement Plant Sci 210 177182 Figura 1627 Jenkins G I 2014 The UVB photoreceptor UVR8 From structure to physiology Plant Cell 26 2137 Capítulo 17 Figura 173 West M A L and Harada J J 1993 Embryogenesis in higher plants An overview Plant Cell 5 13611369 Figura 175 Laux T TaizCreditosIlustracoesindd 804 TaizCreditosIlustracoesindd 804 27102016 093049 27102016 093049 Créditos das Ilustrações 805 Würschum T and Breuninger H 2004 Genetic regulation of embryonic pattern formation Plant Cell 16 S190S202 Figura 177 Scheres B Wolkenfelt H Willemsen V Terlouw M Lawson E Dean C and Weisbeek P 1994 Embryonic origin of the Arabidopsis primary root and root meristem initials Development 120 24752487 Figura 178 Traas J Bellini C Nacry P Kronenberger J Bouchez D and Caboche M 1995 Normal differentiation patterns in plants lacking microtubular preprophase bands Nature 375 676677 Figura 179 Kim I Kobayashi K Cho E and Zambryski P C 2005 Subdomains for transport via plasmodesmata corresponding to the apicalbasal axis are established during Arabidopsis embryogenesis Proc Natl Acad Sci USA 102 1194511950 Figura 1710 Mayer U Büttner G and Jürgens G 1993 Apicalbasal pattern formation in the Arabidopsis embryo Studies on the role of the gnom gene Development 117 149162 Berleth T and Jürgens G 1993 The role of the MONOPTEROS gene in organising the basal body region of the Arabidopsis embryo Development 118 575587 Mayer U TorresRuiz R A Berleth T Misera S and Jürgens G 1991 Mutations affecting body organisation in the Arabidopsis embryo Nature 353 402407 Figura 1712 Multani D S Briggs S P Chamberlin M A Blakeslee J J Murphy A S and Johal G S 2003 Loss of an MDR transporter in compact stalks of maize br2 and sorghum dw3 mutants Science 302 81 84 Figura 1713 Hadfi K Speth V and Neuhaus G 1998 Auxininduced developmental patterns in Brassica juncea embryos Development 125 879887 Liu C Xu Z and Chua N H 1993 Auxin polar transport is essential for the establishment of bilateral symmetry during early plant embryogenesis Plant Cell 5 621630 Figura 1716 Abe M Katsumata H Komeda Y and Takahashi T 2003 Regulation of shoot epidermal cell differentiation by a pair of homeodomain proteins in Arabidopsis Development 130 635643 Figura 1717 Mähönen A P Bonke M Kauppinen L Riikonen M Benfey P N and Helariutta Y 2000 A novel twocomponent hybrid molecule regulates vascular morphogenesis of the Arabidopsis root Genes Dev 14 29382943 Figura 1718 Nakajima K and Benfey P N 2002 Signaling in and out Control of cell division and differentiation in the shoot and root Plant Cell 14 S265S276 Figura 1719 Helariutta Y Fukaki H WysockaDiller J Nakajima K Jung J Sena G Hauser M T and Benfey P N 2000 The SHORTROOT gene controls radial patterning of the Arabidopsis root through radial signaling Cell 101 555567 Figura 1721 Schiefelbein J W Masucci J D and Wang H 1997 Building a root The control of patterning and morphogenesis during root development Plant Cell 9 1089 1098 Figura 1722 Aida M Beis D Heidstra R Willemsen V Blilou I Galinha C Nussaume L Noh YS Amasino R and Scheres B 2004 The PLETHORA genes mediate patterning of the Arabidopsis root stem cell niche Cell 119 109120 Figura 1723 Müller B and Sheen J 2008 Cytokinin and auxin interaction in root stemcell specification during early embryogenesis Nature 453 10941097 Figura 1724 Kuhlemeier C and Reinhardt D 2001 Auxin and phyllotaxis Trends Plant Sci 6 187189 Figura 1725 Bowman J L and Eshed Y 2000 Formation and maintenance of the shoot apical meristem Trends Plant Sci 5 110 115 Figura 1726 Steeves T A and Sussex I M 1989 Patterns in Plant Development Cambridge University Press Cambridge UK Figura 1727 Jenik P D and Barton M K 2005 Surge and destroy The role of auxin in plant embryogenesis Development 132 35773585 Figura 1728 Laux T Würschum T and Breuninger H 2004 Genetic regulation of embryonic pattern formation Plant Cell 16 S190S202 Figura 1729 Leibfried A To J P C Busch W Stehling S Kehle A Demar M Kieber J J and Lohmann J U 2005 WUSCHEL controls meristem function by direct regulation of cytokinininducible response regulators Nature 438 11721175 Figura 1731 Hudson A 2005 Plant meristems Mobile mediators of cell fate Curr Biol 15 R803805 Figura 1733 Reinhardt D Pesce E R Stieger P Mandel T Baltensperger K Bennett M Traas J Friml J and Kuhlemeier C 2003 Regulation of phyllotaxis by polar auxin transport Nature 426 255260 Vernoux T Kronenberger J Grandjean O Laufs P and Traas J 2000 PINFORMED 1 regulates cell fate at the periphery of the shoot apical meristem Development 127 51575165 Figura 1734 Miyashima S Sebastian J Lee JY and Helariutta Y 2013 Stem cell function during plant vascular development EMBO J 32 178193 Capítulo 18 Tabela 181 Bewley J D Bradford K J Hilhorst H W M and Nonogaki H 2013 Seeds Physiology of Development Germination and Dormancy 3rd edition Springer New York Tabela 182 Smith H 1982 Light quality photoperception and plant strategy Annu Rev Plant Physiol 33 481 518 Figura 182 Homrichhausen T M Hewitt J R and Nonogaki H 2003 Endobmannanase activity is associated with the completion of embryogenesis in imbibed carrot Daucus carota L seeds Seed Sci Res 13 219227 Figura 184 Li YC Rena JP Cho MJ Zhou SM Kim YB Guo HX Wong JH Niu HB Kim HK Morigasaki S et al 2009 The level of expression of thioredoxin is linked to fundamental properties and applications of wheat seeds Mol Plant 2 430441 Figura 185 FinchSavage W E and LeubnerMetzger G 2006 Seed dormancy and the control of germination New Phytol 171 501 523 Figura 186 Visser T 1956 Chilling and apple seed dormancy Proc K Ned Akad Wet C 59 314324 Grappin P Bouinot D Sotta B Migniac E and Julien M 2000 Afterripening of tobacco seeds Planta 210 279285 Figura 187 Liptay A and Schopfer P 1983 Effect of water stress seed coat restraint and abscisic acid upon different germination capabilities of two tomato lines at low temperature Plant Physiol 73 935938 Figura 188 Nonogaki H Bassel G W and Bewley J D 2010 GerminationStill a mystery Plant Sci 179 574581 Figura 189 Bethke P C Schuurink R and Jones R L 1997 Hormonal signalling in cereal aleurone J Exp Bot 48 1337 1356 Figura 1810 Gubler F Kalla R Roberts J K and Jacobsen J V 1995 Gibberellinregulated expression of a myb gene in barley aleurone cells Evidence of myb transactivation of a highpI alphaamylase gene promoter Plant Cell 7 18791891 Figura 1813 Cleland R E 1995 Auxin and cell elongation In Plant Hormones TaizCreditosIlustracoesindd 805 TaizCreditosIlustracoesindd 805 27102016 093049 27102016 093049 806 Créditos das Ilustrações and Their Role in Plant Growth and Development 2nd ed P J Davies ed Kluwer Dordrecht Netherlands pp 214227 Jacobs M and Ray P M 1976 Rapid auxininduced decrease in free space pH and its relationship to auxininduced growth in maize and pea Plant Physiol 58 203209 Figura 1816 Hartmann H T and Kester D E 1983 Plant Propagation Principles and Practices 4th ed PrenticeHall Inc NJ Figura 1817 Shaw S and Wilkins M B 1973 The source and lateral transport of growth inhibitors in geotropically stimulated roots of Zea mays and Pisum sativum Planta 109 1126 Figura 1818 Baldwin K L Strohm A K and Masson P H 2013 Gravity sensing and signal transduction in vascular plant primary roots Am J Bot 100 126142 Figura 1819 Blilou I Xu J Wildwater M Willemsen V Paponov I Friml J Heidstra R Aida M Palme K and Scheres B 2005 The PIN auxin efflux facilitator network controls growth and patterning in Arabidopsis roots Nature 433 3944 Figura 1820 Volkmann D and Sievers A 1979 Graviperception in multicellular organs In Encyclopedia of Plant Physiology New Series Vol 7 Physiology of Movements W Haupt and M E Feinleib eds SpringerVerlag New York pp 573600 Figura 1822 Fasano J M Swanson S J Blancaflor E B Dowd P E Kao T H and Gilroy S 2001 Changes in root cap pH are required for the gravity response of the Arabidopsis root Plant Cell 13 907 921 Figura 1823 Iino M and Briggs W R 1984 Growth distribution during first positive phototropic curvature of maize coleoptiles Plant Cell Environ 7 97104 Figura 1824 Christie J M Yang H Richter G L Sullivan S Thomson C E Lin J Titapiwatanakun B Ennis M Kaiserli E Lee O R et al 2011 phot1 inhibition of ABCB19 primes lateral auxin fluxes in the shoot apex required for phototropism PLoS Biol 9 e1001076 DOI 101371journal pbio1001076 Figura 1827 Le J Vandenbussche F De Cnodder T Van Der Straeten D and Verbelen JP 2005 Cell elongation and microtubule behavior in the Arabidopsis hypocotyl Responses to ethylene and auxin J Plant Growth Regul 24 166178 Figura 1828 Binder B M OMalley R C Moore J M Parks B M Spalding E P and Bleecker A B 2004a Arabidopsis seedling growth response and recovery to ethylene A kinetic analysis Plant Physiol 136 29132920 Binder B M Mortimore L A Stepanova A N Ecker J R and Bleecker A B 2004b Short term growth responses to ethylene in Arabidopsis seedlings are EIN3EIL1 independent Plant Physiol 136 29212927 Figura 1829 Morgan D C and Smith H 1979 A systematic relationship between phytochromecontrolled development and species habitat for plants grown in simulated natural irradiation Planta 145 253258 Figura 1832 Busse J S and Evert R F 1999 Vascular differentiation and transition in the seedling of Arabidopsis thaliana Brassicaceae Int J Plant Sci 160 241 251 Figura 1833 Lacayo C I Malkin A J Holman HY N Chen L Ding SY Hwang M S and Thelen M P 2010 Imaging cell wall architecture in single Zinnia elegans tracheary elements Plant Physiol 154 121133 NovoUzal E FernándezPérez F Herrero J Gutiérrez J GómezRos L V Bernal M A Díaz J Cuello J Pomar F and Pedreño M A 2013 From Zinnia to Arabidopsis Approaching the involvement of peroxidases in lignification J Exp Bot 64 34993518 Motose H Sugiyama M and Fukuda H 2004 A proteoglycan mediates inductive interaction during plant vascular development Nature 429 873878 Figura 1835 Bibikova T and Gilroy S 2003 Root hair development J Plant Growth Regul 21 383415 Figura 1836 Abeles F B Morgan P W and Saltveit M E Jr 1992 Ethylene in Plant Biology 2nd ed Academic Press San Diego CA Figura 1837 Petricka J J Winter C M and Benfey P N 2012 Control of Arabidopsis root development Annu Rev Plant Biol 63 563590 Figura 1838 Van Norman J M Zhang J Cazzonelli C I Pogson B J Harrison P J Bugg T D H Chan K X Thompson A J and Benfey P N 2013 To branch or not to branch The role of prepatterning in lateral root formation Development 140 43014310 Capítulo 19 Figura 192 Besnard F Vernoux T and Hamant O 2011 Organogenesis from stem cells in planta multiple feedback loops integrating molecular and mechanical signals Cell Mol Life Sci 68 28852906 Figura 193 Sussex I M 1951 Experiments on the cause of dorsiventrality in leaves Nature 167 651652 Figura 194 Waites R and Hudson A 1995 phantastica a gene required for dorsoventrality of leaves in Antirrhinum majus Development 121 21432154 Figura 195 Townsley B T and Sinha N R 2012 A new development Evolving concepts in leaf ontogeny Annu Rev Plant Biol 63 535 562 Figuras 195 e 196 Fukushima K and Hasebe M 2013 Adaxial abaxial polarity The developmental basis of leaf shape diversity Genesis 52 118 Figura 197 Kang J and Sinha N R 2010 Leaflet initiation is temporally and spatially separated in simple and complex tomato Solanum lycopersicum leaf mutants A developmental analysis Botany 88 710724 Figura 198 Hasson A Blein T and Laufs P 2010 Leaving the meristem behind The genetic and molecular control of leaf patterning and morphogenesis C R Biol 333 350360 Figuras 1910 e 1911 Lau S and Bergmann D C 2012 Stomatal development A plants perspective on cell polarity cell fate transitions and intercellular communication Development 139 36833692 Figura 1913 Balkunde R Pesch M and Hülskamp 2010 Trichome patterning in Arabidopsis thaliana From genetic to molecular models Curr Top Dev Biol 91 299321 Figura 1914 Qing L and Aoyama T 2012 Pathways for epidermal cell differentiation via the homeobox gene GLABRA2 Update on the roles of the classic regulator J Integr Plant Biol 54 729737 Figura 1915 Sack L and Scoffoni C 2013 Leaf venation Structure function development evolution ecology and applications in the past present and future New Phytol 198 9831000 Figura 1916 Lucas W J Groover A Lichtenberger R Furuta K Yadav SR Helariutta Y He XQ Fukuda H Kang J Brady S M et al 2013 The plant vascular system Evolution development and functions J Integr Plant Biol 55 294388 Figura 1917 Esau K 1953 Plant Anatomy Wiley New York Figuras 1919 e 1920 Bayer E M Smith R S Mandel T Nakayama N Sauer M Prusinkiewicz P and Kuhlemeier C 2009 Integration of transportbased models for phyllotaxis and midvein formation Genes Dev 23 373384 Figura 1921 Lucas W J Groover A Lichtenberger R TaizCreditosIlustracoesindd 806 TaizCreditosIlustracoesindd 806 27102016 093049 27102016 093049 Créditos das Ilustrações 807 Furuta K Yadav SR Helariutta Y He XQ Fukuda H Kang J Brady S M et al 2013 The plant vascular system Evolution development and functions J Integr Plant Biol 55 294 388 Figura 1922 Petrášek J and Friml J 2009 Auxin transport routes in plant development Development 136 26752688 Figura 1923 Sawchuck M G Edgar A and Scarpella E 2013 Pattering of leaf vein networks by convergent auxin transport pathways PLoS Genet 92 e1003294 DOI 101371 journalpgen1003294 Cheng Y Dai X and Zhao Y 2006 Auxin biosynthesis by the YUCCA flavin monooxygenases controls the formation of floral organs and vascular tissues in Arabidopsis Genes Dev 20 17901799 Figura 1924 Aloni R Schwalm K Langhans M and Ullrich C I 2003 Gradual shifts in sites of freeauxin production during leafprimordium development and their role in vascular differentiation and leaf morphogenesis in Arabidopsis Planta 216 841853 Figura 1925 Takiguchi Y Imaichi R and Kato M 1997 Cell division patterns in the apices of subterranean axis and aerial shoot of Psilotum nudum Psilotaceae Morphological and phylogenetic implications for the subterranean axis Am J Bot 84 588 596 Figura 1928 Greb T Clarenz O Schäfer E Müller D Herrero R Schmitz G and Theres K 2003 Molecular analysis of the LATERAL SUPPRESOR gene in Arabidopsis reveals a conserved control mechanism for axillary meristem formation Genes Dev 17 11751187 Figuras 1929 e 1930 Domagalska M A and Leyser O 2011 Signal integration in the control of shoot branching Nature 12 211221 Figura 1932 ElShowk S Ruonala R Helariutta Y 2013 Crossing paths Cytokinin signalling and crosstalk Development 140 13731383 Figura 1934 Mason M G Ross J J Babst B A Wienclaw B N and Beveridge C A 2014 Sugar demand not auxin is the initial regulator of apical dominance Proc Natl Acad Sci USA 111 6092 6097 Figura 1937 Hochholdinger F and Tuberosa R 2009 Genetic and genomic dissection of maize root development and architecture Curr Opin Plant Biol 12 172177 Figura 1939 Lynch J P 2007 Roots of the second Green Revolution Aust J Bot 55 493512 Figura 1940 Zhang Z Liao H and Lucas W J 2014 Molecular mechanisms underlying phosphate sensing signaling and adaptation in plants J Integr Plant Biol 56 192220 Figura 1941 Risopatron J P M Sun Y and Jones B J 2010 The vasculat cambium Molecular control of cellular structure Protoplasma 247 145161 Capítulo 20 Tabela 201 Clark J R 1983 Agerelated changes in trees J Arboriculture 9 201205 Figura 208 VincePrue D 1975 Photoperiodism in Plants McGrawHill London Salisbury F B 1963 Biological timing and hormone synthesis in flowering of Xanthium Planta 49 518 524 Papenfuss H D and Salisbury F B 1967 Aspects of clock resetting in flowering of Xanthium Plant Physiol 42 15621568 Figura 209 Coulter M W and Hamner K C 1964 Photoperiodic flowering response of Biloxi soybean in 72 hour cycles Plant Physiol 39 848856 Figura 2010 Hayama R and Coupland G 2004 The molecular basis of diversity in the photoperiodic flowering responses of Arabidopsis and rice Plant Physiol 135 677684 Figura 2012 Hendricks S B and Siegelman H W 1967 Phytochrome and photoperiodism in plants Comp Biochem 27 211235 Saji H VincePrue D and Furuya M 1983 Studies on the photoreceptors for the promotion and inhibition of flowering in darkgrown seedlings of Pharbitis nil choisy Plant Cell Physiol 67 11831189 Figura 2013 Deitzer G 1984 Photoperiodic induction in longday plants In Light and the Flowering Process D VincePrue B Thomas and K E Cockshull eds Academic Press New York pp 5163 Figura 2015 Purvis O N and Gregory F G 1952 Studies in vernalization of cereals XII The reversibility by high temperature of the vernalized condition in Petkus winter rye Ann Bot 1 569592 Figura 2019 Liu L Zhu Y Shen L and Yu H 2013 Emerging insights into florigen transport Curr Opin Plant Biol 16 607613 Figura 2022 Bewley J D Hempel F D McCormick S and Zambryski P 2000 Reproductive Development In Biochemistry and Molecular Biology of Plants B B Buchanan W Gruissem and R L Jones eds American Society of Plant Biologists Rockville MD pp 9881034 Figura 2023 Meyerowitz E M 2002 Plants compared to animals The broadest comparative study of development Science 295 14821485 Krizek B A and Fletcher J C 2005 Molecular mechanisms of flower development An armchair guide Nat Rev Genet 6 688698 Figura 2027 Pelaz S GustafsonBrown C Kohalmi S E Crosby W L and Yanofsky M F 2001 APETALA1 and SEPALLATA3 interact to promote flower development Plant J 26 385394 Figura 2031 Busch A and Zachgo S 2009 Flower symmetry evolution Towards understanding the abominable mystery of angiosperm radiation BioEssays 31 11811190 Capítulo 21 Figura 216 Gasser C S and RobinsonBeers K 1993 Pistil development Plant Cell 5 1231 1239 Figura 2110 Johnson M A and Lord E 2006 Extracellular guidance cues and intracellular signaling pathways that direct pollen tube growth In Plant Cell Monographs Vol 3 The Pollen Tube R Malho ed Springer New York p 223242 Williams J H 2012 Pollen tube growth rates and the diversification of flowering plant reproductive cycles Int J Plant Sci 173 649661 Figura 2111 Bowman J 1994 Arabidopsis An atlas of morphology and development SpringerVerlag New York Edlund A F Swanson R and Preuss D 2004 Pollen and stigma structure and function The role of diversity in pollination Plant Cell 16Suppl 1 S84S97 Figura 2112 Konrad K R Wudick M M and Feijó J A 2011 Calcium regulation of tip growth New genes for old mechanisms Curr Opin Plant Biol 14 721730 Figura 2113 Cheung A Y Nirooman S Zou Y and Wu H M 2010 A transmembrane formin nucleates subapical actin assembly and controls tipfocused growth in pollen tubes Proc Natl Acac Sci USA 107 16390 16395 Figura 2116 Higashiyama T Kuroiwa H Kawano S and Kuroiwa T 1998 Guidance in vitro of the pollen tube to the naked embryo sac of Torenia fournieri Plant Cell 10 20192031 Figura 2122 Debeaujon I Nesi N Perez P Devic M Grandjean O Caboche M and Lepinieca L 2003 Proanthocyanidinaccumulating cells in Arabidopsis testa Regulation of differentiation and role in seed TaizCreditosIlustracoesindd 807 TaizCreditosIlustracoesindd 807 27102016 093049 27102016 093049 808 Créditos das Ilustrações development Plant Cell 15 2514 2531 Figura 2123 Cosségal M Vernoud V Depège N and Rogowsky P M 2007 The embryo surrounding region Plant Cell Monogr 8 5771 DOI 10100770892007109 Figura 2124 Olsen OA 2004 Nuclear Endosperm Development in Cereals and Arabidopsis thaliana Plant Cell 16Suppl 1 S214S227 Figura 2125 Otegui M S 2007 Endospern cell walls Formation composition and functions Plant Cell Monogr 8 159178 Figura 2126 Olsen OA 2004 Nuclear Endosperm Development in Cereals and Arabidopsis thaliana Plant Cell 16Suppl 1 S214S227 Figura 2127 Li J and Berger F 2012 Endosperm Food for humankind and fodder for scientific discoveries New Phytol 195 290305 Figura 2128 Becraft P W and Yi G 2011 Regulation of aleurone development in cereal grains J Exp Bot 62 16691675 Figura 2129 Haughn G and Chaudhury A 2005 Genetic analysis of seed coat development in Arabidopsis Trends Plant Sci 10 472 477 Figura 2130 Verdier J Lalanne D Pelletier S TorresJerez I Righetti K Bandyopadhyay K Leprince O Chatelain E Vu B L Gouzy J et al 2013 A regulatory networkbased approach dissects late maturation processes related to the acquisition of desiccation tolerance and longevity of Medicago truncatula seeds Plant Physiol 163 757774 Figura 2131 Delahaie J Hundertmark M Bove J Leprince O Rogniaux H and Buitink J 2013 LEA polypeptide profiling of recalcitrant and orthodox legume seeds reveals ABI3regulated LEA protein abundance linked to desiccation tolerance J Exp Bot 64 45594573 Figuras 2133 e 2134 Seymour G B Østergaard L Chapman N H Knapp S and Martin C 2013 Fruit development and ripening Annu Rev Plant Biol 64 219 241 Figura 2134 PabónMora N and Litt A 2011 Comparative anatomical and developmental analysis of dry and fleshy fruits of Solanaceae Am J Bot 98 14151436 Figura 2135 Fray R F and Grierson D 1993 Identification and genetic analysis of normal and mutant phytoene synthase genes of tomato by sequencing complementation and cosuppression Plant Mol Biol 22 589602 Figura 2137 Oeller P W Lu M W Taylor L P Pike D A and Theologis A 1991 Reversible inhibition of tomato fruit senescence by antisense RNA Science 254 437439 Grierson D 2013 Ethylene and the control of fruit ripening In The Molecular Biology and Biochemistry of Fruit Ripening G B Seymour G A Tucker M Poole and J J Giovannoni eds WileyBlackwell Oxford UK p 216 Figura 2138 Dilley D R 1981 Assessing fruit maturity and ripening and techniques to delay ripening in storage Proc Mich State Hort Soc 11 132146 Figura modified in Kupferman E 1986 The role of ethylene in determining apple harvest and storage life Postharvest Pomology Newsletter 41 http postharvesttfrecwsuedupagesN4I1C accessed September 2014 Figura 2140 Seymour G B Østergaard L Chapman N H Knapp S and Martin C 2013 Fruit development and ripening Annu Rev Plant Biol 64 219241 Capítulo 22 Tabela 221 Thomas H 2013 Senescence ageing and death of the whole plant New Phytol 197 696711 DOI 101111nph12047 Figura 227 Bassham D C Laporte M Marty F Moriyasu Y Ohsumi Y Olsen L J and Yoshimoto K 2006 Autophagy in development and stress response of plants Autophagy 2 211 Yoshimoto K Hanaoka H Sato S Kato T Tabata S Noda T and Ohsumi Y 2004 Processing of ATG8s ubiquitinlike proteins and their deconjugation by ATG4s are essential for plant autophagy Plant Cell 16 29672983 Figura 229 Stahl E 1909 Zur biologie des chlorophylls Laubfarbe und himmelslicht vergilbung und etiolement G Fisher Verlag Jena Germany Figuras 2211 e 2213 Keskitalo J Bergquist G Gardestrom P and Jansson S 2005 A cellular timeTabela of autumn senescence Plant Physiol 139 16351648 Figura 2214 Krupinska K Mulisch M Hollmann J Tokarz K Zschiesche W Kage H Humbeck K and Bilger W 2012 An alternative strategy of dismantling of the chloroplasts during leaf senescence observed in a highyield variety of barley Physiol Plant 144 189200 Figura 2215 Wada S Ishida H Izumi M Yoshimoto K Ohsumi Y Mae T and Makino A 2009 Autophagy plays a role in chloroplast degradation during senescence in individually darked leaves Plant Physiol 149 885 893 Figura 2217 Breeze E Harrison E McHattie S Hughes L Hickman R Hill C Kiddle S Kim YS Penfold C A Jenkins D et al 2011 Highresolution temporal profiling of transcripts during Arabidopsis leaf senescence reveals a distinct chronology of processes and regulation Plant Cell 23 873894 Figura 2219 Uauy C Distelfeld A Fahima T Blechl A and Dubcovsky J 2006 A NAC gene regulating senescence improves grain protein zinc and iron content in wheat Science 314 12981301 Figura 2220 Gan S and Amasino R M 1995 Inhibition of leaf senescence by autoregulated production of cytokinin Science 270 19861988 Figura 2221 Mothes K and Schütte H 1961 Über die akkumulation von alphaaminoisobuttersäure in blattgewebe unter dem einflub von kinetin Physiol Plant 14 7275 Figura 2223 Vahala J Ruonala R Keinänen M Tuominen H and Kangasjärvi J 2003 Ethylene insensitivity modulates ozoneinduced cell death in birch Betula pendula Plant Physiol 132 185195 Figura 2224 Morgan P W 1984 Is ethylene the natural regulator of abscission In Ethylene Biochemical Physiological and Applied Aspects Y Fuchs and E Chalutz eds Martinus Nijhoff The Hague Netherlands pp 231240 Figura 2225 Aalen R B Wildhagen M Stø I M and Butenko M A 2013 IDA A peptide ligand regulating cell separation processes in Arabidopsis J Exp Bot 64 52535261 Figura 2228 Sillett S C van Pelt R Koch G W Ambrose A R Carroll A L Antoine M E and Mifsud B M 2010 Increasing wood production through old age in tall trees For Ecol Manage 259 976994 Figura 2229 Stephenson N L Das A J Condit R Russo S E Baker P J Beckman N G Coomes D A Lines E R Morris W K Rüger N et al 2014 Rate of tree carbon accumulation increases continuously with tree size Nature 507 9093 Capítulo 23 Figura 231 van Dam N M 2009 How plants cope with biotic interactions Plant Biol 11 15 Figura 232 Gough C and Cullimore J 2011 Lipochitooligosaccharide signaling in endosymbiotic plant microbe interactions Mol Plant Microbe Interact 24 867878 Markmann K and Parniske M 2009 Evolution of TaizCreditosIlustracoesindd 808 TaizCreditosIlustracoesindd 808 27102016 093049 27102016 093049 Créditos das Ilustrações 809 root endosymbiosis with bacteria How novel are nodules Trends Plant Sci 14 7786 Figura 233 Oldroyd G E D and Downie A 2004 Calcium kinases and nodulation signalling in legumes Nat Rev Mol Cell Biol 5 566576 Figura 234 Goh CH Veliz Vallejos D F Nicotra A B and Mathesius U 2013 The impact of beneficial plantassociated microbes on plant phenotypic plasticity J Chem Ecol 39 826839 Figura 2321 Christmann A and Grill E 2013 Electric defence Nature 500 404405 Figura 2324 Goodspeed D Chehab E W MinVenditti A Braam J and Covington M F 2012 Arabidopsis synchronizes jasmonatemediated defense with insect circadian behavior Proc Natl Acad Sci USA 109 46744677 Figura 2327 Boller T and Felix G 2009 A Renaissance of elicitors Perception of microbeassociate molecular patterns and danger signals by patternrecognition receptors Annu Rev Plant Biol 60 379406 Capítulo 24 Tabela 242 Jones R Ougham H Thomas H and Waaland S 2013 The Molecular Life of Plants WileyBlackwell Chichester West Sussex UK p 567 Tabela 243 Lyons J M Wheaton T A and Pratt H K 1964 Relationship between the physical nature of mitochondrial membranes and chilling sensitivity in plants Plant Physiol 39 262268 Figura 245 Boyer J S 1970 Differing sensitivity of photosynthesis to low leaf water potentials in corn and soybean Plant Physiol 46 236 239 Figura 246 Mittler R 2006 Abiotic stress the field environment and stress combination Trends Plant Sci 11 1519 Figura 247 Mittler R and Blumwald E 2010 Genetic engineering for modern agriculture Challenges and perspectives Ann Rev Plant Biol 61 443462 Figura 248 Mittler R Finka A and Goloubinoff P 2012 How do plants feel the heat Trends Biochem Sci 37 11825 Figura 249 Reddy A S Ali G S Celesnik H and Day I S 2011 Coping with stresses Roles of calcium and calcium calmodulinregulated gene expression Plant Cell 23 20102032 Figura 2412 Smékalová V Doskocˇilová A Komis G and Samaj J 2013 Crosstalk between secondary messengers hormones and MAPK modules during abiotic stress signalling in plants Biotechnol Adv 32 211 DOI 101016j biotechadv201307009 Figura 2413 Lata C and Prasad M 2011 Role of DREBs in regulation of abiotic stress responses in plants J Exp Bot 62 47314748 Figura 2414 Mittler R Vanderauwera S Suzuki N Miller G Tognetti V B Vandepoele K Gollery G Shulaev V and Van Breusegem F 2011 ROS signaling The new wave Trends Plant Sci 16 300309 Suzuki N Miller G Salazar C Mondal H A Shulaev E Cortes D F Shuman J L Luo X Shah J Schlauch K et al 2013 Temporalspatial interaction between reactive oxygen species and abscisic acid regulates rapid systemic acclimation in plants Plant Cell 25 355369 Figura 2415 Gutzat R and MittelstenScheid O 2012 Epigenetic responses to stress Triple defense Curr Opin Plant Biol 15 568573 Figura 2420 Jones R Ougham H Thomas H and Waaland S 2013 The Molecular Life of Plants WileyBlackwell Chichester West Sussex UK p 568 Figura 2421 Baneyx F and Mujacic M 2004 Recombinant protein folding and misfolding in Escherichia coli Nat Biotechnol 22 13991408 Figura 2424 Beardsell M F and Cohen D 1975 Relationships between leaf water status abscisic acid levels and stomatal resistance in maize and sorghum Plant Physiol 56 207212 Figura 2425 McAinsh M R Brownlee C and Hetherington A M 1990 Abscisic acidinduced elevation of guard cell cytosolic Ca2 precedes stomatal closure Nature 343 186188 Figura 2428 SánchezCalderón L IbarraCortés M E and ZepedaJazo I 2013 Root development and abiotic stress adaptation In Abiotic StressPlant Responses and Applications in Agriculture K Vahdati and C Leslie eds InTech Rijeka Croatia pp 135168 DOI 10577245842 Figura 2429 Saab I N Sharp R E Pritchard J and Voetberg G S 1990 Increased endogenous abscisic acid maintains primary root growth and inhibits shoot growth of maize seedlings at low water potentials Plant Physiol 9313291336 TaizCreditosIlustracoesindd 809 TaizCreditosIlustracoesindd 809 27102016 093049 27102016 093049 Créditos das Fotografias Aberturas de Unidades e Capítulos Capítulos 1 e 2 Viloristock Unidade I AntiMartinaistock Unidade II suriyasilsaksomistock Unidade III Petegaristock Capítulo 1 13 David McIntyre 129 Sebastian KaulitzkiShutterstock Capítulo 2 28 oleracea Jim Millsistock carinata C SchmittShutterstock nigra Roger Whitewayistock juncea Suzannah Skeltonistock rapa ChunTso LinShutterstock napus Peter Austinistock Capítulo 3 312 David McIntyre Capítulo 4 45 David McIntyre 46B Steve GschmeissnerScience Source 412B age fotostock Spain SLAlamy 412C Ray SimonsScience Source Capítulo 6 619 BiodiscVisuals Unlimited Alamy Capítulo 7 79 Biophoto AssociatesScience Source Capítulo 11 111 J N A LottBiological Photo Service 112 P GatesBiological Photo Service Capítulo 13 139 David McIntyre 1310 Dr Peter SiverVisuals Unlimited Capítulo 14 141 Andrew SyredScience Source 143A David McIntyre 143B Biophoto AssociatesScience Source 143C Dennis DrennerVisuals Unlimited Inc Capítulo 15 151A Nigel CattlinAlamy 151B blickwinkelAlamy 151C Steven SheppardsonAlamy 151D E David McIntyre 1510A C Sylvan Wittwer Visuals Unlimited 1513 Ray Simons Science Source 1527 blickwinkel Alamy Capítulo 16 161 ShoseiCorbis 162 Nigel CattlinAlamy 165 David McIntyre Capítulo 17 171A David L MooreAlamy 171B David McIntyre Capítulo 18 183 Larry LarsenAlamy Capítulo 19 199A Dr Ken WagnerVisuals Unlimited Inc 199B Robert Harding Picture Library LtdAlamy 199C Jon BertschVisuals Unlimited Inc 199D Garry DeLongScience Source 1912 Dr Stanley FleglerVisuals Unlimited Inc 1915 David McIntyre 1925A William OrmerodVisuals Unlimited Inc 1933B David McIntyre 1935 C J WheelerAlamy 1936 Heidi NaturaConservation Research Institute 1937B B W HoffmannAGE Fotostock Capítulo 20 2030A Artex67istock Capítulo 21 214A ScientificaRMFVisuals Unlimited Inc 215 Courtesy of David Twell Department of Biology and Stefan Hyman Electron microscopy Laboratory University of Leicester 2116A blickwinkelAlamy 2134A brozovaistock 2136 2139A David McIntyre 2141 Courtesy of Andy Davis John Innes Centre Capítulo 22 221 Chuck SavageCorbis 228 Chris WildbloodAlamy 2222A BiodiscVisuals Unlimited Inc 2227 WildPicturesAlamy Capítulo 23 237 Courtesy of Agong1Wikipedia 2323 David McIntyre 2324A Courtesy of Alton N Sparks Jr University of Georgia Bugwoodorg 2336 BiodiscVisuals Unlimited Inc TaizCreditosFotografiasindd 810 TaizCreditosFotografiasindd 810 27102016 093133 27102016 093133 Índice A ABA Ver Ácido abscísico Abacaxi Ananas comosus 612 Abertura do gancho plumular 539 Abertura estomática dependente da luz ativação pela luz da bomba de prótons na membrana plas mática das célulasguarda 271273 275 atividade osmótica da sacarose nas célulasguarda 275276 cinética e período de atraso das respostas à luz azul 273 275 regulação pela luz azul do balanço osmótico das células guarda 273 275 resposta das célulasguarda à luz azul 270272 272273 reversão pela luz verde da abertura estimulada pela luz azul 278280 Aberturas dos grãos de pólen 628629 Abetodedouglas Pseudotsuga menziesii 137138 583 Abóbora 287288 Abobrinha Ver Cucurbita pepo ABP1 422423 436 Abronia A umbellata 726 A villosa 599 Abscisão após a senescência 671673 definição 665 Abscisão foliar ajustamento temporal e regula ção 684686 fases de desenvolvimento 684 686 zona de abscisão 684686 Absorção da água fases durante a germinação da semente 520523 modificação da arquitetura do sistema de raízes para otimi zar 579 pelas raízes 100105 Absorção de dióxido de carbono razão da transpiração 116117 transpiração e 99100 110111 112114 Absorção de nutrientes absorção de água pelas raízes 100105 absorção de íons minerais pelas raízes 134140 efeito da rizobactérias na 697 698 efeito das propriedades do solo na 131134 modificação da arquitetura do sistema de raízes para otimi zar 579 por pelos das raízes 100102 136137 164165 redes micorrízicas e 583 Abutilon 3940 4041 102103 Acacia 554 627 Açafrãodooutono 5859 Acanthus mollis acanto péde urso 305306 ACC ácido 1aminociclopropa no1carboxílico 423 426 429 431 586587 ACCoxidase ACO 423 426 658659 659660 748750 ACCsintase ACS 423 426 658659 659660 660661 747 748750 Acelgachinesa 5859 Aceptor de elétrons artificial 178179 localização no cloroplasto 181 182 182183 na fotossíntese 172173 no PSI 192194 redução pela clorofila excitada 186188 Yz 189 Aceptores artificiais de elétrons 178179 Acer pseudoplatanus sicômoro 593 Acetaldeído 320 319 321 AcetilCoA biossíntese de ácidos graxos 346 347 ciclo do ácido cítrico 328329 ciclo do glioxilato 349351 efeito na atividade da piruvato desidrogenase 338 em uma possível reengenharia genética da fotorrespiração 219221 metabolismo do PEP e do piru vato 330331 AcetilCoA carboxilase 346 347 485486 Acetilação 65 6768 AcetoacetilACP 346 347 Acetobacter 361362 A diazotrophicus 362363 Acetossiringona 7576 Ácido 1aminociclopropano1 carboxílico ACC 423 426 429 431 586587 Ácido 1naftalenoacético ANA 417 Ácido 1naftoxiacético 488489 Ácido 12oxoZ9decenoico 714 Ácido 13hidroperóxilinolênico 714 Ácido 2metóxi36dicloroben zoico dicamba 417 Ácido 235triiodobenzoico TIBA 576 Ácido 24diclorofenoxiacético 24D 417 422423 Ácido 3indolacético AIA absorção e efluxo 486490 biossíntese 420423 estrutura 415416 gravitropismo nos coleóptilos 528529 no fototropismo 535539 regulação homeostática 422 423 423 transportadores nas raízes 532533 Ver também Auxina Ácido 3indolacéticoamido sin tase 747 Ácido 5aminolevulínico 200 Ácido abiético 702 Ácido abscísico ABA biossíntese 423 426 428 como um regulador positivo da senescência 680681 dormência primária e 516517 em respostas ao estresse abió tico 744746 estrutura 415416 fechamento estomático induzi do pelo ABA durante o estres se hídrico 472473 735736 754757 funções do 418419 419420 inibição da síntese da αamilase estimulada por GA 523524 526527 na maturação da semente 654 655 níveis de flutuação em tecidos vegetais 426 428 razão ABAGA como o deter minante primário da dormên cia da semente 517520 regulação da razão entre as biomassas da raiz e da parte aérea durante o estresse hídri co 757758 resposta do parênquima do xilema ao 165166 transporte no floema 312313 Ácido alantoico 294 367368 Ácido ascórbico 332333 338340 Ácido azelaico 721722 Ácido bórico 160161 165166 Ácido cianídrico 704705 Ácido cítrico citrato ciclo do ácido cítrico 328329 como um quelador de ferro 124125 371373 durante o amadurecimento de frutos 658659 no metabolismo da PEP e do piruvato 330331 transporte transmembrana nas mitocôndrias 333334 335 Ácido desoxirribonucleico DNA cromatina 5152 estudos de mutagênese 7274 metilação ver Metilação do DNA replicação durante o ciclo celu lar 3537 Ácido dietilenotriaminapentacé tico DTPA 124 124125 Ácido esteárico 344 346 753 Ácido etilenodiaminaNN biohidroxifenilacético ooEDDHA 124 Ácido etilenodiaminatetracético EDTA 124 Ácido fenilacético 417 Ácido ferúlico 389390 Ácido fórmico 699 Ácido fosfatídico como um mensageiro secundá rio 413415 415 472473 estrutura 343344 síntese 346 347 Ácido galacturônico 382383 388 Ácido gamaaminobutírico GABA 328329 Os números de página em itálico indicam que a informação se encontra em uma figura ou tabela TaizIndice3indd 811 TaizIndice3indd 811 27102016 094021 27102016 094021 812 Índice Ácido giberélico GA3 descoberta do 417418 doença da planta boba e 715717 em resposta aos estresses abióticos 747 interações com ácido salicílico 747 Ácido glicurônico 382383 Ácido glutâmico 200 Ácido graxo sintase 344 346 347 Ácido indol3butírico AIB 422423 Ácido isocítrico isocitrato ciclo do ácido cítrico 328329 ciclo do glicoxilato 349350 350351 no metabolismo de PEP e piru vato 330331 transporte transmembrana nas mitocôndrias 333334 Ácido jasmônico AJ biossíntese 708710 desenvolvimento de pelos das raízes e 546547 estrutura 415416 indução de proteínas antidi gestivas 710 712 indução de respostas de defesa aos insetos herbívoros 348 349 708710 mediação da sinalização pela maquinaria da ubiquitinação e degradação de proteínas 439 440 440 na produção sistêmica de inibi dores de proteinases 710 712 711 no desenvolvimento de trico mas foliares 565 regulação da resposta de defesa pelos ritmos circadianos me diada pelo AJ 714 715 regulação da senescência foliar 681683 regulação descendente pela sinalização de cálcio 708709 resistência sistêmica induzida e 723724 724725 resposta à sinalização elétrica durante a herbivoria por inse tos 712713 resposta aos eliciadores deriva dos de insetos 706708 Ácido jasmônicoisoleucina AJ Ile 709710 Ácido láurico 344 346 Ácido linoleico 11 13 344 346 658659 753 Ácido linolênico 11 13 344 346 348349 658659 753 Ácido málico 261 371373 658 659 Ácido mirístico 12 11 13 344 346 Ácido N1naftilftalâmico NPA 489490 539 Ácido nítrico fixação fotoquímica de nitrato 355356 pH do solo e 133134 Ácido oleico 11 13 344 346 753 Ácido oxálico 699 Ácido palmítico 12 11 13 344 346 753 Ácido pentético 124 124125 Ácido piscídico 371373 Ácido salicílico AS como um regulador positivo de senescência 681683 estrutura 415416 interações com ácido giberé lico nas respostas ao estresse abiótico 747 na resposta hipersensível 720 nas flores termogênicas 336 337 regulação na resposta de defe sa por ritmos circadianos 715 resistência sistêmica adquirida e 721724 resposta de defesa aos sugado res de floema 707708 Ácido silícico 160161 Ácido sulfúrico 133134 368369 Ácido tartárico 370 699 Ácidos dicarboxílicos 333334 335 Ácidos graxos biossíntese 344 346 347 eliciadores derivados de inse tos 706708 estruturas 344 346 na síntese de glicerolipídeos 346349 nos lipídeos de membranas de plantas sensíveis ao resfria mento e plantas resistentes ao resfriamento 752 753 βoxidação 2324 349351 saturados e insaturados 11 13 triacilgliceróis 343344 346 Ácidos graxos de cadeia muito longa VLCFAs 485486 Ácidos graxos insaturados 11 13 344 346 Ácidos graxos poliinsaturados 752 753 Ácidos graxos saturados 11 13 344 346 752 753 Ácidos orgânicos na seiva do floema 291292 Ácidos ribonucleicos RNAs como sinais móveis no floema 312314 mecanismos regulando a esta bilidade 6768 na seiva do floema 292293 Ácidos tricarboxílicos 333334 335 Ácidos urônicos 382383 AcilACP 344 346 347 AcilCoA graxo 350351 AcilCoA graxo sintetase 349 350 350351 AcilCoADAGaciltransferase 348349 Acil hidrolases 413415 Aclimatação ajuste osmótico ao solo seco 748750 alteração dos lipídeos de mem brana em resposta ao estresse abiótico 752753 alterações metabólicas das plantas 759760 chaperonas moleculares e an teparos moleculares na 751 752 definição 733 desenvolvimento do aerên quima em resposta à hipoxia 748751 exclusão e tolerância interna de íons tóxicos 753754 fechamento estomático induzi do pelo ABA durante o extres se hídrico 472473 735736 754757 plasticidade fenotípica na 756 758 proteínas crioprotetoras e anti congelamento 753755 resposta das folhas ao sol e à sombra 249251 rotas antioxidantes e de inati vação de EROs em resposta ao estresse oxidativo 750752 tolerância interna de metais pesados mediante fitoquelati nas e queladores 753754 tolerâncias das plantas às flu tuações ambientais e 733734 Aclimatação sistêmica adquirida SAA 743744 744745 Acompanhamento do sol 249 447 Aconitase 328 328329 349350 Aconitato 333334 180ACPdessaturase 347 Acrópeto 529530 Actina 2830 29 31 Ver também Actina F Microfila mentos Actina F movimento dos cloroplastos regulados por fototropinas e 469471 no fragmoplasto 39 nos microfilamentos de actina 30 29 31 Actina G 2829 30 29 31 Açúcar da beterraba Beta vulga ris 134135 266267 291292 300 Açúcar nucleotídeo polissacarídeo glicosiltransferases 386 Açúcares análise dos isótopos de carbo no 265267 carga do floema 300306 gliconeogênese 321323 hipótese de amidoaçúcar do movimento estomático 273 275 hipótese de amidoaçúcar nos cloroplastos das células guarda 274 275 importação pelos drenos 305 308 metabólitos secundários tóxi cos conjugados com 702705 na seiva do floema 291292 292293 294 nas paredes celulares 382383 regulação da senescência foliar 680681 translocação no floema 285 286 293 295296 ver também Translocação no floema Ver também Frutose Glicose Sacarose Açúcaresalcoóis 292293 294 305306 748750 Açúcares fosfato 208209 Açúcares não redutores 292293 294 Açúcares redutores 292293 294 Acúleos 698699 Adaptação 733 Adenilato quinase 222 224 Adeninas nucleotídeos 338339 Adenosina5fosfossulfato APS 368370 Adesão capilaridade e 8586 definição 8485 Adesão celular pectinas e 388 Adesina no estigmaestilete rica em cisteína SCA 637638 Adiantum 276 ADPglicose 233 234 235 ADPglicose pirofosfato 310311 ADPglicose pirofosforilase 233 234 238239 Aerênquima 341343 748751 Aerênquima induzido 748750 750751 Aeroponia 122123 123124 Aeschynomene 362363 Aesculus hippocastanum castanha daíndia 577578 Afídeos coleta da seiva do floema com 292293 resposta dos genes R vegetais aos efetores 718719 rotas de sinalização vegetal ativadas por 707708 Agave 686687 687688 Agave 699 A americana 686687 687688 A weberi 699 Aglicona 704 Agricultura aumentando a biomassa por engenharia genética da fotor respiração 218221 controle e manipulação do amadurecimento do fruto 661662 esterilidade masculina cito plasmática 640641 impacto nas micorrizas 138 139 pesquisa para aumentar a tole rância das culturas vegetais ao estresse abiótico 759760 Ver também Culturas vegetais Agrobacterium tumefaciens 7576 TaizIndice3indd 812 TaizIndice3indd 812 27102016 094021 27102016 094021 Índice 813 Água absorção pelas raízes 100 105 ver também Absorção da água crescimento celular expansivo e 396397 difusão e osmose 8689 elementos essenciais obtidos da 120121 estado fisicamente metaestável no xilema 108110 estrutura e propriedades 8387 hidratação do pólen sobre o estigma 634 movimento através das mem branas via aquaporinas 9597 ver também Movimento da água na vida da planta 8384 nas paredes celulares primá rias 391393 no solo 99102 oxidação pelo PSII na fotossín tese 188189 potencial químico e energia livre 8889 produção no transporte mito condrial de elétrons 330331 331 relação da absorção do dióxido de carbono e perda de água da planta 99100 Água do solo movimento da 99102 nutrientes minerais e 131133 potencial de pressão e a teoria de coesãotensão de ascensão da seiva 107109 potencial hídrico do solo 100 102 visão geral do continuum solo plantaatmosfera 116117 AIA Ver Auxina Ácido 3indo lacético AIAH 486489 Aipo Apium graveolens 4243 516517 Ajuste osmótico 748750 Álamos micorrizas 137139 senescência foliar sazonal 673 675 675 Alanina na fotossíntese C4 222 224 rota biossintética 359360 360361 Alantoína 294 367368 Alcaloides 699700 Alchemilla vulgaris 103105 Álcool desidrogenase 320 322 323 660661 Aldolase 204205 208 238239 320 Alelopatia 693 725726 Alface Lactuca sativa 449451 518520 546547 Alfafa Medicago dormência da semente imposta pela casca 516517 movimento das folhas para reduzir o excesso de energia luminosa 254255 rizóbios simbiontes 362363 sistema de raízes pivotantes 134135 Algas movimento dos cloroplas tos para reduzir a energia lumi nosa 253254 Algas verdes 148149 Algodoeiro Gossypium hirsutum abscisão foliar em resposta ao estresse hídrico 756757 curva de pressãovolume e pressão de turgor 9596 Allard Henry 597 Allium cepa Ver Cebola Alongamento celular auxina e a hipótese do cresci mento ácido 528529 na resposta ao fototropismo 535536 nos meristemas 5 89 Alongamento do caule induzido por auxina durante o estabelecimento da plântula 524 526529 inibição pelos fotorreceptores de luz azul e de luz vermelha 466467 Alonsoa A meridionalis 305306 A warscewiczii 291 Alopoliploides 5660 6061 Alotetraploides 6061 Alpiste Phalaris canariensis 417 Alternância de gerações 25 625627 Alumínio acumulação em tecidos vege tais 122123 impacto do estresse nas plan tas 736737 nas partículas do solo 131132 Amadurecimento de frutos climatérico 340341 658660 controle epigenético do 660 662 definição 657658 enzimas degradadoras de pare des celulares 658659 etileno e 658661 importância comercial e mani pulações 661662 mecanismos moleculares de controle 660661 661662 mudanças em ácidos açúcares e compostos aromáticos 658 659 mudanças na cor dos frutos 657659 regulação transcricional 660 661 Amaranthaceae 389390 Amborella 585586 Amendoim 367368 Amidas 367368 Amido acumulação e partição 230231 biossíntese no endosperma amiláceo 648649 conversão em açúcares durante o amadurecimento do fruto 658659 degradação à noite 236237 degradação estimulada por GA durante a germinação 522 524 526527 dinâmica amidoaçúcar nos cloroplastos das célulasguar da 274 275 estrutura e síntese 232 233 235 hipótese amidoaçúcar do mo vimento estomático 273 275 hipótese amidoestatólito do gravitropismo 530532 produzido a partir das trioses fosfato do ciclo de Calvin Benson 204205 208209 regulação da síntese e degrada ção 237239 transitório 230231 233 236 237 Amido sintase 233 234235 Amieiros 360362 Amigdalina 705 αamilase na degradação do amido à noi te 236 237 produção estimulada por GA durante a germinação 522 524 526527 βamilase 236 237 522523 Amilases na degradação do ami do à noite 236 237 Amilopectina degradação 236237 estrutura e síntese 232 233 235 Amiloplastos 522523 530532 650651 Amilose biossíntese 233 234 estrutura 232 233 382 Aminoácidos assimilação do amônio e 357 360 biossíntese 359360 360361 na seiva do floema 291292 292293 294 na síntese de proteínas 16 Aminotransferases 358359 359360 Ammophila 561 Amônia na fixação do nitrogênio 353 354356 pH do solo e 133134 Amonificação 354 Amônio absorção pelas raízes 136137 absorção por ectomicorrizas 139140 adsorção às partículas do solo carregadas negativamente 132133 assimilação 357360 deposição de nitrogênio at mosférico 120121 efeito da disponibilidade no crescimento das raízes 137 138 efeito na atividade da piruvato desidrogenase 338 fixação 354 gerado no ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 212 214 213 215217 na assimilação de nitratos 353 357 357358 373374 na fixação biológica de nitrogê nio 353 na solução de Hoagland modi ficada 123124 no ciclo biogeoquímico do ni trogênio 354356 pH do solo e 133134 toxicidade 355356 Amoreira Morus 702 Amorpha canescens plantachum bo 579 Amplitude de ritmos circadianos 596597 Anabaena 361363 Anáfase mitose 37 39 38 Anáfase I e II meiose 55 56 Análise de tecidos vegetais 129 130 Análise do solo 129130 Análise por microarranjo 7374 Análises cinéticas de processos de transporte de membrana 154157 Anamox oxidação anaeróbica de amônio 354 Ananas comosus abacaxi 612 Anatomia foliar 6 Anatomia Kranz 222 223 224 especialização para absorção da luz 247248 folhas de sol e folhas de som bra 246 Andropogon A gerardii 579 A scoparius 579 Aneuploidia 5961 Angiospermas abertura dos estômatos 116 117 características dos elementos de tubo crivado 287288 células condutoras do xilema 103105 ciclo de vida 4 35 686687 687688 desenvolvimento do saco em brionário do tipo Polygonum 630632 estrutura da semente 514516 fecundação dupla 4 35 638 640 lenho de reação e lenho de ten são 408 na evolução vegetal 23 organização em camadas do meristema apical do caule 502 TaizIndice3indd 813 TaizIndice3indd 813 27102016 094021 27102016 094021 814 Índice plântulas epígeas e hipógeas 524 526527 respostas fotorreversíveis in duzidas pelos fitocromos 453 tipos de células epidérmicas 561 visão geral 13 Ângulo da folha absorção da luz e 249 Ângulo de contato 8485 8586 Ângulo do valoralvo gravitrópi co 548549 Anidrido 207 Ânions níveis de concentração em tecidos da raiz da ervilha 147 148 148149 no citosol e no vacúolo 148149 potencial de difusão 146 transportadores 160161 Anoxia fermentação e 322323 Anteras 627 628 Anteraxantina 196197 197198 252254 Anterídio 35 Antioxidantes 741742 750752 Antípodas 482 Antiporte 154155 Antirrhinum 555556 615616 620 662 A majus 555556 620 Antocianinas níveis de manipulação em fru tos 662 no amadurecimento do fruto 657659 Anuais 686687 732733 APA2 443 444 Aparato filiforme 631632 Aparelho oosférico 631 631632 Aphis nerii afídeo de oficialde sala 702703 Ápice da raiz anatomia do 6 fluxo polar de auxina 486487 formação durante a embriogê nese 481482 Ápice do caule anatomia do 6 definição 501 embrião das angiospermas 514515 515516 fluxo polar da auxina 486487 mudanças de fases 592595 Apiose 382383 Apium graveolens aipo 4243 516517 Apocarotenoides 658659 Apomíticos 642643 Apomixia 642643 Apoplasto acidificação em resposta ao fototropismo 535536 definição 5 8 102103 164165 movimento da água nas raízes 102103 103 movimento de íons e solutos nas raízes 164165 rotas de descarregamento do floema 305307 Apoproteínas PHY 454 Apoptose 666668 Aprisionamento de organelas 3335 APSredutase 368369 APSsulfotransferases 368369 Aquaporinas funções das 160162 movimento da água através de membranas celulares e 9597 movimento da água nas raízes 102103 regulação das 161162 Arabidopsis aquaporinas 160161 assimilação de sulfato em 369 370 carregamento do xilema 165 166 como um organismomodelo 478 complexo sinaptonêmico 56 crescimento celular em mutan tes deficientes em xiloglucano 399400 criptocromos 463466 desenvolvimento de raízes la terais 547548 desenvolvimento do endosper ma 644646 desenvolvimento do fruto 655 657 656 desenvolvimento do rudimento seminal em 630 631 desenvolvimento dos órgãos florais 612620 desenvolvimento dos pelos da raiz 544545 545547 diferenciação de nervuras foliares hierarquicamente su periores 569571 DNA mitocondrial 334 336 efeito de mutações na metila ção nos transpósons 5354 elementos de tubo crivado 287 288 embriogênese 480496 epiderme foliar e células epi dérmicas 7 3940 estágios da polinização 633 634 estrutura da semente 643644 evolução da casca da semente 650651 ferritinas 371373 florescimento regulado em 609610 611 612 genes dos canais catiônicos 158159 genes relacionados à abscisão 685686 genoma nuclear 1314 5152 hipótese de crescimento em multirrede 393395 incapacidade de formar micor rizas 138139 influência de microtúbulos corticais na orientação das microfibrilas de celulose em raízes 396 iniciação e desenvolvimento do traço foliar 568569 iniciação e desenvolvimento dos tricomas 563565 isoformas de fitocromos na evitação à sombra 541 meristema apical da raiz 496 501 501 meristema apical do caule 500 508 mitocôndrias 327 movimentos dos cloroplastos regulados por fototropinas 469471 mudanças de fases reguladas por miRNAs 594595 mutante com autofagia 671 mutante fass 484485 mutante pin1 489490 490491 mutante scarecrow 532533 mutante sem abscisão foliar 684685 mutante transparent testa 516 517 mutantes da proteína P 289291 mutantes de plântulas defei tuosas 485486 mutantes deficientes em bras sinosteroides 419420 420 421 mutantes max 574 576576 mutantes npq1 276277 pólen 628629 proteínas de transporte 149150 resposta da sinalização elétrica ao ataque de herbívoros 712 713 resposta imunológica desenca deada por MAMP 717 respostas aos fitocromos A e B 459460 respostas de defesa induzidas reguladas pelos ritmos circa dianos 714 715 sacarose invertase 321322 senescência foliar e fatores de transcrição WRKY 679680 senescência foliar induzida pelo escuro 675676 senescência foliar regulação da 679684 senescência foliar rotas meta bólicas com regulação ascen dente ou descendente durante a 676677 677678 sensibilidade ao resfriamento 348349 sinalização do cálcio em res posta à herbivoria por insetos 707709 supressão das gemas axilares durante a senescência mono cárpica 688690 transgênicos starch excess 1 236 transição do dreno para a fonte nas folhas 308309 transportador SOS1 do tipo antiporte 159160 transportadores de fosfato 160161 transportadores de nitrato em mutantes 157158 transporte de proteínas no floema 312314 transporte pelos poros da placa crivada e pelos elementos de tubo crivado 298 vernalização 606607 voláteis de folhas verdes e 714 ARABIDOPSIS RESPONSE RE GULATOR ARR 432 433434 Arabidopsis transgênico starch excess 1 sex1 236 Arabidopsedotale ervaestrela da Ver Arabidopsis Arabinanos 388 388390 Arabinogalactano tipo 1 388 388389 Arabinose 382383 382383 388389 Arabinoxilano 382 389390 391 Arachnis 367368 Araucaria 702 Arbúsculos 138139 139 Archaeplastidae 203 Área foliar plasticidade em resposta ao estresse abiótico 756758 Áreas crivadas 45 Areia fina 131132 Areia grossa 131132 ARFs Ver Fatores de resposta à auxina Argilas de silicato 131132 132 133 Arginina 359360 360361 Armole triangular 251253 Arnold William 177 Arnon Daniel 193194 Arquegônio 35 Arquitetura do sistema de raízes ampliação pelas redes micorrí zicas 583 condições afetando o cresci mento na rizosfera 133135 definição 579 diferenças entre monocotiledô neas e eudicotiledôneas 580 580581 diversidade nas espécies vege tais campestres 579 estruturas comuns 134136 extensão da 133134 134135 modificação para otimizar a absorção de água e nutrientes 579 mudanças em resposta às defi ciências de fósforo 580582 ARR 432 433434 Arroz Oryza sativa absorção de amônio pelas raízes 136137 acumulação de arsenito e 160 161 aerênquima 341343 748751 análise da razão entre isótopos de carbono 265266 aumento do teor de βcaroteno 7778 TaizIndice3indd 814 TaizIndice3indd 814 27102016 094021 27102016 094021 Índice 815 deposição de calose em respos ta aos insetos sugadores de floema 289291 doença da planta boba 417 418 715717 efeitos da seca no 732 733 mutantes gid1 523524 paredes celulares do parênqui ma do caule 382 Arroz dourado 7778 Arsênico envenenamento em seres hu manos 160161 impacto nas plantas 736737 solos contaminados com arsê nico 733734 Arsenito 160161 Artemísia Artemisia tridentata 714 Árvore candelabro Sequoia sem pervirens 478 Árvores ângulo do valoralvo gravitró pico das ramificações 548549 carregamento passivo do floema 304 declínio no crescimento e na senescência da planta inteira relacionado à idade 688690 desafios do transporte de água nas 108111 diferença de pressão requerida para mover a água ao longo da altura das 107108 eficiência no crescimento e na massa foliar total da árvore 690 estrutura do dossel e a absor ção da luz 248 respostas ao estresse mecânico 408 teoria de coesãotensão de as censão da seiva 107109 Asarum caudatum 251252 Asclepias curassavica oficialde sala 702703 Ascomycetes 137138 697698 Ascorbato 750751 751752 Ascorbato peroxidase 741742 750751 751752 Asparagina na assimilação de amônio 358 359 359360 373374 na seiva do floema 292293 294 rota biossintética 359360 360361 Asparagina sintetase AS 358 359 359360 373374 Aspartato na assimilação de amônio 358 359 359360 373374 na fotossíntese C4 221222 224 na seiva do floema 292293 294 rota biossintética 359360 360361 Aspartato aminotransferase AspAT 222 358359 359360 373374 ASPARTYL PROTEASE2 APA2 443 444 Aspergillus nidulans 452 Assimilação de nutrientes amônio 357360 biossíntese de aminoácidos 359360 360361 cátion 370373 consumo de energia pela 353 definição 353 energética da 371374 enxofre 367370 fixação biológica de nitrogênio 359368 ver também Fixação biológica de nitrogênio formação de compostos orgâ nicos complexos 354 fosfato 369370 nitrato 356358 oxigênio 371373 Associação rizóbioleguminosa 695 697 696 Associações actinorrízicas 360 363 695 697 696 Associações micorrízicas 136 140 695 697 Associações micorrízicas arbus culares absorção de nutrientes pelas raízes e 136139 idade evolutiva das 695 697 movimento de nutrientes entre fungos e raízes 139140 rota de sinalização 695 697 698 Ásterdourzal Aster ericoides 579 Aster ericoides ásterdourzal 579 Astragalus 122123 Ativadores 6465 65 67 Atividade do dreno 311312 ATPsintase comparada em cloroplastos mitocôndrias e bactérias pur púreas 195196 composição da subunidade 194195 HATPase e 149150 na fosforilação oxidativa 318 319 na fotossíntese 186187 194 195 nos cloroplastos 2526 2627 181182 182183 194 síntese de ATP mitocondrial 2425 194195 328331 331 332334 ATPsulfurilase 368369 369370 ATPase 194195 Ver também ATPsintase ATPases do tipo P 161163 Atricoblastos 545547 Atriplex 222 224 A glabriuscula 256257 A triangularis 251253 Aumento da biomassa mediante engenharia genética da fotorres piração 218221 Autoconstrução de polímeros da parede celular 393 Autofagia degradação dos cloroplastos durante a senescência foliar 675676 na xilogênese 543544 rota da autofagia 668669671 Autofagossomos 2223 668669 670 Autofosforilação em fototropi nas induzida pela luz azul 469 469470 Autoincompatibilidade SI 640 642 642643 Autoincompatibilidade esporofíti ca SSI 641642 642643 Autoincompatibilidade gametofí tica GSI 641642 642643 Autólise 667668 Ver também Morte celular pro gramada Autopolinização definição 631633 versus polinização cruzada 639642 642643 Autopoliploides 5660 6061 Autotetraploides 5758 6061 AUXIN BINDING PROTEIN1 ABP1 422423 436 Auxina abertura do gancho plumular da plântula e 539 abscisão foliar e 684686 absorção e efluxo 486490 biossíntese 420423 como um morfógeno durante a embriogênese 486487 como um regulador negativo da senescência 683684 crescimento da lâmina foliar e 558560 crescimento secundário e 585 587 descoberta da 417 desenvolvimento dos pelos da raiz e 545547 desenvolvimento foliar ada xialabaxial e 558559 efeitos no crescimento do calo 418419 efluxo e influxo 529530 emergência de raízes laterais e 547549 estimulação do crescimento em caules e coleóptilos durante o estabelecimento das plântu las 524 526529 estrutura 415416 expansão da parede celular e 411412 528529 fototropismo e 469 535537 gravitropismo e 528530 532 533 hipótese do crescimento ácido 528529 inibição do crescimento da raiz durante o estabelecimento da plântula 524 526527 interação com o etileno 747 métodos de determinação dos níveis de auxina nas plantas 491492 na diferenciação vascular 542 543 na dominância apical e na regulação hormonal do cres cimento das gemas axilares 573577 na formação e na manutenção do meristema apical da raiz 499501 na iniciação da folha 507508 554555 na iniciação do meristema axi lar 573574 na iniciação e no desenvolvi mento das nervuras foliares 566573 na resposta de evitação à som bra 577578 no desenvolvimento de folhas compostas 560 no desenvolvimento do saco embrionário 631632 padronização do mersitema apical do caule e 502503 505 504 505506 regulação homeostática 422 423 423 regulação por auxinacitoci nina do desenvolvimento da parte aérea e da raiz 500501 501 resposta de curvatura do cole óptilo 407 417 transporte ver Transporte de auxina Transporte polar de auxina Auxinas sintéticas 417 422423 AuxRE 439440 500501 Aveia Avena sativa crescimento do coleóptilo in duzido pela auxina 524 526 528 desenvolvimento dos plastí dios 2728 gravitropismo 528529 nitrato e outros compostos nitrogenados na seiva do xile ma 357358 respostas de fluência muito baixa 458 Aveleira europeia Corylus avella na 516517 Avena sativa Ver Aveia Avicennia 341343 Azolla 361363 395396 498499 Azorhizobium 360361 361362 Azospirillum 361362 Azotobacter 361363 B Bacillus B subtilis 697698 B thuringiensis 7778 fixação de nitrogênio 361362 Bactérias efeitos do pH do solo nas 132 134 TaizIndice3indd 815 TaizIndice3indd 815 27102016 094021 27102016 094021 816 Índice na fixação biológica de nitrogê nio 360362 sistema regulador de dois com ponentes 431 433434 Bactérias aeróbicas fixação de ni trogênio 361362 362363 Bactérias anaeróbicas 361362 362363 Bactérias facultativas fixação de nitrogênio 361362 362363 Bactérias fotossintéticas anoxigênicas 182183 185 bactérias fotossintéticas pur púreas 183 185 187188 195 196 Bactérias gramnegativas 718 Bactérias não patogênicas re sistência sistêmica induzida e 723725 Bactérias verdesulfurosas 183 185 Bacterioclorofilas bacterioclorofila a 174 175176 centro de reação 187188 estrutura e função 174 175176 Bacteroides 366 Bagas 655 657 Bainha 554 Bainha amilífera 532533 533 534 Bainha do feixe descrição da 285286 fotossíntese C4 e 222 223 224 parênquima 6 Bambumadeira japonês Phyllos tachys bambusoides 686687 Bananas 661662 Banda préprófase 37 38 39 Banksia 132133 Baptisia leucantha 579 Barreiras mecânicas aos patóge nos e herbívoros 698700 Basidiomycetes 137138 697698 Basípeto 529530 Bassham J A 203204 Batata Solanum tuberosum análise da razão entre isótopos de carbono 265266 estabelecimento da polaridade adaxialabaxial da folha 555 556 gene H1 724725 temperatura e respiração pós colheita 341343 transporte de mRNA no floema 313314 Beal W J 654655 Begoniaceae 561 Beijerinckia 361362 Benson A 203204 Benzoxazinoides 704 Beta B maritima 291 B vulgaris 134135 266267 291292 300 Beterrabas 291 515516 Ver também Açúcar da beterra ba Betula B pendula 684685 B verrucosa 593 ectomicorrizas 137138 efeito do etileno na abscisão foliar 684685 necessidade de luz para a ger minação da semente 518520 Bétulaprateada Betula verruco sa 593 Betulaceae 137138 Bétulas Ver Betula Beyer Peter 7778 Bicamadas fosfolipídicas 911 13 Bicarbonato na fotossíntese C4 221 222 Bienertia 223 224225 B cycloptera 223 13bifosfoglicerato 207 319321 321322 Bignonieae 585586 Biobalística 7577 Biocombustíveis 379 Biologia de sistemas 443 Biomassa celulósica 379 Biosfera nutrientes minerais na 119120 Biossíntese acoplamento de rotas da respi ração à 338340 rota da pentose fosfato e 326 327 Bivalentes 56 BKI1 436 Blackman F F 245 Bocadeleão 555556 615616 620 662 Bolhas de gás desafios ao trans porte de água no xilema 109111 Bombas definição 152153 tipos de 152154 Ver também Bombas eletrogêni cas HATPases Bombas de prótons Bombas de óleo de mostarda 704 Bombas de prótons ativação nas célulasguarda pela luz azul 271273 275 osmorregulação nas células guarda e 275 Ver também HATPases Bombas eletrogênicas HATPases vacuolares 162 164 potencial de membrana e 148 150 Borato 165166 Borboletamonarca Danaus plexi ppus 702703 Boro carregamento do xilema na raiz 165166 efeito do pH do solo na dispo nibilidade 130131 mobilidade dentro de uma planta 124125 nas paredes celulares 160161 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 papel bioquímico e funções fisiológicas 121122 125128 Borszczowia aralocaspica 223 224225 Botãodeouro 381 Boussingault JeanBaptisteJose ph Dieudonné 122123 Bouteloua curtipendula side oats gramma 579 BphPs 452 454 454455 BRSIGNALING KINASE1 BSK1 436 Brachypodium distachyon 1415 Brácteas 553 Bradyrhizobium 360361 361362 Brassica B carinata 5859 B juncea 5859 490491 B napus 5859 419420 B nigra 5859 B oleracea 5859 B rapa 5859 656 661662 Brassicaceae alopoliploidia 5859 desenvolvimento do rudimento seminal em 630 631 incapacidade para formar mi corrizas 138139 sistema de autoincompatibili dade 641642 superfície do estigma 634 Brassicales 702704 Brassinolídeo 419420 434 436 Brassinosteroides biossíntese 426 428429 como reguladores positivos da senescência 681683 desenvolvimento dos pelos da raiz e 546547 em respostas aos estresses abióticos 747 estrutura 415416 experimentos de transporte 429 431 formas ativas de 419420 funções dos 419421 na diferenciação vascular 543 544 no desevolvimento do saco em brionário 631632 regulação da dormência da se mente 518520 regulação homeostática 428 429 rota de transdução de sinal 434 436436 supressão da fotomorfogênese no escuro 537538 BRE Ver Elemento de reconheci mento do TFIIB Brefeldina A 491492 BRI1ASSOCIATED RECEPTOR KINASE1 BAK1 434 435 436 BRI1KINASE INHIBITOR1 BKI1 436 Briggs Winslow 466467 Briófitas 12 23 453 Brócolis 5859 Bronzeamento 127128 Brucella abortus 461462 Brünning Erwin 599600 Bryophyllum 598599 612 B calycinum 225 228229 Buchloe dactyloides gramade búfalo 579 Bufasdelobo 139140 Bulbochaete 1718 ButirilACP 346 347 C Ca2ATPases 159162 Cactos 9495 262 δcadineno 701702 702 Cádmio 736737 Caenorhabditis elegans 6970 Calamagrostis epigeios 686687 Calase 627 Calaza 630 631 Calcário mineral 129131 Cálcioíons cálcio absorção pela raiz na cevada 136137 assimilação 370371 canais de cátion vacuolar e 159160 carregadores 159161 como mensageiros secundá rios 410412 413 533534 complexos de coordenação 370 370371 complexos eletrostáticos 370 371 concentração nos tecidos da raiz de ervilha 147148 148 149 crescimento do ápice do tubo polínico e 635636 637638 efeitos do pH do solo no 130 131 133134 géis de pectina e 389390 gesso 132133 mobilidade dentro da planta 124125 mudanças de pH dependentes do cálcio 411412 413 na formação de aerênquima induzido 748750 na intolerância interna de íons sódio 753 na percepção da gravidade 533534 na resposta hipersensível 720 na ruptura do tubo polínico durante a fecundação 639 640 na sinalização da nodulação 363365 695 696 697 na síntese da αamilase induzi da por GA 523524 525 nas cascatas de transdução induzidas por eliciadores do patógeno 718719 nas respostas alelopáticas 726 nas respostas de defesa indu zidas contra a herbivoria por insetos 707709 nas rotas de sinalização de res posta ao estresse 740743 nas rotas de transdução de si nal 159160 TaizIndice3indd 816 TaizIndice3indd 816 27102016 094021 27102016 094021 Índice 817 níveis requeridos nos tecidos pelas plantas 120121 no citosol e no vacúolo 148149 no fechamento estomático induzido pelo ABA durante o estresse hídrico 754756 oxidação da água na fotossínte se e 189 papel bioquímico e função fi siológica 121122 127128 polarização dos grãos de pólen e 635636 regulação da atividade da NADPHoxidase 413415 regulação pela calmudolina de 159161 Calendula officinalis 608609 Caleosina 2324 Calluna vulgaris urzeescocesa 627 687 Calmodulina CaM IQD1 e 707708 papel bioquímico do complexo calmodulinaCa2 127128 proteínas sensoras de cálcio e 411412 regulação dos níveis do íon cálcio 159161 Calo 419 500501 Calor dissipação do acúmulo de calor pelas folhas 255257 impacto quando combinado com outros estresses abióticos 737740 Ver também Temperatura alta Calor específico 8485 Calor latente de vaporização 8485 90 Calose colarinho da parede 5 8 na resposta de hipersensibili dade 720 no floema 44 46 287288 288 291 Calose de lesão 289291 Calose sintase 289291 Calothrix 361362 Calvin M 203204 CAM ocioso 262 CaM Ver Calmodulina CAM Ver Metabolismo ácido das crassuláceas Camada de aleurona conexão funcional à epiderme foliar 648649 desenvolvimento 648649 650651 do endosperma celular 645 646 estrutura 514515 522523 523 no desenvolvimento do endos perma amiláceo 645646 produção de αamilase estimu lada por GA durante a germi nação 522524 526527 Camada de células pigmentadas 650651 Camada de separação 684685 Camada L1 meristema apical do caule 502 503 505 554555 568569 meristema floral 625627 Camada L2 meristema apical do caule 502 503 505 554555 meristema floral 625627 Camada L3 meristema apical do caule 502503 505 554555 Camada limítrofe 110111 112 113 258260 Camalexina 721 Câmaras de pressão 90 Câmbio câmbio fascicular 9 câmbio interfascicular 9 câmbio suberoso 910 583 585586 Ver também Câmbio vascular Câmbio bifacial 584585 585586 Câmbio vascular como um meristema intercalar 495496 crescimento secundário e 910 583585 efeito de fatores ambientais na atividade do 587588 em raízes e caules 6 localização e função 9 910 manutenção das iniciais no 508509 organização do 508 Camellia C japonica 44 C sinensis 44 Campainha Campanula medium 599 Campesterol 426 428 Campos de pontoação 382 Canadeaçúcar análise da razão entre isótopos de carbono 265266 fixação de nitrogênio 361363 Canaflordelírio Canna compac ta 654655 Canais análises cinéticas 154157 canais de ânions 160161 canais de cátions 158160 difusão através de membranas 150152 152153 genes dos 157158 visão geral 156 Ver também Canais iônicos Proteínas de transporte em membranas canais específicos Canais aniônicos 160161 165 166 Canais com portões de nucleotí deos cíclicos CNGCs descrição dos 156 158160 permeáveis ao cálcio 160161 411412 Canais de ânions do tipo S 472 473 Canais de cálcio com portões de nucleotídeos cíclicos 740741 Canais de cátions TPC1SV 156 159160 Canais de efluxo de potássio com portões controlados por volta gem 754755 Canais de íons cálcio regulação e especificidade 150152 rotas de transdução de sinal e 411412 413 sensores de estresse de ação precoce 740741 Canais de íons potássio canais de efluxo 754755 canais Shaker 156 158159 efeitos da cicutoxina nos 701 702 estrutura dos 151152 gene dos 157158 relação com a voltagem da cor rente 152153 tipos de 151152 Canais iônicos difusão através de membranas e 150152 152153 genes dos 157158 patch clamping 150151 Ver também Canais canais iôni cos específicos Canais mecanossensíveis 408 409 409410 Canais MscS 408409 409410 Canais permeáveis a Ca2 regu lados por nucleotídeos cíclicos 160161 Canais receptores de glutamato 159160 Canais regulados por ligantes 158160 Canais retificadores de entrada do potássio 151152 152153 157158 Canais retificadores de saída de K do estelo SKOR 165166 Canais retificadores de saída de potássio 151152 152153 157158 Canais Shaker 156 158159 Canais SKOR 165166 Canais TPKSV 156 158160 Canal de infecção 364365 366 Canal de KCO3 156 158160 Canalização 568569 Canalização da auxina iniciação do desenvolvimento do traço foliar 566569 na emergência dos primórdios foliares 554555 regulação da formação de nervuras foliares hierarquica mente superiores 570571 Canalização da luz 248 Canalização de substratos 323 324 326 Cannabis sativa cânhamo maco nha 122123 Canola 5859 419420 656 661662 Capacidade de troca catiônica CTC 132133 Capilaridade 8586 Capimarroz Echinochloa crus galli var oryzicola 748750 Capimdaíndia Sorghastrum nutans 579 Capimdejunho Koeleria crista ta 579 Capimlanudo Holcus lanatus 733734 Capimporcoespinho Stipa spar tea 579 Capsidiol 721 Captação na camada superior do solo 580581 Carboidratos conexões de carboidratos e lignina nas paredes celulares 404405 conversão de lipídeos de re serva em carboidratos nas sementes em germinação 348351 fontes de carboidratos na glicó lise 319 321322 mudanças nas fases de desen volvimento e 593595 porcentagem da conversão de energia solar em 247 Ver também Fotossintatos Carbonato de amônio 356 Carbonatos 133134 Carbono biossíntese de ácidos graxos 346 347 circulação na fotorrespiração 215216 complexos de cátions ferro 371373 metabolismo do carbono vin culado ao metabolismo do nitrogênio 359360 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 razão entre isótopos de carbo no 263267 Ver também Fotossintatos Carbono inorgânico mecanis mos de concentração ciclo do carbono C4 219225 228229 metabolismo ácido das crassu láceas 225 228231 visão geral 219221 2carbóxi3cetoarabinitol15 bifosfato 207 2carboxiarabinitol1fosfato 208209 Carboxilação do dióxido de carbono no ciclo de CalvinBenson 203207 204205 razão entre isótopos de carbo no 265266 Carboxilato 370371 Cardenolídeos 701703 Cardiolipina 345 Cardo Xanthium strumarium assimilação de nitrato 357 357358 estudos de enxertia no floresci mento 608609 TaizIndice3indd 817 TaizIndice3indd 817 27102016 094021 27102016 094021 818 Índice fitocromo e florescimento 602 604 604605 período escuro e florescimento 599 CArGbox 618620 Carga mutacional 687688 Cariofileno 701702 Carlactona 576 Caroços drupas 657658 Caroços 657658 βcaroteno arroz dourado 7778 como um antioxidante 750751 cor do 175176 espectro de absorção 175176 estrutura 174 síntese de estrigolactonas a partir do 428429 zeaxantina e 3hidroxiequine nona derivadas do 280 Carotenoides ciclo da xantofila 252254 como agentes fotoprotetores 195197 como pigmentos acessórios 175176 estrutura e função 174 175176 inativação de EROs 741742 na canalização da energia para os centros de reação 184 no amadurecimento do fruto 657658 Carpelos desenvolvimento do fruto 655 656 657658 desenvolvimento do gametó fito feminino no ovário 630 632 iniciação 612613 614 Carregadores análises cinéticas 154157 carregadores de ânions 160 161 carregadores de cátions 159 161 cotransporte mediado por car regadores 153155 descrição dos 151152 Ver também Proteínas de trans porte em membranas Carregadores de efluxo de auxina 436 488493 Carregadores de efluxo de auxina PINFORMED PIN desenvolvimento adaxial abaxial da folha e 558559 distribuição da auxina durante a embriogênese e 502503 505 iniciação foliar mediada por auxina e 508 localização polar 490493 na emergência de primórdios foliares 554555 na regulação cruzada secundá ria 444 no desenvolvimento de folhas compostas 560 no transporte polar de auxina 488490 574 576 PIN2 545547 PIN3 532533 533534 535 536 regulação do crescimento po lar 436 Ver também Proteína PIN1 Carregamento apoplástico do floema 300302 304306 Carregamento do floema definição 293 295296 hormônios na regulação 312 313 nervuras e 566 no modelo de fluxo de pressão do transporte no floema 293 295296 rota apoplástica 300302 304 306 rotas simplásticas 300302 302306 visão geral 300302 Carregamento do xilema 164166 Carregamento passivo do floema 304306 Carriquinolida 520 Carúncula 515516 Carvalho Quercus robur 593 Carvalhoamericano Quercus rubra 686687 Carvalhocastanheiro 686687 Carvalhos Quercus ectomicorrizas 137138 plasticidade foliar em resposta ao estresse abiótico 756757 pólen 628629 Casca 910 585586 Casca da semente desenvolvimento 650651 dormência imposta pela casca 516517 sementes de angiospermas 514515 515516 Cascalho 131132 Cascata da MAP proteína ativada por mitógeno quinase 410411 411412 Cascatas de amplificação de sinal 410411 411412 Cascatas MAP3KMAP2K MAPK 743 Caspases 666667 Castanhadaíndia Aesculus hip pocastanum 577578 Castanheiro 138 Castanospermum australe feijão preto 654655 Castasterona 419420 Castilleja chromosa pinceldo deserto 599 Casuarina 361362 C glauca 695 697 Catalase 2325 212213 741742 750751 751752 Catequina 726 Catharanthus roseus 4143 Cátions assimilação 370373 equação de Nernst 147148 ligações não covalentes com compostos de carbono 370 371 níveis de concentração em tecidos da raíz da ervilha 147 148 148149 potencial de difusão 146 Cauda poliA 6364 6465 6768 Caule azul alto big blue stem Andropogon gerardii 579 Caules anatomia nas eudicotiledôneas 6 bainha amilífera e gravitropis mo 532533 533534 crescimentos primário e secun dário 9 fototropismo 535537 função no corpo da planta 35 6 Caulinita 131132 132133 Cavalinha 699 Cavidade de pontoação 105106 Cavitação 8687 109111 CCAAT box 6364 6465 CCCP 271273 cDNA Ver DNA complementar Ceanothus 361362 Cebola Allium cepa célulasguarda 113114 paredes de células de parên quima 381 protoplastos das célulasguar da 272273 semente endospérmica 514 515 515516 Celiferinas 706708 Celobiose 382383 Célula apical 480482 481482 Célula basal 480482 481482 Célula central 625627 631632 639640 Célula do endosperma primário 625627 631632 Célula do tubo 627 628 Célula fundamental da linhagem estomática CFLE 562 Célula generativa 628 Célula lentiforme 482 Célulamãe de célulasguarda CMCG 562564 Célulamãe de megásporo 630 631 631 Célula vegetativa 627628 635 636 639640 Celularização de endosperma ce nocítico 644646 646647 Células origem do termo 1 Ver também Células vegetais Células albuminosas 44 46 Células alveolares 645646 Células antípodas 625627 631 631632 Células arquesporiais 625627 631 Células buliformes 561 Células capitadas 3940 4041 Células companheiras complexo elemento de tubo crivadocélula companheira no carregamento do floema 300306 no floema 45 44 46 285286 287288 tipos e funções de 289291 transporte de proteínas no floema e 313314 Células companheiras ordinárias 289291 Células crivadas 4344 45 285 286 287288 300 Células de clorênquima 224225 Células de transferência 289291 Células epidérmicas desenvolvimento dos estôma tos 562 563564 diferenciação das células guarda 562 iniciação e desenvolvimento dos tricomas 563565 tipos de 561 Ver também Células fundamen tais pavement cells Células espermáticas durante o crescimento do tubo polínico 635636 na fecundação dupla 639640 na microsporogênese 627 628 Células fundamentais pavement cells descrição de 3940 561 expansão por interdigitação às paredes das células nas 393 395 395396 na anatomia foliar 6 Célulasguarda abertura estomática dependen te da luz 270276 atividade osmótica da sacarose nas 275276 diferenciação 562 diversidade morfológica 113 114 efeitos da fusicoccina nas 715 717 estrutura da parede 113115 fechamento estomático induzi do pelo ABA durante o estres se hídrico 754757 funções das 269270 561 hipótese de amidoaçúcares nos cloroplastos 274 275 isolamento citoplasmático das 3940 mediação pela zeaxantina da fotorrecepção da luz azul 276 279 modulação da osmorregulação pela luz azul 273 275 na anatomia foliar 6 paredes celulares 381 pressão de turgor e abertura das 114117 regulação do balanço osmótico pela luz azul 273 275 resposta imunológica desenca deada pelo MAMP 717 TaizIndice3indd 818 TaizIndice3indd 818 27102016 094021 27102016 094021 Índice 819 reversão pela luz verde da abertura estomática estimula da pela luz azul 278280 Ver também Movimento esto mático Células intermediárias 289291 303306 Células isodiamétricas 393395 Célulasmãe de meristemoides CMMs 562564 Célulasmãe de pólen 627 628 Células paliçádicas 248 650651 651 Células papilares 634 Células S 702703704 Células silicosas 561 Células suberosas 561 Células subsidiárias 113114 116117 Células vegetais células de tecidos dérmicos 3940 células de tecidos fundamen tais 3944 citoesqueleto 2836 componentes intracelulares 1011 de divisão independente orga nelas semiautônomas 2429 estrutura e função das mem branas 911 13 fases do ciclo celular e regula ção 3539 organelas de divisão ou fusão independente derivadas do sistema de endomembranas 2225 sistema de endomembranas 11 1323 visão geral 35 7 8 Celulase 685686 Celulose alomorfos 384385 celulose Iα 384385 celulose Iβ 384385 estrutura 382383 ligação de pectinas 388389 macrofibrilas 384386 400 403 nas paredes celulares primá rias 391393 399401 nas paredes celulares secundá rias 400403 Ver também Microfibrilas de celulose Celulose sintase A CESA 385 386 395396 400401 Celuloses sintase 4647 4748 38588 395396 Cenoura Daucus carota 516517 517518 Centaurea maculosa centáurea manchada 725726 Centáureamanchada Centaurea maculosa 725726 Centeio Secale cereale 606 Centro quiescente 134136 498501 Centrômeros 3637 37 39 51 52 56 Centros de organização de micro túbulos MTOCs 29 31 Centros FeS 192193 193194 Ceramida 12 Cerling Thure 263267 Cestrum nocturnum jasmimda noite 598599 3cetoacilACPsintase 346 Cetona 705 Cevada Hordeum vulgare absorção de íons cálcio pelas raízes 136137 atividade da nitrato redutase 356 357 cloroplastos e gerontoplastos 675 estrutura do grão 523 florescimento induzido pela luz vermelhodistante 602605 necessidade de pósmaturação para germinação da semente 518520 nitrato e outros compostos nitrogenados na seiva do xile ma 357358 produtividade de grãos em função da irrigação 8384 volume do espaço de ar das folhas 111112 CF0CF1 194195 Ver também ATPsintase Chailakhyan Mikhail 608 Chaperonas moleculares 751752 Chara 3334 148149 Chenopodiaceae 138139 224 225 Chenopodium 609610 C album 455 457 Chlamydomonas 3334 Chlorella pyrenoidosa 177 Chloroplastidae 203 Choupo americano de folha den tada 686687 Choupos Populus micorrizas 137139 voláteis induzidos por hervívo ros 714 xilema 4647 Chromatium 361362 Cianeto 148150 704705 Cianeto de arbonila de mclorofe nilidrazona CCCP 271273 Cianobactérias ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 216219 endossimbiose e 198200 203 estrutura do citocromo b6f 189 190 fixação biológica de nitrogênio 355356 fixação de nitrogênio e 361 363 heterocistos 361362 proteína carotenoide laranja 280 Cianoidrina 705 Cicas 501 Ciclinas 3536 3637 ciclina A 3536 3637 ciclina B 3536 3637 39 ciclina D 3536 3637 complexo ciclina BCDK 37 39 Ciclinas do tipo M 3637 Ciclinas do tipo S 3637 Ciclinas G1S 3637 Ciclo celular fases e regulação 3539 Ciclo da xantofila 252254 Ciclo de CalvinBenson ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono e 212213 213 215216 fases de carboxilação e redu ção 205207 fotossíntese C4 e 221 222 224 metabolismo ácido das crassu láceas e 229230 230231 período de indução 208209 regeneração da ribulose15 bifosfato 207208 regulação do 208211 visão geral das fases do 203 206 Ciclo de HatchSlack Ver Fotos síntese C4 Ciclo de Krebs Ver Ciclo do ácido cítrico Ciclo de Yang 423 426 Ciclo do ácido cítrico acoplamento às rotas biossinté ticas 338340 biossíntese de aminoácidos e 359360 360361 características únicas em plan tas 328329 330331 descoberta do 326327 na respiração vegetal 318 produção líquida de ATP 333 334 334 336 reações no 328329 regulação do 338339 visão geral 318319 Ciclo do ácido tricarboxílico Ver Ciclo do ácido cítrico Ciclo do glioxilato 349350 350351 Ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono aumento da biomassa por en genharia genética 218221 ciclo de CalvinBenson e 212 213 215216 ciclos do carbono do nitrogê nio e do oxigênio no 215216 conexão com o sistema fotos sintético de transporte de elétrons 216217 em cianobactérias 216218 218219 interação com rotas metabóli cas 217219 localização do 214 213 215 origens ancestrais das enzimas no 216217 reações do 212213 215217 visão geral do 210213 214 Cicloheximida 523524 527528 Ciclo Q 191193 331 Ciclos de vida 25 das angiospermas 625627 686687 687688 Cicuta cicuta 701702 Cicuta oriental Tsuga canadensis 518520 Cicutoxina 701702 Cinesinas 3335 Cinetina 415416 417418 Cinetocoro 3536 3637 39 Cinzadamontanha Eucalyptus regnans 107108 Circunutação 533534 Cisgenia 7778 Cisteína assimilação de sulfato e 353 rota biossintética 359360 360361 síntese de metionina a partir de 369370 síntese na assimilação de enxo fre 368370 Cisteína protease 710 712 Cisteínas endopeptidase do tipo caspase 667668 Cisternas 15 17 1922 Citocinese construção da parede celular primária 391393 na meiose 56 na mitose 38 39 Citocininas biossíntese 423 425 como reguladores negativos da senescência 681683 crescimento secundário e 586 587 descoberta das 417418 desenvolvimento da raiz e 500501 efeitos e funções das 417418 418419 estrutura 415416 formas de 423 interações com brassinosteroi des 747 manutenção do meristema api cal do caule e 505507 na diferenciação vascular 542 543 na dominância apical 688690 na regulação cruzada das rotas de transdução de sinal 443 444 na regulação hormonal do crescimento de gemas axila res 573574 576577 na sinalização da nodulação 695 697 696 nas respostas ao estresse abiótico 744747 no desenvolvimento de folhas compostas 560 no desenvolvimento do saco embrionário 631632 regulação do desenvolvimento da parte aérea e da raiz por auxinacitocinina 500501 501 TaizIndice3indd 819 TaizIndice3indd 819 27102016 094021 27102016 094021 820 Índice rota de transdução de sinal 431434 transporte de 429 431 574 576 Citocromo a 331 Citocromo a3 331 Citocromo b559 188189 Citocromo b560 331 Citocromo b565 331 Citocromo b6f estrutura 189190 localização no cloroplasto 181 182 182183 transferência de elétrons e pró tons na fotossíntese 186187 189193 Citocromo c na síntese de ácido ascórbico 332333 transporte mitocondrial de elé trons 331 Citocromo c oxidase 331333 Citocromo f 191 Citocromo P450monoxigenase CYP 425 426 428 Citoesqueleto definição 2829 estrutura e dinâmica dos microtúbulos e dos microfila mentos 2834 funções do 2829 proteínas motoras movimento de organelas e corrente cito plasmática 3336 regulação do crescimento da parede celular e 393396 Citoplasma 35 Citosol definição 35 fitocromos 454455 456 interações metabólicas com mitocôndrias 338 síntese de sacarose 238241 suprimento de NADPH no 326327 Citrato sintase 328 328329 Citrulina 294 367368 Citrus 493494 593 698699 Cladódios 554 Clatrina 2122 Climatérico 340341 658660 Clonagem com base em mapea mento 7374 Clorato 157158 Cloreto de potássio 130131 Cloreto de sódio em solos sali nos 133134 Cloro mobilidade dentro da planta 124125 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 papel bioquímico e função fi siológica 121122 127128 4cloroAIA 417 Clorofila a abundância de 175176 biossíntese 200 espectro de absorção 173 175 estrutura molecular 174 ligações coordenadas com íons magnésio 370371 na canalização de energia para os centros de reação 183 185 184 Clorofila b abundância de 175176 estrutura molecular 174 na canalização de energia para os centros de reação 183 185 184 Clorofila c 175176 Clorofila d 175176 Clorofila descolorida 187188 Clorofila f 175176 Clorofilas 181182 absorção e emissão de luz 173 175176 biossíntese e quebra 2728 198200 200 catabolismo durante a senes cência foliar 675677 complexo antena 176177 181 183 185186 192194 degradação durante o amadu recimento de frutos 657658 descoloração 187188 efeito peneira e 248 estadobase e estado excitado 187188 estrutura molecular 174 na canalização de energia para os centros de reação 183 185 184 no complexo PSI 192193 no desestiolamento 449451 P700 e P680 187189 papel na fotossíntese 171172 quenching 195197 quenching não fotoquímico 196197 197198 redução de um aceptor de elé trons pelas 186188 Clorofilase 198200 Clorofilídeo a 200 Clorófitas 453 Cloroplastos 1011 aminotransferases 359360 associação com o retículo en doplasmático 1819 biossíntese do ácido jasmônico 708710 catabolismo e remobilização de proteínas durante a senescên cia foliar 675677 ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 214 213 215 218 219 conversão em cloroplastos durante o amadurecimento do fruto 657658 desenvolvimento 2629 difusão de dióxido de carbono para os 258260 estrutura e função 2426 26 27 171173 180 fissão 2829 formação e mobilização do amido 231239 fotoassimilação 371374 fotossíntese C4 219225 228 229 lipideos de membrana 344 346 345 montagem das proteínas dos cloroplastos 198200 montagem de enzimas em complexos supramoleculares mediada pela luz 210211 211212 nas células do mesofilo 4041 4142 nas célulasguarda 3940 origens endossimbióticas 198 200 produtividade quântica da fo toquímica 177178 translocação comparada de prótons em cloroplastos mito côndrias e bactérias purpúre as 195196 Clorose deficiência de cloro 127128 deficiência de enxofre 125127 deficiência de ferro 128129 deficiência de manganês 128 129 deficiência de nitrogênio 125 127 deficiência de potássio 127128 definida 125127 Clostridium 361363 Clusia 230231 Cobalamina 122123 Cobalto 122123 Cobreíons cobre aplicação foliar 131132 efeito do pH do solo na dispo nibilidade 130131 ligações coordenadas com áci do tartárico 370 mobilidade dentro da planta 124125 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 papel bioquímico e função fi siológica 121122 128129 Cochliobolus carbonum 715717 Codeína 702703 Código de histona 6768 Códon de terminação 6465 Coeficiente de difusão 8788 Coenzima A 328 Coenzimas 318319 339340 Coesão 8486 Coesinas 3637 55 Coevolução coevolução plantainseto 697 698 715 interações bióticas e 693 Cofatores 122123 318319 Cofatores enzimáticos 122123 318319 Cogumelos 139140 Coifa 6 células iniciais que originam a 498499 descrição da 497498 hipótese do amidoestatólito do gravitropismo 530532 Colapso dos vasos xilema 400 401 Colarinho da parede 5 7 8 Colchicina 5859 Colchicum autumnale 5859 Colênquima 4143 381381 Coleóptilos crescimento induzido pela au xina durante o crescimento da plântula 524 526529 fototropismo 407 417 535 função dos 515516 gravitropismo 528530 os estudos de Darwin da res posta à curvatura nos 407 417 Coleoriza 515516 Colesterol 11 13 Coleus Coleus blumei 1718 303 Colonização do tipo Arum 138 139 139 Colonização tipo Paris 138139 139 Columela 530531 535 650651 651 Combustíveis fósseis formas de enxofre liberado 368369 Comensalismo 693 Commelina communis trapoeraba 271272 Compartimento pósvacuolar 2223 Compartimento prévacuolar 20 21 2223 Compensação da temperatura 596597 Complementação 7273 Complexo antena no PSI 192194 organização do 181183 185 186 transferência de energia na fotossíntese 176177 183 185 184 Complexo Arp23 30 29 31 Complexo carotenoideproteína 280 Complexo citocromo b6f 191193 Complexo citocromo bc1 331 Complexo COPDETFUS 461 Complexo COP1SUPPRESSOR OF PHYA COP1SPA1 461 461462 465466 466 472473 474 Complexo CSN 461 461462 Complexo de Golgi associação com retículo endo plasmático 1819 estrutura 1920 formação da placa celular e 391393 no xilema em desenvolvimen to 4647 4748 processamento de glicoproteí nas e polissacarídeos 1921 síntese de homogalacturonano 389390 síntese e secreção dos polissa crídeos da matriz 387388 Complexo de iniciação da trans crição 6364 TaizIndice3indd 820 TaizIndice3indd 820 27102016 094021 27102016 094021 Índice 821 Complexo de silenciamento indu zido pelo RNA RISC 7072 Complexo do centro de reação canalização de energia pelos complexos antena para 183 185 184 clorofilas P680 e P700 187189 de bactérias fotossintéticas anoxigênicas 182183 185 estados basal e excitado da clo rofila 187188 localização no cloroplasto 181 182 182183 proteínas integrais de membra na e 181182 redução de um aceptor de elé trons pela clorofila excitada 186188 transferência de energia na fotossíntese 176177 Ver também Fotossistema I Fo tossistema II Complexo do poro nuclear CPN 1314 Complexo elemento de tubo crivadocélula companheira no carregamento do floema 300306 transporte de proteínas e 313 314 Complexo estomático 113114 Complexo GL1GL3TTG1 564 565 Complexo glicina descarboxilase GDC 212213 213 215217 Complexo I 330334 331 336 338 Ver também NADPHdesidro genases Complexo II 331334 336 Ver também Succinato desidro genase Complexo III 331334 336 Ver também Complexo citocro mo bc1 Complexo IV 331334 336 Ver também Citocromo c oxida se Complexo nitrogenase 366368 Complexo PI3 670 Complexo piruvato desidroge nase 338339 Complexo promotor da anáfase 37 39 Complexo receptor TIR1AFB 438 439441 443 Complexo repressivo Polycomb 2 PRC2 646649 Complexo sinalossomo COP9 CSN 461 461462 Complexo V 331 334 336 Ver também F0F1ATPsintase Complexos de celulose sintase 385388 Complexos de coordenação 370 371 371373 Complexos de distribuição endos sômica requeridos para trans porte ESCRT 2223 Complexos de iniciação 29 31 Complexos de ubiquitina E3 liga ses 409410 Complexos eletrostáticos 370371 Complexos pigmentoproteína 183 185186 Complexos SCF Skp1CullinF box 436440 440441 443 Complexos sinaptonêmicos 55 56 Complexos Skp1CullinFbox SCF 436437 438 439440 Compostos contendo nitrogênio transportadores de membrana para 157159 Compostos de carbono deficiências de nutrientes mi nerais que são uma parte de 124127 ligações não covalentes com cátions 370371 nutrientes que são uma parte de 121123 Compostos de reserva de energia deficiências de nutrientes mi nerais que são uma parte dos 125128 lipídeos 343344 nutrientes que são uma parte dos 121122 122123 Compostos fenólicos como metabólitos secundários 699700 como queladores de ferro 371 373 Compostos quaternários de amô nio 748750 Compostos secundários tóxicos armazenagem como conjuga dos de açúcares hidrossolúveis não tóxicos 702705 armazenagem em estruturas especializadas 701703 níveis em tecidos jovens versus tecidos mais velhos 705 Comprimento crítico do dia 598599 Comprimento da noite fotoperio dismo e 599 599600 Comprimento de onda da luz 172173 Comunicação intercelular métodos de transmissão de sinais 428431 na embriogênese 484485 no desenvolvimento depen dente da posição 484485 Concentração crítica 129130 Condições anaeróbicas fixação biológica de nitrogênio e 361 363 Condutividade hidráulica de membranas celulares 9496 do solo 100102 Cones 35 Conexão citoplasmática 7 5 8 Configuração Rabl 5354 Congelamento impacto nas plantas 734735 736737 mecanismos para impedir a formação de cristais de gelo 753755 Coníferas absorção de amônio e nitrato pela raiz 136137 definição 12 ductos de resina 701702 702 ectomicorrizas 139 megastróbilos e microstróbilos 35 pares de pontoações 103105 105106 Conjugados de ácido linolênico aminoácidos 707708 Conjugados de ácidos graxos aminoácidos amidas de ácidos graxos 706707 707708 Constante de Planck 172173 Constante dos gases 90 Continuum soloplantaatmosfera 116117 Cordões transvacuolares citoplas máticos 15 17 1718 Cordões vacuolares 1011 15 17 1718 Corniso 341343 Cornisoflorido 686687 Cornus florida 341343 686687 Coronatina 718719 Corpo 502 Corpo multivesicular 2223 Corpo primário da planta 5 8 Corpos apoptóticos 666667 Corpos autofágicos 668669 670 Corpos contendo rubisco 675676 Corpos de Golgi 1011 1921 Corpos de proteínas P 288289 Corpos lipídicos 1011 associação com o retículo en doplasmático 1819 estrutura e função 2224 mobilização de lipídeos duran te a germinação 522523 na hidrólise mediada por lipa ses 350351 triacilgliceróis armazenados nos 343344 346 348349 Corpos prólamelares 2728 Corpos proteicos 2223 Correção de mutantes 494495 Correceptores de auxina 439440 Córtex células iniciais da raiz que ori ginam 498500 de raízes 4344 134136 formação durante a embriogê nese 492496 496497 localização e função 9 movimento de íons através do 164165 165166 nos caules 6 nos crescimentos primário e secundário 9 Corticeira Quercus suber 585 586 Corylus avellana avelã europeia 516517 Cossupressão 7172 Cotilédones dormência do embrião e 516 517 formação durante a embriogê nese 480483 481482 mobilização de reservas arma zenadas durante a germina ção 522523 Cotransportadores nitratopró ton 373374 Couvechinesa 5859 Couvecomum 5859 Couvedaetiópia 5859 Couveflor 5859 CP12fosforribuloquinaseglice raldeído3fosfatodesidrogena se 210211 211212 Crassulaceae 225 228231 Crataegus pilriteiro 408 Craterostigma plantagineum 652 654 Cravo Dianthus caryophyllus 723725 Creosoto Larrea tridentata 260 686687 Crescimento anisotrópico 393 395 Crescimento apical de tubos polínicos 635638 definição 393 Crescimento celular efeitos do etileno na expansão celular lateral 539540 mecanismos do 393396 velocidade e extensão do 396 401 Crescimento difuso 393395 395396 Crescimento do tubo polínico dinâmica do crescimento api cal 635638 entrada no saco embrionário e ruptura do 633 638640 iniciação do 634 635636 taxas de 634 Crescimento e desenvolvimento vegetal arquitetura do sistema de raízes 579583 autofagia e 671 câmbio vascular 508509 crescimento secundário 583 588 desafios dos hábitos sedentá rios 478 desenvolvimento embrionário ver Embriogênese desenvolvimento foliar ver Desenvolvimento foliar diferenças entre plantas e ani mais 477 meristema apical da raiz 496 501 meristema apical do caule 500 508 mudanças de fases 592595 principais estágios do desen volvimento esporofítico 479 481 TaizIndice3indd 821 TaizIndice3indd 821 27102016 094021 27102016 094021 822 Índice questõeschave no 477478 ramificação e arquitetura da parte aérea 572579 tecidos meristemáticos e cres cimento indeterminado 495 497 Ver também Desenvolvimento dos órgãos florais Floresci mento Crescimento e diferenciação da raiz citocinina e 500501 desenvolvimento de raízes la terais 544545 546549 desenvolvimento dos pelos da raiz 544545 545547 durante a embriogênese 482 emergência da radídula 522 523 inibição pela auxina durante o estabelecimento da plântula 524 526527 meristema apical da raiz e 496498 visão geral 544545 Crescimento indeterminado 495 497 612613 Crescimento primário 5 8 9 584585 Crescimento secundário 9 câmbio vascular e câmbio su beroso felogênio 584586 definição 910 583 estágios de desenvolvimento 586588 evolução do 585586 produção de xilema e floema secundários 584585 585586 regulação hormonal do 585 587 transição do crescimento pri mário 584585 visão geral 583584585 Crioprotetores 754755 Criptocromos coatuação com fitocromo e fo totropinas 466467 comprimentos da onda de luz absorvida pelos 449 criptocromo 1 CRY1 463 465467 466 criptocromo 2 CRY2 465467 597 605606 criptocromos nucleares inibem a degradação de proteínas induzida por CPO1 464466 desestiolamento e 449451 efeitos diferentes de CRY1 e CRY2 no desenvolvimento 464466 funções dos 449 461462 mediação da fotomorfogênese 537538 mudança conformacional na forma ativada 463464 região Cterminal 465466 466 regulação de proteinas de liga ção ao DNA 466 regulação do florescimento em algumas plantas de dias lon gos 604606 612 sincronização do relógio circa diano 596597 visão geral 463 Crisântemo Chrysanthemum mo rifolium 594595 598599 Cristais de oxalato de cálcio 699700 Cristais de sílica 699 Cristas 2425 327 Cristas da lâmina 558559 559 560 Cromatina 1011 Cromóforos 176177 448 463 464 Cromoplastos 2526 2728 28 29 657658 Cromossomos centrômeros 5152 clonagem com base em mapea mento 7374 cromatina 5152 ver também Cromatina descrição de 1315 eventos durante o ciclo celular 3537 39 meiose 5356 organelares 6162 organização durante a interfa se 5354 poliploidia 5662 ver também Poliploidia regiões organizadoras nuclea res 5153 telômeros 5152 687688 Cromossomos 1n 23 Cromossomos 2n 23 Cromossomos homólogos 5356 Cucumis C melo 303 660661 C sativus 122123 292293 567 Cucurbita maxima elementos de tubo crivado 287 288 proteínas P 289291 seiva do floema 292293 Cucurbita pepo floema 292293 modelo de aprisionamento de polímeros de carregamento do floema 303 transição do dreno para a fonte nas folhas 307308 transporte de mRNA no floema 313314 Cucurbitáceas seiva do floema 292293 Cultivo em solução 122123 123124 Cultura de células em suspensão de Zinnia elegans 542545 Culturas vegetais esterilidade masculina cito plasmática 640641 geneticamente modificadas 7678 pesquisa agrícola para melho rar a tolerância ao estresse abiótico 759760 reduzindo a evitação da som bra 542 542543 relação da distribuição dos fotossintatos com a produtivi dade 309311 relação entre o total de luz recebido durante a estação de crescimento e a produtividade 252253 Ver também Agricultura Curso livre 596597 Curva de pressãovolume 9294 9495 Curvas de resposta à luz 250253 Curvas de vulnerabilidade 109 111 Cuscuta Cuscuta 726 Cutícula estrutura e função 381381 na anatomia foliar 6 plasticidade fenotípica em resposta ao estresse abiótico 757758 Cynodon dactylon gramabermu da 2526 CYP707A2 518 Cyperus 4142 D DAG Ver Diacilglicerol Dália Dahlia pinnata 291292 βdamascenona 658659 Danaus plexippus borboleta monarca 702703 Darwin Charles 407 417 535 Darwin Francis 407 417 535 Datisca 361362 D glomerata 695 697 Daucus carota cenoura 516517 517518 DCMU 193194 271272 276 Dedaleira Digitalis 701702 Dedo 661662 Defesas constitutivas barreiras mecânicas 698700 definição 694 metabólitos secundários 699 705 Defesas vegetais alelopatia 725726 barreiras mecânicas 698700 contra nematódeos parasíticos 724726 contra patógenos 715725 contra plantas parasíticas 726 727 genes R 718719 imunidade desencadeada por MAMP 717718 melhora por rizobactérias promotoras do crescimento vegetal 697698 metabólitos secundários 699 705 ver também Metabólitos secundários respostas induzíveis aos inse tos herbívoros 705715 rota do RNAi como resposta imunológica molecular às in fecções virais 7172 visão geral 694 Ver também Imunidade Imuni dade vegetal sistêmica defesas vegetais contra 698700 ver também Defesas vegetais Deficiência de boro 125128 Deficiência de cálcio 127128 Deficiência de cloro 127128 Deficiência de cobre 128129 Deficiência de enxofre 124127 Deficiência de ferro 128129 371 373 736737 Deficiência de fósforo 125127 580582 Deficiência de magnésio 127128 736737 Deficiência de manganês 128129 Deficiência de molibdênio 128 130 356 Deficiência de níquel 128129 Deficiência de nitrogênio 124127 Deficiência de potássio 127128 Deficiência de silício 125127 Deficiência de zinco 127129 Deficiências de nutrientes mi nerais em nutrientes envoldidos nas reações redox 128130 em nutrientes importantes na armazenagem de energia ou integridade estrutural 125 128 em nutrientes que permane cem na forma iônica 127129 em nutrientes que são parte de compostos de carbono 124 127 impacto nas plantas 736737 resposta da ramificação às 577578 solo e análise de tecidos vege tais 129130 tratamento 129132 visão geral 124125 Déficitestresse hídrico ajuste osmótico da planta 748 750 efeito na razão entre isótopos de carbono 265266 efeito no transporte de fotos sintatos para as raízes 311 312 fechamento estomático induzi do pelo ABA durante o estres se hídrico 472473 735736 754757 impacto nas plantas 732 733 734736 plasticidade fenotípica foliar em resposta ao 756758 senescência foliar induzida pelo ABA 680681 Ver também Seca Degradação de proteínas criptocromos nucleares inibem a degradação de proteínas induzida pela COP1 464466 TaizIndice3indd 822 TaizIndice3indd 822 27102016 094021 27102016 094021 Índice 823 na fotomorfogênese induzida por fitocromos 461462 Ver também Rota de ubiquitina proteassomo da degradação de proteínas Deidrinas DHNs 652654 752 Deinococcus radiodurans 452 454 Densidade de fluxo 8788 Densidade de fluxo fotônico PFD 246247 Densidade de fluxo fotônico fotossintético PPFD 247248 250253 Deposição atmosférica de nitro gênio 120121 Derxia 361362 Desacopladores 333334 Desadenilação 6768 Descarboxilases 222 Descarregamento do floema definição 293 295296 hormônios na regulação do 312313 mecanismos no 305308 no modelo de fluxo de pressão do transporte no floema 293 295296 descrição da 1315 Desenvolvimento abaxial da fo lha 558559 Desenvolvimento adaxial da fo lha 555557 Desenvolvimento de pelos da raiz do tipo I 545546 Desenvolvimento de pelos da raiz do tipo II 545546 Desenvolvimento de pelos da raiz do tipo III 545546 Desenvolvimento do endosperma embriogênese e 645647 expressão de genes impressos 646649 tipos de 642644 Desenvolvimento do saco embrio nário do tipo Polygonum 630632 Desenvolvimento dos órgãos florais a expressão gênica regula a assimetria floral 620621 genes da classe D e formação do rudimento seminal 619 620 genes da identidade dos meris temas florais 614616 genes da identidade dos órgãos florais 614 616620 iniciação dos órgãos florais nos verticilos 612613 614 modelo ABC da identidade dos órgãos florais 616619 modelo quaternário 618620 transição para o crescimento reprodutivo no meristema api cal do caule 612613 614 Desenvolvimento foliar desenvolvimento dos padrões de venação 565573 diferenciação dos tipos de célu las epidérmicas 561565 estabelecimento da polaridade 554560 iniciação e desenvolvimento dos primórdios 507508 554 555 visão geral da morfologia fo liar 553554 Desenvolvimento reprodutivo 479 480481 Ver também Desenvolvimento dos órgãos florais Floresci mento Desenvolvimento vegetativo câmbio vascular 508509 definição e descrição 479481 embriogênese 480496 meristema apical da raiz 496 501 meristema apical do caule 500 508 tecidos meristemáticos e cres cimento indeterminado 495 497 Ver também Crescimento e de senvolvimento vegetal Desestiolamento 449451 537 Desfosforilação regulação da ati vidade da nitrato redutase 357 Desidroabietinal 721722 Desidroascorbato redutase 750 751 751752 Deslizamento 398399 Desmotúbulos 7 5 8 164165 Desnitrificação 354 Desóxi açúcares 382383 Dessaturases de ácidos graxos ômega 3 753 Desvio da hexose monofosfato Ver Rota oxidativa das pentoses fosfato Determinantes do locus S 640 641 Dihidroxiacetona fosfato alocação entre a síntese de amido e sacarose e 310311 ciclo de CalvinBenson 208 estrutura de 319 321 na formação citosólica de frutose16bifosfato 238239 na glicólise 320 Dihidrozeatina DHZ 423 425 Diaheliotropismo 249 757758 Dia subjetivo 596597 Diacilglicerol DAG estrutura 343344 formação de 413415 na síntese de glicerolipídeos 346 347 síntese 348349 Diacinese 55 56 Dianthus caryophyllus craveiro 723725 Diatomáceas 224225 DIBOA 704 Dicamba 417 Diclorofenildimetilureia DCMU 193194 271272 276 Dicogamia 639640 640641 Dicotiledôneas Ver Eudicotile dôneas Dictiossomos Ver Corpos de Golgi Dieffenbachia 699 Dietas animais análise da razão entre isótopos de carbono 265 267 Diferença na concentração de va por de água 111113 Diferenciação durante a embrio gênese 480481 Difosfatidilglicerol 345 346 Difosfato de adenosina ADP efeito na atividade da piruvato desidrogenase 338 na fotossíntese C4 222 224 Razão ADPO 332333 regulação alostérica na respira ção mitocondrial 338339 transporte transmembrana nas mitocôndrias 333334 335 Difosfato de uridina UDP 320 321322 Difosfato de uridina glicose UDPglicose 239 239240 320 321322 387388 Difusão aquaporinas e o movimento da água através de membranas 9597 canais e 150152 152153 como transporte passivo 144 ver também Transporte passi vo de dióxido de carbono para o cloroplasto 258260 de nutrientes minerais no solo 136137 de sacarose através de uma membrana plasmática 144 145 definição 8687 eficácia por distâncias curtas 8788 8889 facilitada 151152 Difusão da luz na interface 248 Difusão da luz nas folhas 248 Difusão facilitada 151152 Digalactosildiacilglicerol 345 346 347 Digitalis dedaleira 701702 Digitoxina 701702 DIIvênus repórter de auxina 486487 490491 DIMBOA 704 Dimetilalildifosfato DMAPP 423 425 Dinamina 39 Dineínas 3334 24dinitrofenol 333334 Dionaea muscipula dioneia 408 429 431 Dióxido de carbono absorção ver Absorção de dió xido de carbono biossíntese de ácidos graxos 346 347 carboxilação no ciclo de Cal vinBenson 203207 204205 difusão para o cloroplasto 258 260 efeito estufa e 262 efeitos na assimilação de nitra to nas folhas 373374 efeitos na fotossíntese na folha intacta 258264 efeitos na respiração 341344 especificidade da rubisco para 215217 fixação ver Reações de fixação do carbono gerado no ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 212 214 213 215 limitações impostas à fotossín tese 260262 mecanismos concentradores de carbono 219221 ver também Carbono inorgânico meca nismos de concentração na regulação da rubisco 208 209 209210 pH do solo e 133134 ponto de compensação do CO2 260 261 pressão parcial nos espaços intercelulares de ar de folhas 260 261 265266 quociente respiratório 340343 Ver também Dióxido de carbono atmosférico Dióxido de carbono ativador 208209 Dióxido de carbono atmosférico efeitos na assimilação de nitra to em folhas 373374 efeitos na respiração 341344 efeitos projetados dos níveis elevados de CO2 na fotossín tese e respiração 262264 fixação na fotossíntese ver Reações de fixação de carbo no Reações de carboxilação da fotossíntese isótopos estáveis de carbono 263264 níveis crescentes da concentra ção de CO2 258259 259260 Dióxido de carbono substrato 208209 Dióxido de enxofre 368369 Diploides definição 23 nos ciclos de vida das plantas 25 4 Diplóteno 55 56 Disposição alternada das folhas 507 Disposição decussada das folhas 507 Disposição em espiral das folhas 507 Ditiotreitol DTT 277 Dittmer H J 133134 Diuron 193194 Divisão celular nos meristemas 5 8 periclinais e anticlinais 482 483 Ver também Meiose Mitose Divisão de entrada 562 TaizIndice3indd 823 TaizIndice3indd 823 27102016 094021 27102016 094021 824 Índice Divisões amplificadoras 562 Divisões celulares anticlinais 482 483 584585 585586 Divisões celulares periclinais 482 483 584585 585586 Divisões de espaçamento 562 DMAPP 423 425 DNA complementar cDNA 73 74 157158 DNA de transferência TDNA 7576 DNAglicosilase 647648 DNA mitocondrial mtDNA 334 336 DNA repetitivo 5152 6870 Doadores de elétrons na fotos síntese 172173 Doença da planta boba 417 418 715717 Dolicol difosfato 1920 Dominância apical efeito da disponibilidade da sacarose na 576577 577578 regulação da rede hormonal 574 576577 supressão de gemas axilares 573577 688690 Domínio CHASE 432 433434 Domínio com motivos de lisina LysM 695 697 717 Domínio CYCLASE HISTIDI NE KINASE ASSOCIATED SENSORY EXTRACELLULAR CHASE 432 433434 Domínio GAF 454 454455 Domínio LOV2 449451 452 469 Domínio PAS 454 455 Domínio PHY 454 454455 Domínio relacionado ao PAS PRD 454 454455 Domínio relacionado com a his tidina quinase HKRD 454 454455 Domínio START 436 Domínio STEROIDOGENIC ACUTE REGULATORY PRO TEINRELATED LIPID TRANS FER START 436 Domínios citoplasmáticos nuclea res 644645 645646 Domínios com repetição WD40 564565 Domínios de genes 7475 Domínios LIGHTOXYGEN VOLTAGE LOV 467469 469470 Domínios LOV 467469 469470 Domínios PASGAFPHY 454 454455 Dormência de gemas axilares em plantas lenhosas 577579 no embrião 480481 Dormência da semente causas de dormência do em brião 516517 517518 definição 513 515516 funções da 515517 imposta pela casca 516517 654655 657 liberação da 518520 necessidades para germinação 516517 razão ABAGA como o deter minante primário 517520 tipos de 516517 Dormência do embrião 516517 517518 Dormência imposta pela casca 516517 654655 657 Dossel absorção da luz e 248249 Dreno de auxina 568569 Drenos competição por fotossintatos 310312 definição 291 demanda do dreno e a regula ção da fotossíntese 311312 importação de açúcares pelos 305308 intensidade tamanho e ativi dade do dreno 311312 modelo de fluxo de pressão da translocação no floema 293 295296 pressão de turgor e hormônios na regulação das relações fontedreno 312313 translocação no floema da fon te para o dreno 291292 Drósera Drosera anglica 408 Drosera anglica drósera 408 Drosha endonuclease 6869 Drosophila 158159 594595 751752 Drupas 655 657658 DTPA 124 124125 DTT 277 Ductos resiníferos 701702 702 Ductos resiníferos adventícios 701702 Ductos resiníferos traumáticos 701702 Dumb cane 699 Duplicação somática 5859 Duração 687690 Durrina 704 705 E EARLY FLOWERING 3 ELF3 466467 Echevéria Echeveria harmsii 599 Echinacea pallida equinácea roxo pálido 579 Echinacea pallida 579 Echinochloa crusgalli var oryzicola capimarroz 748750 Ectomicorrizas 137140 EDTA 124 292293 Efeito de melhora 178179 Efeito estufa 262 Efeito ilha verde 681683 Efeito Pasteur 322324 326 Efeito peneira 248 Efeitos alostéricos 237239 Efeitos do progenitor de origem 646649 Efetores ativação de receptores NBS LRR pelos 718719 genes R e 718719 indução das rotas de transdu ção de sinal e 718719 produzidos por patógenos 715717 secretados por nematódeos parasitas de plantas 724725 Efetores do tipo ativadores da transcrição TAL 717 Eficiência de fermentação 322 323 Eficiência do crescimento de ár vores 690 Eficiência energética da fotossín tese 177178 Eficiência fotossintética sensibili dade à temperatura da 257258 258259 Eficiência na estocagem de ener gia solar 177178 Eficiência no uso da água 116117 EGTA 533534 Ehleringer Jim 261 Eixo apicalbasal estabelecimento durante a em briogênese 481483 identificação de genes envolvi dos no estabelecimento 485 487 transporte polar de auxina e 486493 Eixo primário da planta 35 Eixo radial na embriogênese 481482 492496 Elefantes africanos 266267 Elemento de reconhecimento do TFIIB BRE 6364 6465 Elemento de resposta à auxina AuxRE 439440 500501 Elemento de resposta ao ácido gi berélico GARE 523524 525 Elemento distante a montante FUE 6364 6467 Elemento iniciador INR 6364 6465 Elemento promotor a jusante DPE 6364 6465 Elementos cis 6768 Elementos de resposta ao ABA 436 436437 Elementos de tubo crivado definição 285286 descrição 4344 45 46 287 288 unidos em tubos crivados 287 Elementos de tubo crivado 285 286 células companheiras e 289 291 complexo elemento de tubo crivadocélula companheira no carregamento do floema 300306 especialização para transloca ção 287288 experimentos sobre transloca ção de açúcares nos 285286 floema de coleta floema de transporte e floema de entre ga 291 modelo de fluxo de pressão de transporte no floema 293 295296 no descarregamento do floema 305307 poros da placa crivada no transporte do floema 298 poros das áreas crivadas 287 289 unidos em tubos crivados 287 vedação dos elementos danifi cados 288291 Elementos de vaso descrição dos 44 46 4647 estrutura e função 105106 grupos de plantas onde se en contram 103105 Elementos do promotorcentral 6265 6365 67 Elementos essenciais descrição dos 120123 imitados por metais pesados 736737 Ver também Nutrientes mine rais Elementos traqueais 4647 542 545 Eletronegatividade da água 83 84 8485 Eliciadores derivados de insetos 706708 indução de rotas de transdução de sinal e 718719 Embebição 522523 Embolia 105106 109110 Embrião de angiospermas 514516 desenvolvimento 479 ver tam bém Embriogênese desenvolvimento vegetativo 479481 estado vítreo 652654 nos ciclos de vida das plantas 25 4 Embrião octante globular 480 482 481482 Embriófitas 23 Embriogênese auxina como um morfógeno 486487 câmbio vascular 508509 definição e descrição 479 desenvolvimento do endosper ma e 645647 em Arabidopsis 480496 identificação de genes essen ciais para a organização do embrião 485487 mecanismos dependentes da posição na 483485 meristema apical da raiz 496 501 meristema apical do caule 500 508 padronização apicalbasal 481493 padronização radial 492496 processos de desenvolvimento e 480481 TaizIndice3indd 824 TaizIndice3indd 824 27102016 094021 27102016 094021 Índice 825 transporte polar de auxina na 486493 ver também Trans porte polar de auxina visão geral dos meristemas e crescimento indeterminado 495497 Emerson Robert 177 179 encurtamento dos telômeros 687688 Endocarpo 656 Endocitose 2123 Endoderme células iniciais da raiz origi nando a 498500 formação da 134136 492496 496497 função da 4344 movimento da água nas raízes e 102103 nos crescimentos primário e secundário 9 prevenção da entrada de bolhas de gás no xilema 109110 14βDendoglucanases 387388 Endopeptidases de cisteína do tipo caspase 667668 Endopoliploidia 56 Endorreduplicação 3637 564 565 Endosperma composição da parede celular primária 391393 estrutura 514515 formação do ver Desenvolvi mento do endosperma funções do 643645 genes expressos maternalmen te 646647 mobilização de reservas arma zenadas durantes a germina ção 522524 526527 nas sementes endospérmicas 515516 regulação do desenvolvimento da casca da semente 650651 triploide 4 35 Endosperma amiláceo biossíntese de amido no 648 649 desenvolvimento 645646 646647 648649 desenvolvimento da camada de aleurona 648649 650651 mobilização do 522524 526 527 Endosperma calazal 643646 644645 Endosperma cenocítico celulari zação 644646 646647 Endosperma do tipo nuclear 642646 Endosperma micropilar 643644 644645 645646 Endosperma periférico 643644 644645 645646 Endosperma triploide 4 35 Endossimbiose 6162 198200 203 Endossomo inicial 2223 Endossomos 2021 2123 Endotélio 650651 651 Enediol 207 Energia livre da água 8889 mudança na fixação biológica de nitrogênio 367368 Energia livre de Gibbs 318 Energiaradiação solar ativação de fotorrespostas por fotorreceptores e 449452 conversão percentual em car boidratos 247 fluência 449451 fotorreceptores 447448 irradiância 449452 Ver também Luz Engelmann T W 176177 177 Enolase 320 Enolpiruvalchiquimato3fosfato sintase EPSPS 7778 Entrenós 35 6 Entropia 8688 Envelhecimento em animais comparado à senescência da planta inteira 687688 Envoltório cloroplastos 180 Envoltório nuclear 1011 associação com o retículo en doplasmático 1314 1819 durante a mitose 37 38 39 Enxofre assimilação 367370 efeito do pH do solo na dispo nibilidade 130131 formas liberadas pelos com bustíveis fósseis 368369 importância nos organismos vivos 367369 mobilidade dentro de uma planta 124125 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 papel bioquímico e função fi siológica 121123 125127 Enzima E1 ativadora da ubiqui tina 7273 436437 438 Enzima E1 ativadora da ubiqui tina 7273 436437 438 Enzima E2 de conjugação da ubiquitina 7273 436437 438 581582 Enzima E2 de conjugação da ubiquitina 7273 436437 438 581582 Enzima D 233 235 236 237 Enzima D27 576 Enzima dismutadora enzima D 233 235 236 237 Enzima HY1 602604 Enzima IRE1 740741 Enzima málica 328 328329 330331 Enzima NADmálica NADME 222 224 230231 Enzima NADPmálica NADP ME metabolismo ácido das crassu láceas 225 228231 229230 na fotossíntese C4 221 222 224225 Enzima NCED 423 426 427 517518 Enzima Se5 602604 Enzimas construção de polímeros das paredes celulares mediada por enzimas 393 efetores produzidos por pató genos 715717 Enzimas antioxidativas 741742 750751 Enzimas CCD7 e CCD8 576 Enzimas de ramificação do ami do 233 234 235 Enzimas degradadoras de paredes celulares no amadurecimento do fruto 658659 Enzimas desramificadoras 236 Enzimas dessaturases 753 Ephedra 12 Epicótilo 539 Epiderme células iniciais da raiz que ori ginam a 498499 concentração de luz 247 conexão funcional entre a epiderme foliar e a camada de aleurona do endosperma 648649 de folhas 6 3940 expansão por interdigitação das paredes celulares das cé lulas epidérmicas fundamen tais da folha 393395 395396 formação durante a embriogê nese 492494 494495 localização e função 9 nas raízes 6 nos caules 6 nos crescimentos primário e secundário 9 paredes celulares 381 pelos das raízes e 3940 Epigenômica 7475 Epilachna varivestis joaninha mexicanadofeijão 724725 Epinastia 418419 EPSPS 7778 Equação de Goldman 148149 Equação de Nernst 147149 Equação de Poiseuille 106107 Equação de Stephan Boltzman 255256 Equilíbrio distinto de estado es tacionário 147148 Equisetaceae 125127 Equisetum 545546 E hyemale 699 Erica carnea 686687 Eritrose4fosfato 208 325 326 327 EROs Ver Espécies reativas de oxigênio Eruca mostarda 537 Ervadegelo plantadegelo Mesembryanthemum crystalli num 230231 277 Ervaovelha 686687 Ervarinchão Sisymbrium offici nale 520 Ervilha Pisum sativum amida na seiva do xilema 367 368 concentrações de íons nos teci dos da raiz 147148 148149 efeito do potencial hídrico do dreno na exportação de fotos sintatos 311312 elementos de tubo crivado e células de transferência 291 estrutura do cloroplasto 180 fenótipo green cotyledon 675 676 flor e fruto 655 657 giberelina e 417418 nitrato e outros compostos nitrogenados na seiva do xile ma 357358 resposta tríplice de plântulas estioladas 418419 rizóbios simbiontes 362363 Ervilha anã 417418 Ervilhadosul Vigna 367368 Escadas de oligonucleotídeos 666667 Escamas das gemas 553 Escape da fotorreversibilidade 455 457 Esclereídes 4243 4344 Esclerêquima 4243 4344 Escotomorfogênese 460461 461 537538 Escutelo 515516 522523 523 Esferossomos 343344 346 Ver também Corpos lipídicos Esfingolipídeos 344 346 413 415 485486 Espaço extracelular 164165 Ver também Apoplasto Espaço intermembrana 327 Espécies alpinas limite de tempe ratura baixa 753755 Espécies ativas de oxigênio proteção do PSI das 197198 Ver também Espécies reativas de oxigênio Espécies bissexuais estratégias para a polinização cruzada 639641 Espécies dioicas 35 Espécies monoicas 35 639641 Espécies reativas de oxigênio EROs antioxidantes e rotas de inati vação de EROs 750752 ciclo básico 741742 como mensageiros secundá rios 413415 formas de 733734 742743 geração em resposta aos es tresses abióticos 733738 mediação de aclimatação sistê mica adquirida 743744 744 745 na resposta hipersensível 720 na ruptura do tubo polínico durante a fecundação 639 640 TaizIndice3indd 825 TaizIndice3indd 825 27102016 094021 27102016 094021 826 Índice na sensação de lesão 743744 NADPH e 326327 nas respostas alelopáticas 726 nas rotas de sinalização em resposta ao estresse 740743 oxidase alternativa e 336337 proteção de tiorredoxina contra dano causado pelas 210211 proteção do PSI das 197198 química das 733734 regulação da senescência foliar 679681 superacumulação de íons me tálicos e 160161 Espécies subárticas 753755 Espécies vegetais campestres sistemas de raízes 579 Espectro eletromagnético 172 173 175 abordagem dos fatores limitan tes no estudo da 245246 análise de suprimento e de manda 246 como uma reação química re dox 177179 durante a respiração 340341 efeito de queda no vermelho e de melhora 178179 estrutura e função dos pigmen tos fotossintéticos 174 175 176 evolução da 198200 experimentoschave na com preensão 175179 180 fotoinibição 254256 fotossistemas I e II e esquema Z 178179 180 impacto de fatores ambientais na 245246 mecanismos de transporte de elétrons 185194 organização do aparato fotos sintético 180183 185 produção de oxigênio ver Pro dução de oxigênio na fotossín tese produtividade quântica 177178 propriedades das partículas e das ondas da luz 172173 reação química geral 171172 176178 regulação pela demanda do dreno 311312 reparo e regulação da maqui naria fotossintética 194198 significado do termo 171172 temperatura ótima 256257 transpiração e 8384 112114 visão geral 171173 Espectrofotômetros 173 175 Espectrógrafos 176177 Espectros de absorção clorofila a 173 175 175176 comparados aos espectros de ação 176177 definição 173 175 fitocromo 451452 pigmentos fotossintéticos 175 176 zeaxantina 277 Espectros de ação comparados com espectros de absorção 176177 da fotossíntese 176177 177 de fotorreceptores 449451 451452 para a abertura estomática de pendente da luz 271272 para inversão pela luz verde da abertura estomática estimula da pela luz azul 279280 Espermatófitas 15 4 Espermatozoide produção de 625627 no ciclo de vida vegetal 23 4 Espinafre Spinacia oleracea 138 139 612 Espinha helicoidal 454 454 455 Espinhos 698699 Espirradeira Nerium oleander 702 702703 Espliceossomo 6364 Esporófitos 479481 Esporopolenina 628629 Espruce Picea sitchensis 252253 Esprucedanoruega 5253 Estabelecimento da plântula abertura do gancho plumular 539 crescimento e diferenciação da raiz 544549 crescimento induzido pela au xina 524 526529 definição 513 520 524 526 527 diferenciação do sistema vas cular 542545 evitação da sombra 540542 542543 fotomorfogênese 537540 visão geral de eventos durante 514515 Estabilidade de proteínas 6162 7173 Estado de menor excitação 173 175 174 Estado estacionário distinto do equilíbrio 147148 Estado fotoestacionário 453 Estado quiescente 652 Estado vítreo do embrião 652654 Estados S de íons manganês 189 Estágio de coração da embriogê nese 480481 481482 493494 Estágio de torpedo da embriogê nese 480481 481482 Estágio globular da embriogêne se 480483 481482 493494 Estágio maduro da embriogêne se 480481 481482 Estágio zigótico da embriogêne se 480481 481482 Estames formação dos gametófitos mas culinos nos 625629 iniciação 612613 614 na dicogamia 639640 640 641 na heterostilia 639641 Estaquiose 292293 294 303306 Estatócitos 530532 Estatólitos 530532 Esteira rolante de microtúbulos 29 31 3233 Estelo formação durante a embriogê nese 493495 iniciais da raiz originando o 499500 movimento de íons através do 164165 165166 nas raízes 134136 Estelo vascular Ver Estelo Ésteres de borato 122123 Ésteres de fosfato 122123 Ésteres de silicato 122123 Esterilidade masculina citoplas mática CMS 334 336 640641 Esteróis 11 13 344 346 Esteroleosina 2324 Estigma aderência e hidratação do grão de pólen 633 634 na autoincompatibilidade es porofítica 641642 Estiletes parte do pistilo 637 638 Estiletes de afídeos 706707 Estiolamento 537 Estípulas 554 Estômatos abertura e fechamento ver Movimento estomático acoplamento da transpiração e fotossíntese 112114 célulasguarda 113115 269 270 561 562 ver também Célulasguarda corte transversal dos 114115 definição 269270 desenvolvimento 562 563564 difusão do dióxido de carbono pelos 258260 estrutura 113114 frequência e distribuição nas folhas 269270 função dos 269270 na anatomia foliar 6 regra do espaçamento de uma célula 562 resistência estomática foliar 112113 resposta imunológica desenca deada por MAMP 717 transpiração e 110112 Estratificação 518520 520 Estresse acumulação de GABA e 328 329 definição 732 Estresse abiótico aclimatação e adaptação 733 734 acumulação de GABA e 328 329 ajustes no metabolismo e na fisiologia na recuperação do 759760 conflitos tradeoffs entre o desenvolvimento vegetativo e o reprodutivo nos ajustes ao 732733 definição 732 fontes de 731 impacto nas plantas 733740 matriz de estresses 739740 mecanismos protetores do de senvolvimento e fisiológicos 747760 mecanismos sensores de es tresse em plantas 739741 pesquisa agrícola para aumen tar a tolerância de culturas vegetais 759760 proteção cruzada mediante exposição sequencial 739740 rotas de sinalização ativadas em resposta ao 740747 sinalização única e rotas meta bólicas criadas por combina ções de estresses 737740 Estresse ambiental Ver Estresse abiótico Estresse anaeróbico 736737 Estresse luminoso genes de resposta dos cloro plastos ao 743745 impacto nas plantas 734735 735736 Estresse osmótico 735736 Estresse pela salinidade acumulação de prolina na planta e 158159 impacto na razão raizparte aérea do tomateiro 757758 impacto nas plantas 133134 734735 735736 impacto quando combinado com o estresse pelo calor 739 740 resposta de plantas sensíveis ao sal 733734 sequestro de íons sódio pela planta e 159160 tolerância interna 753 Estresse pelo frio Ver Resfria mento Congelamento Estresse por metais pesados exclusão vegetal e mecanismos de tolerância 753754 impacto nas plantas 734735 736737 impacto quando combinado com o estresse pelo calor 739 740 tolerância interna mediante fitoquelatinas e queladores 753754 Estria de Caspary estrutura e função 4344 102 103 103 134136 164165 165166 lignificação 403405 Estriga Striga 420421 727 Estrigolactonas biossíntese 428429 576 estrutura 415416 funções das 420421 TaizIndice3indd 826 TaizIndice3indd 826 27102016 094021 27102016 094021 Índice 827 na regulação hormonal do crescimento das gemas axila res 573574 576577 688690 na resposta de evitação à som bra 577578 na resposta de ramificação à deficiência de nutrientes 577 578 transporte de 429 431 574 576 Estroma aparato fotossintético e 181 182 182183 descrição do 180 estrutura e função 2526 26 27 fotoassimilação 371374 modificações de enzimas me diadas pela luz no 208209 reações de fixação do carbono no 172173 Estrômulos 2829 Estudos de enxertia no estímulo ao florescimento 608609 Etanol 320 319 321 322323 ETHYLENE RESPONSE FAC TOR1 ERF1 433434 434 436 Etileno abertura do gancho plumular da plântula e 539 abscisão foliar e 684686 amadurecimento do fruto e 658661 biossíntese 423 426 como um regulador positivo da senescência 680681 crescimento secundário e 586 587 desenvolvimento dos pelos das raízes e 546547 estrutura 415416 formação de nódulos e 366 funções do 418419 indução da expansão celular lateral na fotomorfogênese 539540 indução do florescimento 612 inibição do desenvolvimento de raízes laterais 548549 interações com a auxina nas respostas aos estresses abióti cos 747 na formação de aerênquima induzido 748750 nas respostas de defesa indu zidas à herbivoria por insetos 709710 712 regulação da dormência da se mente 518520 resistência sistêmica induzida e 723724 resposta da planta ao eliciador derivado de inseto 706708 rota de transdução de sinal 431 433434 434 436 transporte 429 431 Etilmetanossulfonato EMS 7374 Etioplastos 2728 Etiquetamento de transpóson 7374 Eucalyptus 137139 E regnans 107108 690 Eucromatina 1314 5152 Eudicotiledôneas 12 anatomia da folha do caule e da raiz 6 arquitetura do sistema de raízes 580 580581 crescimento secundário 583 588 na evolução vegetal 23 sistemas de raízes e zonas da atividade apical 134136 Euphorbia 4243 E pulcherrima 599 Eventos durante o ciclo celular 3537 3939 Evocação floral 592 Evolução da fotossíntese 198200 203 do crescimento secundário 585586 evolução da casca da semente em Arabidopsis 650651 recíproca 715 Ver também Coevolução Evolução vegetal poliploidia e 6062 relações evolutivas vegetais 23 Ver também Coevolução Evolu ção Exclusão de arseniato 733734 Exina 628629 Exocarpo 656 Exonucleases 6768 Expansinas área da parede celular destina da por 400401 na abscisão 685686 no amadurecimento de frutos 660661 no crescimento celular e na expansão da parede induzidos por ácido 398400 411412 528529 αexpansinas 399400 βexpansinas 399400 Experimentos com fonte lumino sa de feixe duplo 271272 Experimentos de ablação celular 499500 Experimentos de enriquecimento de CO2 ao ar livre FACE 262 263 Experimentos de FACE 262263 Explosivos 353 Exportação carregamento do floema 300 306 transição do dreno para a fonte nas folhas 307309 translocação no floema ver Translocação no floema Expressão gênica auxina e 489490 em respostas alelopáticas 726 fitocromos e 455 457 460461 impacto da fotorrespiração na 218219 mediada pelo jasmonato 712 713 regulação da assimetria floral 620621 regulação epigenética 1415 regulação transcricional 6268 reprogramação antes da senes cência foliar 676678 ribossomos e síntese de proteí nas 1415 17 transcrição e tradução 16 15 17 Expressão gênica impressa 646 649 Extensômetros 398399 Extremidade mais de microfila mentos e microtúbulos 29 30 31 3233 Extremidade menos de microfi lamentos e microtúbulos 30 29 31 3233 F FATPases 162163 182183 F1 complexo proteico periférico de membrana 333334 Fabaceae 288289 360361 Facilitadores da sacarose 155157 Fagaceae 137138 Fagóforos 668669 Fagus sylvatica faiaeuropeia 593 686687 Faiaeuropeia Fagus sylvatica 593 686687 Faias 137138 Falsoeupatório Kuhnia eupato rioides 579 Família da mostarda 5859 Família de fatores de transcrição DORNRÖSCHEN 502503 505 Família de fatores de transcrição GRAS 494495 Família de fatores de transcrição KANADI 502503 505 558559 587588 Família de genes ARF 558559 684 Família de genes CESA 385386 Família de genes Clp 675676 Família de genes da oclusão dos elementos de tubo crivado SEO 288291 Família de genes do AUXIN RES PONSE FACTOR ARF 558559 Família de genes FtsH 675676 Família de genes NAC 677680 Família de genes SEO 288291 Família de genes WOX 499500 500503 505 508509 558560 Família de genes WRKY 677680 681683 WRKY2 679680 WRKY53 679683 Família de genes YABBY 558560 Família de proteínas cassete de ligação ao ATP ABC transportador de malato 160 161 transportadores de peptídeos 157158 transportadores de subfamília G ABCG 429 431 transporte de auxina 489490 ver também Proteínas ABCB transporte de citocinina 574 576 transporte de estrigolactona 574 576 Família de proteínas COBRA 387388 402403 Família de proteínas JAZ 439 440 440 565 709710 Família de proteínas LEADHN RAB 752 Família de receptores do tipo qui nases ERECTA ERf 563564 Família do gene H de filamen tação sensível à temperatura 675676 Família EPFL 563564 Família EPIDERMAL PATTER NING FACTORLIKE EPFL 563564 Famílias de genes CSL 386388 genes CSLA 386 genes CSLC 386 genes CSLD 386 genes CSLF 386 genes CSLH 386 FARRED ELONGATED HYPO COTYL1 FHY1 454455 456 Farnesil 12 11 13 Farquhar Graham 246 Fase de atraso na germinação da semente 522523 Fase dos ritmos circadianos 595 Fase G1 3537 Fase G2 3536 Fase M 3536 Ver também Mitose Fase S 3536 3637 Fator de especificidade da rubis co 215217 Fator de resposta ao etileno asso ciado à hipoxia 740741 Fator de transcirção VN12 680 681 Fator de transcrição ABA INSEN SITIVE4 ABI4 443 444 Fator de transcrição ATHB8 569 Fator de transcrição AtMYB2 688690 Fator de transcrição BEL5 313 314 Fator de transcrição BES1 434 435 436437 Fator de transcrição bHLH 1 CIB1 de interação com Cry 465466 Fator de transcrição BP 587588 Fator de transcrição BRAN CHED1 BRC1 576577 Fator de transcrição BRASSINA ZOLERESISTANT1 BZR1 434 435 436437 Fator de transcrição BRC1 576 578 TaizIndice3indd 827 TaizIndice3indd 827 27102016 094021 27102016 094021 828 Índice Fator de transcrição BREVIPEDI CELLUS BP 587588 Fator de transcrição BRI1EMS SUPPRESSOR1 BES1 434 435 436437 Fator de transcrição BZR1 434 435 436437 Fator de transcrição CIB1 466 Fator de transcrição dedo de zin co JACKDAW JKD 544545 545546 Fator de transcrição do tipo SBP 660661 Fator de transcrição EGL3 544 545 545546 Fator de transcrição ENHANCER OF GLABRA3 EGL3 544545 545546 Fator de transcrição ERF1 433 434 434 436 Fator de transcrição FAMA 562 563564 Fator de transcrição GAMYB 523524 525 526527 612 Fator de transcrição GLABRA1 GL1 564565 Fator de transcrição GLABRA3 GL3 544545 545546 564 565 Fator de transcrição HY5 465 466 466 472473 Fator de transcrição LATERAL ORGAN BOUNDARIES LBD 587588 Fator de transcrição LBD 587588 Fator de transcrição MADSRIN 660661 661662 Fator de transcrição MUTE 562 563564 Fator de transcrição MYC2 709 710 Fator de transcrição RIN 660 661 661662 Fator de transcrição SPCH 562 563564 Fator de transcrição SPEECH LESS SPCH 562 563564 Fator de transcrição TTG1 544 545 545546 564565 Fator de transcrição WEREWOLF WER 544545 545546 Fator despolimerizante da actina ADF 29 31 Fator limitante 245246 Fatores de ação em trans 6465 65 67 Fatores de choque térmico 751 752 Fatores de crescimento do meris tema da raiz 545546 Fatores de interação de fitocromos PIFs 439440 460461 461 541 542 615616 Fatores de nodulação Nod 363 366 695 697 696 NodA 363364 NodB 363364 NodC 363364 NodD 363364 NodE 363364 NodF 363364 NodL 363364 Fatores de resposta à auxina ARFs ARF3 558559 ARF4 558559 elementos de resposta à auxina e 439440 funções dos 439440 492493 499500 MONOPTEROS 485486 492 493 499501 no desenvolvimento abaxial da folha 558559 no desenvolvimento vascular 500501 repressão mediada por AUX AIA 441 443 sinalização da rota de ubiquiti naproteassomo 439440 440 Fatores de transcrição ativação ou inibição durante o estresse abiótico 742743 impacto da fotorrespiração na expressão dos 218219 mediadores de respostas à au xina na raiz 499501 na transcrição gênica 6365 65 67 regulados durante a senescên cia foliar 677680 regulons de resposta ao estres se 743 743744 Fatores de transcrição bZIP 654 655 Fatores de transcrição do fator responsivo ao AP2etileno 499 501 619620 Fatores de transcrição específicos 6465 65 67 Fatores de transcrição gerais 63 64 65 67 Fatores de transcrição hélicealça hélice básicos bHLH 562 563564 Fatores de transcrição NAC 502 503 505506 559560 677681 Fatores de transcrição regulados por proteínas fosfatase da classe ABI 518 ABI3 654655 ABI4 443 444 743745 ABI5 654655 Fatores de troca de guanina nucleotídeo GEFs 485486 491492 636 637638 Fatores Myc 695 697698 Fava Vicia faba abertura estomática estimulada pela luz 270 amida na seiva do xilema 367 368 intumescimento dos protoplas tos das célulasguarda esti mulado pela luz azul 271273 mecanismo sensor de luz azul e zeaxantina nas células guarda 277 mitocôndrias das células do mesofilo 327 nitrato e compostos nitrogena dos na seiva do xilema 357 358 papel da sacarose na osmorre gulação das célulasguarda 275 276 próplastídios na raiz 2728 FCCP 333334 FdGOGAT 212213 215217 357359 Fd Ver Ferredoxina Feproteína 366368 Fecundação descrição da 625627 fecundação dupla 4 35 625 627 638640 nos ciclos de vida das plantas 23 4 35 Feijãofava Phaseolus lunatus 707708 714 724725 Feijãopreto ou black bean Casta nospermum australe 654655 Feijoeiro Phaseolus vulgaris análise da razão entre isótopos de carbono 265266 fatores de transcrição NAC 679680 nitrato e outros compostos nitrogenados na seiva do xile ma 357358 nódulos das raízes 360361 paredes celulares epidérmicas 381 plantas de dias neutros 599 propriedades ópticas da folha 247 resistência sistêmica induzida e 724725 rizóbios simbiontes 362363 semente de 514515 ureídas na seiva do xilema 367368 Feixes vasculares corte transversal 285286 traços foliares e 566 568569 Felema 585586 Feloderme 585586 Felogênio 583 585586 Fenilacetaldeído 658659 2feniletanol 658659 Fenilpropanoides 657658 Fenocópias 491492 Fenótipo fatores que afetam 51 Fenótipo fotorrespiratório 217 219 Feofitina 189190 Fermentação etapas na 320 322324 326 nas raízes em resposta à inun dação 759760 quociente respiratório 341343 Fermentação alcoólica 320 322 323 341343 Fermentação do ácido láctico 320 322323 Ferredoxina Fd complexo nitrogenase e 367 368 glutamato sintase e 357359 na assimilação de enxofre 368 369 369370 na assimilação de nitrato 357 357358 na reação luminosa 186187 outras funções na fotossíntese 193194 FerredoxinaNADPredutase FNR 182183 193194 Ferredoxinatiorredoxina reduta se 209210 210211 Ferritina 371373 Ferro absorção pelas raízes 136137 370373 aplicação foliar 131132 complexos catiônicos com car bono e fosfato 371373 efeito das rizobactérias na ab sorção pela planta 697698 efeito do pH do solo na dispo nibilidade 130131 mobilidade dentro da planta 124125 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 papel bioquímico e função fi siológica 121122 128129 queladores e disponibilidade em soluções de nutrientes 124125 transportadores de íons metáli cos 160161 Ferro férrico 370371 Ferro quelato redutase 371373 Ferroquelatase 371373 Fertilizantes aplicação foliar 131132 consumo mundial e custos 119121 lixiviação 119121 tipos de 130131 Fertilizantes com fósforo 119 120 120121 Fertilizantes compostos 130131 Fertilizantes de potássio 119120 120121 Fertilizantes mistos 130131 Fertilizantes nitrogenados 119 120 120121 Fertilizantes orgânicos 130131 Fertilizantes simples 130131 Ferulatos 389390 404405 FeSA e FeSB 193194 Festuca ovina 686687 FeSx 193194 Fetos pteridófitas abertura dos estômatos 116 117 ciclo de vida 4 35 Fibra de cromatina de 30 nm 13 14 1415 Fibras 4244 382 Fibras do floema 9 910 381381 Fick Adolf 8788 Ficoeritrobilina 174 175176 Ficus 561 Filamentos intermediários 2829 Filódio 554 Filoma 553 TaizIndice3indd 828 TaizIndice3indd 828 27102016 094021 27102016 094021 Índice 829 Filotaxia 507 Fimbrina 30 29 31 Fisiologia vegetal 1 Fissão de mitocôndrias e cloroplastos 2829 de vesículas e túbulos 1819 Fitase 522523 Fitina 522523 Fitoalexinas 721 Fitocromo A degradação na fotomorfogê nese induzida por fitocromos 461 461462 domínios estruturais 454 454 455 dormência da gema axilar e 577578 mediação de respostas à luz vermelhodistante contínua 459460 movimento do citosol para o núcleo 454455 456 proteínas PKS e 461 regulação gênica e 460461 Fitocromo B degradação na fotomorfogê nese induzida por fitocromos 461 461462 domínios estruturais 454 454 455 mediação de respostas à luz branca ou vermelha contínua 459460 movimento do citosol para o núcleo 454455 456 na resposta de evitação da sombra 577578 proteínas PKS e 461 regulação gênica e 460461 Fitocromo C 459460 Fitocromo cianobacteriano 1 Cph1 454 454455 Fitocromo D 459460 Fitocromo E 459460 Fitocromobilina 454 Fitocromos abertura do gancho plumular da plântula e 539 coatuação com criptocromos e fototropinas 466467 comprimentos de onda da luz absorvida pelos 449 desestiolamento e 449451 emergência dos primórdios foliares 554555 espectros de absorção e de ação 449451 451452 estado fotoestacionário 453 florescimento fotoperiódico e 602605 612 funções dos fitocromos C D e E 459460 germinação da semente e 449 451 interconversão das formas Pr e Pfr 452453 isoformas em angiospermas 454 mediação da fotomorfogênese 537538 539 movimento dos cloroplastos para reduzir a energia lumi nosa e 253254 mudanças conformacionais em resposta à luz vermelha 453 454 454455 na germinação da semente re gulada pela luz 518520 partição do Pfr entre o citosol e o núcleo 454455 457 percepção da sombra e evitação da sombra 540541 542 Pfr como a forma fisiologica mente ativa 453 regulação gênica e 455 457 460461 responsividade às luzes verme lha e vermelhodistante 452 respostas da planta intacta 455 457460 rotas de sinalização 459462 sincronização do relógio circa diano 596597 visão geral 452 Ver também Fitocromo A Fito cromo B Fitoeno 657658 Fitoeno sintase 7778 657658 660661 Fitólitos 699 Fitômero 572573 Fitoquelatina sintase 753754 Fitoquelatinas 733734 753754 Fitorremediação 160161 Fixação atmosférica de nitrogênio 354 355356 Fixação biológica de nitrogênio bactérias de vida livre e simbi óticas na 360362 complexo nitrogenase 366368 condições aneróbicas ou micro anaeróbicas 361363 energética da 367368 energia consumida na 353 formas transportadas de nitro gênio 367368 no ciclo do nitrogênio 354 355356 reação geral 366 simbiótica 360368 ver tam bém Fixação simbiótica de nitrogênio visão geral 359361 Fixação de nitrogênio fixação de nitrogênio de vida livre 1011 361362 fixação endofítica de nitrogê nio 362363 fixação industrial de nitrogêno 354 355356 367368 Ver também Fixação biológica de nitrogênio Fixação simbió tica de nitrogênio visão geral 354356 Fixação de oxigênio 371373 Fixação endofítica de nitrogênio 362363 Fixação simbiótica de nitrogênio bactérias e hospedeiros simbi óticos 360362 complexo nitrogenase 366368 formas transportadas de nitro gênio 367368 nódulos e formação de nódu los 362366 sinais para simbiose 363365 Ver também Fixação biológica de nitrogênio Flaveria australasica 223 Flavina adenina dinucleotídeo FADFADH2 ciclo do ácido cítrico 318319 328 328329 cromóforo FAD de criptocro mo 463464 estrutura e reação de redução 318319 formação líquida na respiração aeróbica 333334 334 336 na assimilação de nitrato 356 357 transporte mitocondrial de elé trons 328331 331 transporte mitocondrial não fosforilante de elétrons 331 332 Flavina mononucleotídeo FMN estrutura e reação de redução 318319 fototropinas e 467469 transporte mitocondrial de elé trons 330331 Flavonoides efeitos no transporte de auxi nas 490491 no amadurecimento do fruto 657658 Flavoproteína ferredoxina NADPredutase 186187 Flavoproteínaquinona oxidorre dutase 331332 Flipases 1819 Floema carregamento 300306 componentes celulares 4344 46 descarregamento 305308 diferenciação 542544 floema de coleta floema de transporte e floema de entre ga 291 função do 9 285 locação 285286 materiais translocados no 291293 295296 ver também Translocação no floema na anatomia foliar 6 nas raízes 6 134136 165166 nos caules 6 nos crescimentos primário e secundário 9 primário 569 583585 secundário 9 910 583585 585586 transição do dreno para a fonte 307309 Flordecarniça 165166 Flordelótus Nelumbo nucifera 516517 654655 Flor e fruto da framboesa 655 657 Flormáscara Alonsoa warscewi czii 291 Flores desenvolvimento reprodutivo e 479 480481 plantas monoicas e dioicas 35 termogênicas 336337 Flores estaminadas 35 Flores pistiladas 35 Florescimento evocação floral 592 fotoperiodismo 597606 612 identificação do florígeno 609 610 611 meristemas florais e desenvol vimento dos órgãos florais 612621 mudanças de fases no ápice do caule 592595 regulação por interação de fitocromo com criptocromo 466467 ritmos circadianos 594597 rotas múltiplas e fatores de re gulação 609163 sinalização de longa distância no 608610 vernalização 605608 Florestas estrutura do dossel e absorção da luz 248 manchas de sol 248249 Florígeno evidência do 608609 idenficação do 609610 611 na rota fotoperiódica do flores cimento 612 translocação no floema 608 610 Fluência categorias de resposta ao fito cromo 455 457460 definida 449451 Fluorescência 173 175 Fluxo acrópeto de auxina 486 487 Fluxo basípeto de auxina 486487 Fluxo de elétrons desacoplado 193194 Fluxo de massa da água do solo 100102 de nutrientes minerais no solo 136137 fluxo de massa no xilema acio nado pela pressão 105107 nas nervuras 566 no transporte do floema 293 295300 Fluxo de massa acionado pela pressão 105107 Fluxo quântico 246247 Fluxos de íons 146148 Fluxos iônicos fluxos ativados pela luz na mo dulação das enzimas do ciclo de CalvinBenson 210211 TaizIndice3indd 829 TaizIndice3indd 829 27102016 094021 27102016 094021 830 Índice potencial de membrana e 146 148 Fo complexo proteico integral de membrana 333334 FoF1ATPsintase 328331 331 332334 Folhas abscisão 684686 aclimatação aos ambientes de sol e de sombra 249251 anatomia Kranz 223 222 224 aplicação de fertilizantes 131 132 assimilação de ferro 371373 assimilação de sulfato nas 369370 barreiras mecânicas aos pató genos e herbívoros 698700 camada limítrofe 110111 112 113 258260 carregamento do floema 305 306 conexão funcional entre a epi derme e a camada de aleurona do endosperma 648649 desenvolvimento ver Desen volvimento foliar Polaridade foliar Primórdios foliares difusão do dióxido de carbono para o cloroplasto 258260 dissipação do acúmulo de calor 255257 dissipação do excesso de ener gia luminosa 252255 efeitos da propriedades foliares na fotossíntese 246251 efeitos dos níveis de dióxido de carbono na assimilação de nitrato 373374 epiderme 3940 esfriamento pela transpiração 255256 estratégias dos patógenos para invadir 715717 etileno e epinastia 418419 expansão por interdigitação das paredes das células fun damentais pavement cells 393395 395396 frequência e distribuição dos estômatos 269270 função das 35 6 gutação 103105 hipótese da defesa ótima 705 idade do desenvolvimento e cronológica 671673 massa foliar total da árvore 690 morfologia 553554 movimento ver Movimento foliar movimento da água através das 110117 no fitômero 572573 padrões de venação 565573 ver também Nervuras foliares percepção do sinal fotoperiódi co 599 plasticidade fenotípica 756758 pressão parcial do dióxido de carbono no espaço intercelu lar 260 261 265266 propriedades ópticas 247 regulação da alocação de fotos sintatos 310311 resistência hidráulica 111112 senescência ver Regulação da senescência foliar Síndrome da senescência foliar síntese citosólica da sacarose 239241 tecidos fundamentais 3940 teoria da coesãotensão de as censão da seiva e 107109 transição do dreno para a fonte 307309 variegação 6263 volume do espaço de ar 111 112 Folhas bipinadas 554 Folhas compostas desenvolvimento 559560 tipos de 554 Folhas de sol 246 249251 Folhas de sombra 246 249251 Folhas palmadas 554 Folhas paripinadas 554 Folhas sésseis 554 Folhas simples 554 Folhas tripinadas 554 Folhas vegetativas 553 Folíolos desenvolvimento 559560 em folhas compostas 554 Fonte de auxina 568569 Fontes ajuste a mudanças de longo prazo na razão da fonte para o dreno 311312 definição 291 modelo do fluxo de pressão de translocação no floema 293 295296 pressão de turgor e hormônios na regulação das relações fontedreno 312313 regulação da alocação de fotos sintatos 310311 translocação da fonte para o dreno no floema 291292 Força motriz de prótons descrição da 194 na fotossíntese 172173 no transporte secundário ativo 153155 síntese de ATP e 332334 411 412 Forissomos 288291 Formação de cristais de gelo impacto nas plantas 736737 mecanismos para impedir 753 755 Formação de cristais de gelo ex tracelulares 736737 Formação de cristais de gelo in tercelulares 736737 Formação de padrões durante a embriogênese de Arabidopsis 482 Formação do fuso 37 38 39 Forminas 30 29 31 Fosfatase PP2 502503 505 Fosfatidilcolina estrutura 12 343344 345 nas membranas mitocondriais 327 síntese 346 347 Fosfatidiletanolamina estrutura 343345 nas membranas mitocondriais 327 síntese 346 347 Fosfatidilglicerol estrutura 345 nas membranas mitocondriais 327 síntese 346 347 348349 Fosfatidilinositol 345 346 347 348349 Fosfatidilinositol45bifosfato PIP2 348349 Fosfatidilserina 345 Fosfato absorção pela raiz 136137 absorção pelas ectomicorrizas 139140 absorção pelas micorrizas ar busculares 138139 assimilação 369370 complexos de cátions de ferro 371373 efeitos da temperatura na dis ponibilidade nos cloroplastos 257258 efeitos do pH do solo na dispo nibilidade 133134 falta de mobilidade e disponi bilidade no solo 132133 na seiva do floema 291292 regulação da síntese citosólica de sacarose 239240 241 transporte transmembrana nas mitocôndrias 333334 335 Fosfato de hidrogênio carregamento do xilema na raiz 165166 concentração nos tecidos das raízes da ervilha 147148 148 149 Fosfato de rocha 130131 Fosfato inorgânico PPi 163164 3fosfoadenilato 368369 3fosfoadenosina5fosfossulfato PAPS 368369 369370 Fosfoenolpiruvato PEP estrutura 319 321 metabolismo ácido das crassu láceas 225 228229 229230 na biossíntese de aminoácidos 359360 360361 na conversão de gorduras em açúcares durante a germina ção da semente 349350 350 351 na fotossíntese C4 221 222 224225 na glicólise e na regulação da glicólise 320 321324 326 338339 na síntese de fenóis 326327 rotas alternativas de metaboli zação 320 322324 326 328 329 Fosfoenolpiruvato carboxilase PEPCase metabolismo ácido das crassu láceas 225 228231 na fotossíntese C4 221 222 224225 regulação da 230231 Fosfofrutoquinase interconversão citosólica de hexoses 238239 239 na conversão de trioses fosfato 226 na glicólise 320 321324 326 Fosfofrutoquinase dependente de ATP 320 322324 326 Fosfofrutoquinase dependente de fosfato 238239 239 Fosfofrutoquinase dependente de PPi 226 320 322323 3fosfoglicerato ciclo de CalvinBenson 203 204 204205 205207 ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 212214 213 215 217 ciclo proteobacteriano fotos sintético oxidativo C2 do car bono 217218 218219 na biossíntese de aminoácidos 359360 360361 na glicólise 320 319 321 321 322 2fosfoglicerato 319321 Fosfoglicerato mutase 320 3fosfoglicerato quinase 204205 207 320 321322 Fosfoglicerolipídeos 413415 2fosfoglicolato ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 212214 213 215 217 ciclo proteobacteriano fotos sintético oxidativo C2 do car bono 216218 em uma possível reengenharia genética da fotorrespiração 219221 2fosfoglicolato fosfatase 212213 213 215 Fosfoglucano hidrodiquinase 236 237 Fosfoglucomutase 227 320 6fosfogluconato 325 Fosfoinositídeos 348349 Fosfolipase A PLA 413415 415 Fosfolipase A2 PLA2 710 712 711 Fosfolipase C PLC 413415 415 Fosfolipase D PLD 413415 415 Fosfolipídeos estrutura e função nas mem branas 1011 12 13 nas membranas mitocondriais 327 Fosforilação de proteínas regulação da atividade da ni trato redutase 357 TaizIndice3indd 830 TaizIndice3indd 830 27102016 094021 27102016 094021 Índice 831 regulação de quinases depen dentes de ciclina 3637 39 regulação do metabolismo do amido 237 Fosforilação em nível de substrato ciclo do ácido cítrico 328 328 329 definição 321322 produção total de ATP da 333 334 334 336 Fosforilação oxidativa desacopladores 333334 fluxo de elétrons mediante complexos transmembrana multiproteicos 330332 mecanismos que baixam a pro dução de ATP 334 336338 na respiração vegetal 318 proteínas codificadas pelo ge noma mitocondrial 334 336 ramos suplementares 331333 síntese e produção de ATP 332334 336 visão geral 318319 328331 Fosforito 130131 Fósforo efeito do pH do solo na dispo nibilidade 130131 em fertilizantes 130131 mobilidade dentro da planta 124125 na solução de Hoagland modi ficada 123124 124 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 papel bioquímico e função fi siológica 121122 125127 Fosforribuloquinase 204205 208211 211212 Fotoassimilação 371374 Fotoblastia 447 518520 Fotocromismo 452453 Fotofisiologia poder de resolução da 280281 Fotofosforilação 193195 Fotoinibição 196198 Fotoinibição crônica 254255 Fotoinibição dinâmica 254255 Fotoliase 463 Fotomorfogênese definição 447 537 indução da expansão celular lateral pelo etileno 539540 induzida por fitocromo 460 462 regulação da abertura do gan cho plumular por fitocromo e auxina 539 respostas à radiação UVB 472474 supressão no escuro por GA e brassinosteroides 537538 visão geral 537538 Fotonastia 447 Fótons definição 172173 proteção contra fotodanos 195198 Fotoperiodismo categorias de respostas fotope riódicas 597599 definição 447 592 597 efeito das quebras da noite 599 601 fitocromo e 602605 hipótese do relógio 599600 601 medição do comprimento da noite pela planta 599 599600 modelo de coincidência 599 604 percepção foliar do sinal foto periódico 599 regulação pela luz azul em al gumas plantas de dias longos 604606 rota fotoperiódica no floresci mento 612 visão geral 597 Fotoproteção 195197 Fotoquímica 175178 Fotorreceptor UV RESISTANCE LOCUS 8 UVR8 449 472474 Fotorreceptores absorção de luz suficiente para ativar fotorrespostas 449452 coatuação de criptocromos fitocromos e fototropinas 466467 complexo carotenoideproteí na 280 criptocromos 463466 definição 448 espectros de absorção e ação 449451 451452 fitocromos 452455 457 fototropinas 466473 proteínas ZEITLUPE 449 461 462 visão geral 448449 Ver também fotorreceptores individuais Fotorreceptores de luz azul criptocromos 463466 fototropinas 466473 proteínas ZEITLUPE 449 461 462 tipos de 461462 Fotorreceptores ZEITLUPE ZTL 449 461462 Fotorreceptores ZTL 449 461462 Fotorrespiração aumento da biomassa pela en genharia genética 218221 efeitos da temperatura na 257 258 258259 em cianobactérias 216218 218219 fotoassimilação e 373374 fotossíntese C4 e 225 228229 localização da 211212 reações da 212217 Ver também Ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono Fotorrespostas à radição ultravioleta 472474 absorção de radiação solar sufi ciente para ativar 449452 emergência dos primórdios foliares 554555 fotorreceptores 448452 fotorreversibilidade 452453 respostas à luz azul 461463 ver também Respostas à luz azul respostas do fitocromo 455 457460 visão geral 447448 Fotorreversibilidade 452453 455 457 Fotossintatos acumulação e partição 230 231 309312 carregamento do floema 300 306 competição entre tecidos do dreno por 310312 definição 291 descarregamento do floema 305308 formação e mobilização de amido no cloroplasto 231239 modelo de fluxo de pressão do transporte no floema 293 295300 translocação no floema ver Translocação no floema Fotossíntese absorção e emissão de luz pelas moléculas 173 175176 complexo antena e organização do centro de reação 176178 181183 185186 efeitos da luz na 250256 efeitos da temperatura na 255 258 258259 efeitos das propriedades da folha na 246251 efeitos do dióxido de carbono na 258264 eficiência da conversão da luz em energia química 177178 espectros de ação 176177 177 genes dos cloroplastos 197200 montagem de proteínas dos cloroplastos 198200 razão entre isótopos de carbo no 263267 reações de carboxilação ver Reações de carboxilação da fotossíntese Fotossíntese C4 ciclo C4 do car bono anatomia Kranz 222 223 224 atividade das enzimas regulada pela luz 224225 células do mesofilo na 222 223 224225 efeitos do dióxido de carbono na 260261 efeitos projetados dos níveis elevados de CO2 na 263 eficiência fotossintética sen sível à temperatura 257258 258259 em células individuais 223 224225 estágios e compartimentos 221 222 224 ideal térmico fotossintético 256258 mecanismos de descarboxila ção dos ácidos C4 nos cloro plastos das células da bainha do feixe 222 224 plantas tolerantes ao resfria mento 225 228229 processos de transporte na 224225 228229 produções primárias da carbo xilação 221222 produtividade quântica máxi ma 251252 reações da 222 redução da fotorrespiração em climas quentes e secos 225 228229 visão geral 219221 Fotossistema I PSI clorofila P700 187188 descoberta do 178179 estrutura 192194 função na fotossíntese 186187 herbicidas e 193194 organização e estrutura na membrana do tilacoide 181 182 182183 partição de energia entre PSI e PSII 197198 proteção de espécies reativas de oxigênio 197198 proteínas do complexo I de captação de luz 183 185186 razão entre PSI e PSII 181183 transporte de elétrons no esquema Z 178179 180 185 187 192193 Fotossistema II PSII centro de reação de bactérias purpúreas e 183 185 clorofila P680 187189 complexo aceptor de elétrons 189190 descoberta do 178179 efeito de herbicidas no 193194 estrutura do 188189 189 fotoinibição 196198 254256 funções na fotossíntese 186 187 organização e estrutura na membrana do tilacoide 181 182 182183 oxidação de água a oxigênio 188189 partição de energia entre PSI e PSII 197198 proteínas do complexo II de captação de luz 183 185186 quenching não fotoquímico 196197 razão entre PSI e PSII 181183 respostas das plantas à sombra e 247248 250251 transferência de elétrons entre PSI e PSII 192193 TaizIndice3indd 831 TaizIndice3indd 831 27102016 094022 27102016 094022 832 Índice transporte de elétrons no esquema Z 178179 180 185 187 Fototaxia 461462 Fototropinas autofosforilação induzida pela luz azul 469 469470 coatuação com criptocromos e fitocromos 466467 domínio LOV2 449451 452 469 espectro de ação 449451 452 fototropina 1 489490 535536 fototropina 2 535 função das 449 461462 interação com a auxina no foto tropismo 469 mudanças conformacionais in duzidas pela luz azul 467469 no fototropismo 535536 regulação do movimento dos cloroplastos 469471 visão geral 466469 Fototropismo auxina e 469 535536 definição 447 528529 535 eventos póstradução 535537 nos coleóptilos 407 417 535 Fragmoplasto 38 39 391393 Frankia 361362 695 697 Fraxinus 305306 F excelsior 285286 516517 686687 Freixo Fraxinus 305306 Freixo europeu Fraxinus excel sior 285286 516517 686687 Frequência da luz 172173 FRET 183 185 Fritillaria assyriaca 1314 Fruto climatérico 658661 Fruto não climatérico 658661 Frutos desenvolvimento 660661 661662 fruto climatérico e não climaté rico 658661 mecanismos de amadurecime to e regulação 657662 ver também Amadurecimento de frutos sistemasmodelo de desen volvimento do tomateiro e de Arabidopsis 655 657658 temperatura e respiração pós colheita 341343 tipos de 655 657 Frutos agregados 655 657 Frutos carnosos amadurecimento 657658 definição 655 657 desenvolvimento 655 656 657658 Frutos deiscentes 655 657 Frutos indeiscentes 655 657 Frutos múltiplos 655 657 Frutos secos 655 657 Frutos simples 655 657 Frutose durante o amadurecimento do fruto 658659 em açúcares não redutores 294 forma redutora 294 na glicólise 320 321322 Frutose16bifosfatase ciclo de CalvinBenson 204 205 208211 fotossíntese C4 226 síntese de sacarose no citosol 238239 239 310311 Frutose16bifosfato ciclo de CalvinBenson 208 estrutura 319 321 formação no citosol 238239 na glicólise 320 322324 326 338339 Frutose16bifosfato aldolase 226 Frutose16bifosfato fosfatase 322323 Frutose26bifosfatase 226 Frutose26bifosfato 238239 239 323324 326 Frutose26bifosfato fosfatase 238239 239 Frutose6fosfato ciclo de CalvinBenson 208 estrutura 319 321 interconversão de hexoses fos fato citosólicas 238239 239 na glicólise 320 322324 326 338339 rota oxidativa das pentoses fos fato 325 326327 Frutose6fosfato1quinase 226 Frutose6fosfato2quinase 226 238239 239 Frutose6fosfato2quinasefru tose26bifosfato fosfatase 239 FT INTERACTING PROTEIN1 FTIP1 609610 611 Fucose 382383 Fumaça quebra da dormência da semente e 520 Fumarase 328 Fumarato 328 328329 331 349351 Fungos efeitos do pH do solo nos 132 134 micorrízicos 137140 Funículo 630 631 Fusão de mitocôndrias 2425 de vesículas e túbulos 1819 Fusão dos protoplastos 7576 Fusão gênica 7477 Fusarium F fujikuroi 417418 F oxysporum 723725 Fusicoccina 162163 272273 396397 470471 715717 717 Fusicoccum amygdali 715717 Fuso mitótico 37 39 38 G GA 2oxidase GA2ox 423 441 443 442 518 684 GA 3oxidase GA3ox 423 441 443 442 518 GA Ver Giberelinas GABA 328329 GABA desvio de 328329 Gaeumannomyces graminis 697 698 Gafanhoto castanho Nilaparvata lugens 289291 Gafanhotos 706708 Galactanase 660661 Galactanos 382 389390 Galactinol 303 Galactolipídeos 1011 13 2426 343344 Galactonogamalactona desidro genase 332333 Galactose 292293 294 382383 382383 388389 Galha da coroa 7576 Galium aparine 3940 Gametas definição 23 não reduzidos 5758 nos ciclos de vida das plantas 25 4 produção de 625627 Gametófito feminino desenvolvimento no rudimento seminal 625627 estágios de polinização 633 634 Gametófito masculino desenvolvimento nos estames 625629 estágios da polinização 633 634 Gametófitos 25 4 Ver também Gametófito femini no Gametófito masculino Garner Wightman 597 GAUT1 e GAUT7 389390 GAX Ver Glucuronoarabinoxi lano GCbox 6364 6465 GEFs Ver Fatores de troca de guanina nucleotídeo Gemas axilares dormência em plantas lenho sas 577579 efeito da disponibilidade de sacarose no crescimento 576 577 577578 localização e função 910 no corpo da planta 6 no desenvolvimento vegetati vo 572574 regulação hormonal do cresci mento 573577 supressão durante a senescên cia monocárpica 688690 Gene AGAMOUS AG 615616 616620 Gene AGAMOUSLIKE13 AGL13 618619 Gene AGL13 618619 Gene AINTEGUMENTA ANT 504 587588 Gene AmSEP3B 615616 Gene ANT 504 587588 Gene AP1 615616 Gene AP2 615616 Gene APETALA1 AP1 ativação 609610 611 612 identidade dos órgãos florais e 615618 Gene APETALA2 AP2 615616 616620 Gene APETALA3 AP3 616617 617620 Gene ASI 555556 Gene ASYMMETRIC LEAVES1 AS1 555556 Gene AtCO 615616 Gene ATML1 493494 494495 Gene AtNHX1 159160 Gene AUXIN RESPONSE FAC TOR 2 ARF2 684 Gene Bph14 718719 Gene Brachytic2 BR2 489490 Gene BRANCHED FLORETLESS1 615616 Gene BRC2 577578 Gene CAL 615616 Gene CAPRICE CPC 544545 545546 Gene carotenodessaturase 7778 Gene CAULIFLOWER CAL 615616 Gene CHL1 157158 Gene CKX3 560 Gene CNR 660661 661662 Gene CO 577578 601606 609 610 612 Gene CONSTANS CO 577578 601606 609610 612 Gene CPC 544545 545546 Gene CRABS CLAW CRC 558 559 Gene CRC 558559 Gene CYCLOIDEA 620 621 Gene CYP85A1 631632 Gene CYTOKINN RESPONSE1 CRE1 494495 Gene DEETIOLATED2 DET2 537538 Gene DEFECTIVE KERNEL1 DEK1 648649 650651 Gene DEFH200 615616 Gene DEFH49 615616 Gene DEFH72 615616 Gene DEK1 648651 Gene DET2 537538 Gene DICHOTOMA 620 Gene DIR1 721722 Gene DIVARICATA DIV 620 Gene DWARF4 5354 Gene FACKEL FK 485486 Gene FARINELLI 615616 Gene FASS 484485 Gene fass 494496 Gene FBP711 620 Gene FC1 576577 Gene FINE CULM1 FC1 576 577 Gene FLC 607 608 612 615616 744745 Gene FLO 615616 Gene FLORALBINDING PRO TEIN711 FBP711 620 Gene FLORICAULA FLO 615 616 TaizIndice3indd 832 TaizIndice3indd 832 27102016 094022 27102016 094022 Índice 833 Gene FLOWERING LOCUS C FLC 607 608 612 615616 744745 Gene FLOWERING LOCUS T FT dormência das gemas axilares e 577578 florígeno 609610 611 612 mudanças epigenéticas na res posta aos estresses abióticos 744745 regulação pelo CIB1 466 transporte no floema 313314 Gene FRUITFUL FUL 615616 660661 661662 Gene FT Ver Gene FLOWERING LOCUS T Gene FUL 615616 660661 661662 Gene GA 20OXIDASE1 507 Gene GLABRA2 GL2 544545 545546 565 Gene GLOBOSA 615616 Gene GLOSSY15 615616 Gene gun 7577 Gene GUN1 744745 Gene GURKE GK 485486 Gene GUS 7475 Gene H1 724725 Gene HAESA HAE 685686 Gene HAESALIKE2 HSL2 685686 Gene HAIKU 651 Gene Headingdate1 Hd1 601 602 602604 612 615616 Gene Headingdate3a Hd3a 601 602 602604 Gene HSL2 685686 Gene HY4 463 Gene IDA 685686 Gene INDESISCENT IND 660 661 661662 Gene INFLORESCENCE DEFI CIENT IN ABSCISSION IDA 685686 Gene ipt 681683 683 Gene ISOPENTENIL TRANSFE RASE7 IPT7 423 426 555556 560 Gene JOINTLESS 684685 Gene KNOTTED1 507 Gene LEAFY LFY ativação 609610 611 612 identidade do meristema floral e 615616 Gene lhcb 743745 Gene MAX4 576 Gene MCMI 618619 Gene MERISTEM LAYER1 ATML1 493494 494495 Gene Mi1 718719 Gene MONOPTEROS MP 485 486 492493 499500 502503 505506 504 Gene MP 485486 492493 499 500 502503 504 505506 Gene NAMA1 678680 Gene NPH1 466467 Gene OsFD1 615616 Gene para chalcona sintase 7172 Gene PHABULOSA PHB 555 556 558559 Gene PHAN 555556 558559 559560 Gene PHAVOLUTA PHV 555 556 558559 Gene PHB 555556 558559 Gene PHOTOPERIOD SENSITI VITY5 Se5 602604 Gene PHV 555556 558559 Gene PHYA 604605 Gene PHYTOCHROME INTE RACTING FACTOR4 PIF4 615616 Gene PI 615616 616620 Gene PISTILLATA PI 615616 616620 Gene PLENA 615616 Gene PRESSED FLOWER PRS 558560 Gene PROTODERMAL FACTOR2 PDF2 493494 494495 Gene PRS 558560 Gene RabG3b 671 Gene RADIALIS RAD 620 Gene RAX 573574 Gene REGULATOR OF AXILLA RY MERISTEM FORMATION ROX 573574 Gene REGULATOR OF AXILLA RY MERISTEMS RAX 573574 Gene REPLUMLESS RPL 660 661 661662 Gene RLF 615616 Gene ROUGH SHEATH2 RS2 555556 Gene ROX 573574 Gene RPL 660661 661662 Gene RS2 555556 Gene SAG113 680681 Gene SCARECROW SCR 494 496 496497 499500 500501 Gene SCR 494496 496497 499 500 500501 Gene SHOOT MERISTEMLESS STM 504 505507 587588 Gene SHORTROOT SHR 494 496 496497 499500 500501 Gene SHORT VEGETATIVE PHA SE SVP 615616 Gene SOC1 607 612 615616 619620 744745 Gene SPL 631632 Gene SPOROCYTELESS SPL 631632 Gene SQUAMOSA 615616 Gene STM 504 505507 587588 Gene SUPPRESSOR OF OVER EXPRESSION OF CONSTANS1 SOC1 607 612 615616 619 620 744745 Gene SVP 615616 Gene TB1 576577 Gene TEOSINTE BRANCHED1 TB1 576577 Gene TFL1 577578 Gene TIC 466467 Gene TIME FOR COFFEE TIC 466467 Gene TLD1 747 Gene TON2 484485 Gene TRANSPARENT TESTA GLABRA2 TTG2 651 Gene TTG2 651 Gene Vat 718719 Gene WOL 542543 Gene WOODEN LEG WOL 494 495 495496 542543 Gene WUS 500507 504 Gene YUC6 420421 422423 Gene ZAG1 615616 Gene ZAP1 615616 Gene ZAT12 743744 Gene ZMM2 615616 Gene βglucuronidase GUS 7475 Genes de proteínas de transporte em membranas 157158 domínios 7475 métodos para estudar a função gênica 7277 modificações genéticas de cul turas vegetais 7678 Genes ATG relacionados à auto fagia 668671 Genes AIA18 e AIA28 581582 Genes ARBORKNOX 587588 Genes ARP 555556 Genes ARR do tipo A 432 433 434 Genes ARR do tipo B 432 433 434 Genes ARR7 e ARR15 500501 501 505506 Genes associados à senescência SAGs 676677 684 Genes Blade on Petiole BOP 559560 Genes BOP 559560 Genes CLAVATA CLV 415417 504 505509 Genes CLV 415417 504 505509 Genes CUC 502503 505506 504 559560 Genes CUPSHAPED COTYLE DON CUC 502503 505506 504 559560 Genes da Classe A 616620 Genes da Classe B 617620 Genes da Classe C 617620 Genes da Classe D 619620 Genes da Classe E 618620 Genes da família da protease ca seinolítica 675676 Genes da identidade dos órgãos florais funções dos 614 modelo ABC da identidade dos órgãos florais 616619 mutações homeóticas e a iden tificação dos 616617 Genes da nodulação nod 363 364 Genes da virulência vir 7576 Genes de avirulência avr 718 719n Genes de homeodomínio 506 507 Genes de resposta precoce 523 524 Genes de resposta primária 460 461 523524 Genes de resposta secundária 460461 523524 Genes de resposta tardia 523524 Genes de senescência regulados para baixo SDGs 676677 Genes dos cloroplastos 197200 743745 Genes expressos maternalmente MEGs 646647 Genes expressos paternalmente PEGs 646647 Genes FERTILIZATIONINDE PENDENT SEED FIS 645649 Genes FIS 645649 Genes homeóticos no floresci mento 616620 Genes IPT 745746 IPT1 576 IPT2 576 IPT3 683 IPT7 423 426 555556 560 Genes KNOTTED1LIKE HOME OBOX KNOX desrepressão durante a forma ção de folhas compostas 559 560 manutenção de nichos de cé lulastronco nos meristemas 508509 587588 regulação da citocinina e GA no meristema apical do caule 423 426 506507 repressão pelos genes ARP nos primórdios foliares 555556 Genes LAS 573574 684685 Genes LATERAL SUPPRESSOR LAS 573574 684685 Genes MADS box 618620 660 661 661662 Genes NAMB 677680 Genes nodulinos 363364 Genes PHOT 466467 Genes PLETHORA PLT 499 500 500501 Genes R 718719 724725 Genes relacionados à abscisão 685686 Genes relacionados à oclusão dos elementos de tubo crivado SEOR 287291 Genes repórteres 7477 Genes saltadores Ver Transpó sons Genes SEOR 289291 Genes SEPALLATA SEP 615 616 618620 660661 Genes SHATTERPROOF SHP 547548 620 660661 661662 Genes SHP 547548 620 660 661 661662 Genes simbióticos essenciais 695 697 696 Genes vir 7576 Genes YUCCA na biossíntese de auxina 420 421 422423 TaizIndice3indd 833 TaizIndice3indd 833 27102016 094022 27102016 094022 834 Índice na emergência dos primórdios foliares 554555 no crescimento da lâmina fo liar 559560 no desenvolvimento das ner vuras foliares 571573 no desenvolvimento do saco embrionário 631632 regulação negativa da senes cência foliar pela auxina 684 Genetas 583 Gengibreselvagem 251252 Genoma mitocondrial características do 6163 complexos respiratórios codifi cados por 334 336 esterilidade masculina cito plasmática 640641 Genoma nuclear cromatina 5152 meiose 5356 organização dos cromossomos durante a interfase 5354 poliploidia 5662 ver também Poliploidia regulação gênica póstradução 7173 regulação gênica póstranscri cional 6772 regulação gênica transcricio nal 6268 transpósons 5254 visão geral 1314 5152 Genoma plastidial 6163 Genomas citoplasmáticos 6163 de organismosmodelo 12 Ver também Genoma mitocon drial Genoma nuclear Genomas organelares 6163 Geração esporofítica 4 35 625 Geração gametofítica 4 35 625 625627 Geranilgeranil 12 11 13 Geranilgeranildifosfato GGPP 423 Germinação definição 480481 precoce 517518 Germinação da semente absorção de água e fases de 520523 condições necessárias para 513 conversão de lipídeos armaze nados em carboidratos duran te 348351 definição 520 fitocromos e 449451 459460 mobilização de reservas arma zenadas 522524 526527 Germinação précolheita 517 518 518 Gerontoplastos 675 Gesso 132133 Gibberella fujikuroi 417 715717 Giberelinas GA acumulação no meristema api cal do caule 507 biossíntese 422423 424 como reguladores negativos da senescência 684 crescimento secundário e 586 587 descoberta das 417418 efeitos das 417 417418 estrutura 415416 formas das 417418 indução do florescimento 609 610 612 na regulação da produção 594 595 na resposta de evitação da sombra 541 542 produção de αamilase durante a germinação estimulada por GA 522524 526527 produzidas por patógenos 715 717 razão ABAGA como o deter minante primário da dormên cia da semente 517520 supressão da fotomorfogênese no escuro 537538 transporte 312313 429 431 Gimnospermas características das células cri vadas 287288 células condutoras do xilema 103105 células crivadas 4344 45 ciclo de vida 4 35 crescimento secundário 583 588 definição 12 lenho de compressão 408 na evolução vegetal 23 respostas fotorreversíveis in duzidas por fitocromos 453 tecido haploide da semente 35 translocação no floema 298 300 Gineceu 630632 Ginkgo 401402 G biloba 684 687688 Girassol Helianthus annuus aerênquima 341343 efeitos do estresse hídrico na fotossíntese e na expansão foliar 735736 gliconeogênese 321322 mudanças diárias no conteúdo de xantofila 253254 murcha foliar 254255 nitrato e outros compostos nitrogenados na seiva do xile ma 357358 Glaucophytae 203 Glicano 382 Glicanos Nligados 1920 Gliceolina I 721 Gliceraldeído2fosfato 207 Gliceraldeído3fosfato alocação entre o amido e a sín tese da sacarose 310311 ciclo de CalvinBenson 204 205 208 estrutura 319 321 glicólise 320 321322 na formação citosólica de frutose16bifosfato 238239 rota oxidativa das pentoses fos fato 325 326327 Gliceraldeído3fosfato desidro genase 210211 211212 320 321322 Glicerato ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono proteobacteriano 217218 218219 gerado no ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 212 213 214 213 215217 Glicerato quinase 212213 213 215218 218219 Glicerofosfolipídeos 344 346 345 Gliceroglicolipídeos 344 346 345 Glicerol3fosfato 721722 Glicerol 343344 Glicerolipídeos 346349 Glicerolipídeos polares 343346 344 346 Glicina ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 212213 214 213 215 rota fotossintética 359360 360361 Glicina betaína 748750 Glicófitas 735736 753 Glicolato ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 212213 214 213 215 ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono proteobacteriano 217218 218219 em uma possível reengenharia genética da fotorrespiração 219221 Glicolato desidrogenase 217221 218219 Glicolato oxidase 212213 213 215 Glicolato oxidase catalase 219221 Glicólise acoplamento às rotas biossinté ticas 338340 comparada em células animais e vegetais 319 321 etapas e fases 320 321324 326 fontes de carboidratos 319 321322 produção líquida de ATP 334 336 reações glicolíticas alternativas 321323 redundância metabólica 321 322 regulação da 323324 326 rotas fermentativas 320 319 321324 326 visão geral 318 Gliconeogênese 321323 349351 Glicoproteínas nas paredes celulares primá rias 399400 processamento de 1921 Glicoproteínas Nligadas 1920 Glicoproteínas ricas em hidroxi prolina HRGPs 382 382383 Glicose a partir da degradação do ami do à noite 236 237 coeficiente de difusão 8788 durante o amadurecimento do fruto 658659 estruturas conformacionais 382383 forma redutora 294 gliconeogênese 321323 349 351 na conversão de gorduras em açúcares durante a germina ção da semente 349351 na glicólise 320 319 321322 rota oxidativa das pentoses fos fato 323324 326327 Glicose1fosfato 239 320 Glicose6fosfato a partir da degradação do ami do à noite 237 estrutura 319 321 na glicólise 320 321322 ver também Glicólise produção citosólica a partir de trioses fosfato 238239 239 regulação da síntese citosólica da sacarose 239240 241 rota oxidativa das pentoses fos fato 318 323324 326327 Glicose6fosfato desidrogenase 325 326327 Glicosidases 393 705 Glicosídeos 423 Glicosídeos cardíacos 701702 Glicosídeos cianogênicos 704 705 Glicosil 382383 Glicosilases 65 67 Glicosilceramida 345 Glicosilglicerídeos 1011 13 Glicosiltransferases 386390 Glicosinolatos 702704 Glicossomos 349351 Glifosato 7778 Glioxilato ciclo do carbono fotossintético oxidativo C2 212213 214 213 215 ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono proteobacteriano 217218 218219 em uma possível reengenharia genética da fotorrespiração 219221 Glioxissomos 2324 Gloeothece 362363 Glomeromycota 137138 695 697 Glomus G intraradices 695 697 G mosseae 138139 Glucanases 685686 720 Glucano hidrodiquinase 236237 Glucanos 382 387390 Ver também Celulose 1314βDGlucanos 389 401 TaizIndice3indd 834 TaizIndice3indd 834 27102016 094022 27102016 094022 Índice 835 Glucanos de ligação mista 389 390 Glucomanano 391 402 Glucuronoarabinoxilano GAX 382 389390 391 391393 399400 Glucuronoxilano 391393 Glutamato gerado no ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 212 213 214 213 215217 na assimilação de amônio 357 360 358359 na assimilação de nitrato 373 374 na fotossíntese C4 222 na seiva do floema 292293 294 rota biossintética 359360 360361 Glutamato desidrogenase 358 359 359360 Glutamato glioxilato aminotrans ferase 212213 213 215217 Glutamato sintase 357360 373374 Glutamato sintase dependente de ferredoxina FdGOGAT 212 213 215217 357359 Glutamina gerada no ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 215 216 na assimilação de amônio 357 360 358359 na seiva do floema 292293 294 rota biossintética 359360 360361 Glutamina sintase GS ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 212213 215217 na assimilação de amônio 357 360 358359 373374 Glutamina2oxoglutarato amino transferase GOGAT 357360 373374 Glutationa 368369 369370 750751 Glutationa peroxidase 750751 751752 Glutationa redutase 750751 751752 Glycine max Ver Soja Gnetales 103105 Goethe Wolfgang von 616617 GOGAT 357360 373374 Gorduras reserva de energia 343344 triacilgliceróis 343344 346 Gossypium hirsutum Ver Algo doeiro Gotas de orvalho 103105 Gradiente eletroquímico de prótons síntese mitocondrial de ATP 332334 transporte transmembrana em mitocôndria e 333334 335 Gradientes de concentração difu são e 8788 Gradientes de pressão modelo de fluxo de pressão de transporte no floema 293 295296 298299 movimento da água pelo xile ma e 106108 Gradientes de prótons através do tonoplasto 163164 força motriz de prótons 153 155 nas mitocôndrias 2425 osmorregulação nas células guarda e 275 GramaazuldoKentucky Poa pratensis 579 Gramabermuda Cynodon dac tylon 2526 Gramadebúfalo Buchloe dac tyloides 579 Gramadetimothy Phleum pra tense 2627 114 Gramíneas células epidérmicas 561 célulasguarda 113114 114 estômatos 114115 fixação endofítica de nitrogê nio 362363 hemiceluloses da parede celu lar primária 389390 391 ligações de carboidratos lignina nas paredes celulares 404405 movimento foliar para reduzir o excesso de energia lumino sa 254255 pólen 628629 sensibilidade à temperatura da eficiência fotossintética 257 258 258259 sideróforos 370371 371373 Grana ATPsintase nas 194 decomposição durante a senes cência foliar 675 nos cloroplastos 2526 2627 181182 nos cromoplastos 2728 Grande Fome da Irlanda 697698 Grânulos de amido 232 233 Grão Ver Milho Grãos de aleurona 514515 Grãos de amido 275 Grãos de cereais desenvolvimento do endosper ma amiláceo 645646 646 647 embriões de 514516 estrutura dos grãos 522523 523 643644 germinação précolheita 517 518 518 mobilização de reservas arma zenadas durante a germina ção 522524 526527 Grãos de pólen aderência e hidratação sobre o estigma 633 634 estágios de polinização 633 formação 625627 627628 na autoincompatibilidade ga metofítica 641642 642643 paredes celulares 628629 Gravitropismo bainha amilífera em caules de eudicotiledôneas 532533 533534 definição 528529 hipótese do amidoestatólito 530532 movimento da auxina na raiz e 532533 nas raízes 134136 530533 papel da endocitose e dos ca nais iônicos no 2223 pH e íons cálcio como mensa geiros secundários 532535 redistribuição lateral de auxina e 528530 Grupos fenólicos na rigidificação da parede 400401 Grupos ferroferro 331332 GSH 750751 GT43sintase 386 GTPases 635636 637638 Guanina 7374 Gunnera 361363 Gutação 103105 H HATPases ativação induzida pela luz azul 463 ATPsintase e 149150 da membrana plasmática 153 154 161163 efeitos da fusicoccina nas 715 717 fechamento estomático induzi do pelo ABA durante o estres se hídrico 754756 força motora de prótons 153 155 nas mitocôndrias 2526 no transporte polar de auxina 488489 nos cloroplatos 2627 pH e expansão da parede celu lar 411412 528529 potencial de membrana e 148 150 regulação do movimento esto mático pela luz azul 470472 vacuolares 153154 162164 HATPases na membrana plas mática 153154 161163 HATPases vacuolares 153154 162164 Hpirofosfatases HPPase 153154 163164 HKATPase 153154 Haemophilus influenzae 149150 Halófitas 9697 133134 735 736 753 Haploides 23 4 35 Haplótipos S 641 Hatch M D 221 Haustório 727 HDA6 e HDA19 709710 Hedera helix hera 592 593 686687 Helianthus annuus Ver Girassol Heliobactérias 183 185 Heliotropismo 249 Hemes assimilação de ferro e 371373 na assimilação de nitrato 356 357 no complexo citocromo b6 f 191 Hemiceluloses aprisionamento nas microfibri las de celulose 387388 autoconstrução da parede celu lar e 393 definição 382383 estruturas 391 ligação a pectinas 388389 nas paredes celulares primá rias 389393 391 nas paredes celulares secundá rias 389393 391 401402 orientação nas paredes celula res 388 Hera Hedera helix 592 593 686687 Herança maternal de genes dos cloroplastos 197200 Herança não mendeliana de ge nes dos cloroplastos 197200 Herança uniparental 6162 Herbaspirillum 362363 Herbicidas auxinas sintéticas 417 422423 bloqueando a biossíntese de aminoácidos 359360 efeito no fluxo fotossintético de elétrons 193194 Herbivoria como uma interação biótica 693 contra defesas vegetais 697 705 Ver também Insetos herbívoros Heterocistos 361363 Heterocromatina 1314 5152 Heterocromatização 6768 Heterose 5859 642643 Heterostilia 639641 Hevea brasiliensis seringueira 702 Hexoquinase 236 237 320 321 324 326 Hexose fosfato isomerase 227 320 325 Hexoses estrutura conformacional 382 383 na glicólise 320 319 321324 326 sequestro nos vacúolos 292 293 Ver também Frutose Glicose Hexoses fosfato interconversão 238239 na glicólise 318 320 321322 regulação do pool citosólico pela frutose26bifosfato 239 Hibridização in situ 7374 Hidatódios 103105 570573 TaizIndice3indd 835 TaizIndice3indd 835 27102016 094022 27102016 094022 836 Índice Hidrofilinas 752 Hidrogênio níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 produção durante a fixação de nitrogênio 366368 Hidrolases 720 Hidrólise do ATP no transporte ativo 144 no transporte primário ativo 151152 transporte eletrogênico de íons e 148150 Hidrólise mediada pela lipase de triacilgliceróis 349351 2hidroperóxi3cetoarabini tol15bifosfato 207 Hidroperóxido liase HPL 714 Hidroponia 122123 123124 3hidroxiequinenona 280 Hidroxinitrila 705 Hidroxipiruvato 212213 214 213 215 Hidroxipiruvato redutase 212 213 216217 Hifas de ectomicorrizas 139140 de micorrizas arbusculares 138139 139 Hifas enoveladas arbúsculos 138139 139 Hill Robert 177179 Hiperacidificação do suco vacuo lar 163164 Hiperacumulação 753754 Hipocótilo crescimento induzido por auxi na 524 526528 do embrião de angiospermas 514515 515516 formação durante a embriogê nese 482 483 indução da expansão celular lateral pelo etileno 539540 inibição do alongamento pelos fotorreceptores do azul e do vermelho 466467 supressão da fotomorfogênese no escuro 537538 Hipófise 482 Hipótese amidoaçúcar do movi mento estomático 273 275 Hipótese da defesa ótima 705 Hipótese de crescimento em mul tirrede 393395 Hipótese do crescimento ácido 396400 411412 528529 Hipótese do relógio do fotoperiodismo 599600 601 Ver também Relógio circadiano Hipóteseguarda 718719 Hipótese mecânica do cresci mento do tubo polínico 637638 Hipótese quimiotrópica do crescimento do tubo polínico 637638 Hipótesemecanismo quimios mótico desacopladores e 333334 fotofosforilação e 193195 princípio básico de 194 significância de 193194 síntese de ATP mitocondrial 332334 Hipoxia desenvolvimento de aerênqui ma em resposta à 748751 fermentação e 322323 Histamina 699 Histidina quinase ATHK1 740 741 Histogênese 480481 Histona metiltransferase 66 Histonas modificações epigenéticas 65 6768 ver também Metilação de histonas na cromatina 1314 1415 Histonas acetiltransferase HATs 65 67 66 Histonas desacetilase HDAC 65 709710 715717 Hoagland Dennis R 123124 Holcus lanatus capimlanudo 733734 Homogalacturonano HG 388 388390 393 Homólogo D da oxidase da quei ma respiratória RBOHD 743 744 744745 Homólogos da oxidase da queima respiratória RBOHs 413415 Hooke Robert 1 Hordeum vulgare Ver Cevada Hormônios como mensageiros químicos 413416 como metabólitos primários 699700 desenvovimento vegetal e 413421 estrutura 415416 interações na regulação das respostas aos estresses abióti cos 744747 na indução de respostas de de fesa à herbivoria por insetos 709710 712 na indução do florescimento 609610 612 na seiva do floema 292293 no desenvolvimento do saco embrionário 631632 regulação da senescência foliar 680684 regulação das relações fonte dreno 312313 regulação do crescimento se cundário 585587 sinalização autócrina e parácri na 428429 431 transporte no floema 312313 Ver também hormônios indivi duais Hormônios de lesão 714 Hormônios endócrinos 428429 Hyoscyamus niger meimendro negro 608609 I Idade do desenvolvimento 671 673 Ideal térmico fotossintético 256257 Idioblastos 4142 699 Ilita 131132 132133 Impatiens 357358 Importação de açúcares para os drenos 305308 transição do dreno para a fonte nas folhas 307309 Imunidade imunidade desencadeada pelo efetor 718719 imunidade desencadeada por MAMP 717718 imunidade inata 710712 rota do RNAi 7172 Ver também Imunidade vegetal sistêmica Imunidade desencadeada pelo efetor 718719 Imunidade desencadeada por MAMP 717718 Imunidade inata 710712 Imunidade vegetal sistêmica induzida pelo dano dos herbí voros 710 712711 resistência sistêmica adquirida 721724 resistência sistêmica induzida 723725 tipos de 715 Ver também Imunidade Índice de produção harvest index 309310 Indol3piruvato 420421 422 423 Indução fotoperiódica 599 Ingenhousz Jan 175176 Inibidores CDK 37 39 Inibidores da αamilase 710 712 Inibidores de proteinase 710 712711 Iniciais crescimento indeterminado e 495497 mecanismos de manutenção de meristemas 508509 origem dos tecidos da raiz 497 500 tecidos da parte aérea deriva dos das 502503 505 Iniciais apicais Ver Iniciais Iniciais corticaisendodérmicas 498500 Iniciais da coifa e células epidér micas laterais 498499 Iniciais da columela 498499 Iniciais do estelo 499500 Inimigos naturais 712714 Injectissoma 718 Inositol145trisfosfato IP3 348349 413415 Inserção cotraducional 15 1720 Inserção póstranscricional de proteínas 15 17 Insetos herbívoros coevolução plantainseto e 697698 715 evolução de mecanismos para oporse às defesas vegetais 715 proteínas antidigestivas das plantas 710 712 respostas de defesa induzidas contra 705715 ver também Respostas de defesa induzi das tipos principais 706707 Insetos mastigadores 706707 Instabilidade dinâmica de micro túbulos 29 3134 Intensidade do dreno 311312 Intensificadores enhancers 64 65 65 67 Interações agonísticas 441 443 Interações antagonísticas 441 443 Interações benéficas entre plantas e microrganismos 695 697698 Interações bióticas defesas vegetais contra outros organismos 724727 defesas vegetais contra patóge nos 715725 interações benéficas entre plantas e microrganismos 695 697698 interações prejudiciais entre plantas patógenos e herbívo ros 697705 respostas de defesa induzidas contra insetos herbívoros 705715 tipos de 693 visão geral 693695 697 Interações prejudiciais entre plantas patógenos e herbívoros 697705 Interfase 3536 Intina 628629 Inundação desenvolvimento de aerênqui ma em resposta à 748751 fermentação e 322323 impacto nas plantas 734735 736737 759760 Invertase 306307 320 319 321323 Invertase ácida 311312 Íons movimento pelos canais 150 152 152153 níveis de concentração nos tecidos da raiz de ervilha 147 148 148149 no ajuste osmótico 748750 potenciais de difusão 146 potencial de membrana e 146 148 ver também Potencial de membrana regulação dos fluxos iônicos pelo fitocromo 459461 transporte através de membra nas 144150 transporte nas raízes 163166 TaizIndice3indd 836 TaizIndice3indd 836 27102016 094022 27102016 094022 Índice 837 transporte por carregadores 151152 Íons cloreto concentração nos tecidos da raiz da ervilha 147148 148 149 na osmorregulação das células guarda 273 275276 na seiva do floema 291292 na solução do solo 132133 no estresse pela salinidade 735736 no fechamento estomático induzido pelo ABA durante o estresse hídrico 754755 755 756 oxidação da água na fotossínte se e 189 Íons magnésio assimilação 370371 carregamento do xilema na raiz 165166 concentração em tecidos da raiz de ervilha 147148 148 149 efeito do pH do solo na dispo nibilidade 130131 133134 efeito na atividade da piruvato desidrogenase 338 imitação fisiológica pelo cád mio 736737 ligações de valência coordena da com clorofila a 370 370 371 mobilidade dentro da planta 124125 na modulação de enzimas do ciclo de CalvinBenson 210 211 na regulação da rubisco 208 210 na seiva do floema 291292 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 papel bioquímico e função fi siológica 121122 127128 Íons manganês aplicação foliar 131132 cofator na oxidação da água na fotossíntese 189 efeito do pH do solo na dispo nibilidade 130131 133134 efeito na atividade de piruvato desidrogenase 338 estados S 189 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 papel bioquímico e função fi siológica 121122 128129 Íons metálicos espécies reativas de oxigênio e 160161 toxicidade dos metais pesados 133134 transportadores 160161 Ver também Estresse por metais pesados Íons metaloides 160161 Íons potássio absorção pelas raízes 136137 adsorção de partículas do solo carregadas negativamente 132133 efeito do pH do solo na dispo nibilidade 130131 133134 ligação elestrotática 370371 mecanismos de transporte de membrana 155157 156 mobilidade dentro de uma planta 124125 na osmorregulação das células guarda 273 275276 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 no citosol e no vacúolo 148149 no fechamento estomático induzido pelo ABA durante o estresse hídrico 754755 755 756 nos fertilizantes 130131 papel bioquímico e função fi siológica 121122 127128 resposta imunológica deseca deada pelo MAMP e 717 Íons sódio concentração nos tecidos das raízes de ervilha 147148 148 149 mecanismos de transporte de membrana 155157 156 mobilidade dentro de uma planta 124125 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 no citosol e no vacúolo 148149 no estresse pela salinidade 735736 papel bioquímico e funções fisiológicas 121122 128129 sequestro pelas plantas em condições salinas 159160 Íons sulfato baixa mobilidade nos solos 132133 concentração nos tecidos da raiz da ervilha 147148 148 149 efeitos do pH do solo nos 133 134 energia consumida na assimi lação 353 na assimilação de enxofre 368 370 Íons tóxicos Ver Toxicidade iônica IQD1 707708 Iris sibirica 565 Irradiância 246247 449452 Irrigação produtividade de grãos em função da 8384 salinização e 133134 Isoamilases 233 237 Isocitrato desidrogenase 328 Isocitrato liase 350351 Isoenzimas 326327 Isoflavonoides 721 Isopentenil transferase 745746 747 Isopentenildifosfato IPP 427 Isopreno 702 Isotiocianatos 704 Isozimas dessaturases 346 ISR Ver Resistência sistêmica induzida J Jagendorf André 194 Jasmimdanoite Cestrum noctur num 598599 JKD fator de transcrição dedo de zinco 544545 545546 Joaninhamexicanadofeijão Epilachna varivestis 724725 Joio Lolium temulentum 602605 Jorgensen Richard 7172 Joule J 8485 Juncodemarisma Scirpus mari timus 748750 Juncogigante Schoenoplectus lacustris 748750 Juncos de polimento scouring ru shes 125127 Juvenilidade 592593 K Kalanchoë 230231 518520 598599 Karpilov Y 221 Katanina 3233 3334 Keeling C David 258259 Kirkby Ernest 121122 Klebsiella 361362 Knop Wilhelm 122123 Koeleria cristata capimdejunho 579 Kortschack H P 221 Krebs Hans A 326327 Kuhnia eupatorioides falsoeupa tório 579 Kurosawa Eichi 417 L Labaçacrespa Rumex crispus 518520 Lacases 403404 Lactato 320 319 321 759760 Lactato desidrogenase 320 322 323 759760 Lactuca sativa Ver Alface Lagartadabeterraba Spodoptera exigua 706707 Lagartadacouve Trichoplusia ni 714 715 Lagarta da folha do tabaco Man duca sexta 708709 Lamela média 1011 382 388 401402 Lamela média composta 1011 Lamelas estromais ATPsintase e 194 definição 180 desenvolvimento 2728 estrutura e função 2526 2627 Lamelas granais 180182 182183 Lâmina 553 Lâmina foliar 35 Lariços 137138 Larrea tridentata 260 686687 Látex 701703 Laticíferos 4243 701703 Laticíferos articulados 4243 702 Laticíferos não articulados 42 43 702 Lavatera 249 Lectinas 710 712 Leghemoglobinas 362364 Leguminosas dormência da semente imposta pela casca 516517 exportadores de amida e ex portadores de ureída 367368 fixação de nitrogênio 361362 360368 receptores dos fatores Nod e nodulação 695 697 696 Leguminosas Fabaceae 360 361 721 Lei da reciprocidade 458 Lei de Planck 172173 Lemna 254255 Lenho madeira efeito dos fatores ambientais nas propriedades do 587588 respostas ao estresse mecânico 408 Lenho de compressão 408 Lenho de reação 408 587588 Lenho de tensão 408 586588 Lens 367368 Lentilha 367368 Lentilhadágua 254255 Leptoteno 55 56 Leucoplastos 2527 Lianas 585586 Liatris cylindracea 579 Licopeno 2728 657658 Ligações de hidrogênio 8387 Ligações de valência coordenada 370371 Ligações eletrostáticas 370371 Ligações não covalentes 370371 Lignificação 391393 402405 Lignina estrutura e síntese 402404 ligação covalente aos polissa carídeos de parede 404405 na estria de Caspary 102103 403405 na resposta hipersensível 720 nas paredes celulares secundá rias 382 401405 polimerização durante a ligni ficação 403405 Limbo definido 553 fatores determinantes do cres cimento 558560 Limite de exclusão por tamanho SEL 5 8 314315 Limite de temperatura baixa 753755 Limite G2M 3637 Limoeiro 698699 Limoneno 701702 Linamarina 705 Linária Linaria vulgaris 620 621 Linaria vulgaris linária 620 621 Linha germinativa 7072 Linnaeus Carl 620 Linum perenne 566 TaizIndice3indd 837 TaizIndice3indd 837 27102016 094022 27102016 094022 838 Índice Lipídeos biossíntese de ácidos graxos 344 346 biossíntese de glicerolipídeos 346349 como mensageiros secundá rios 413415 415 conversão de lipídeos de re serva em carboidratos nas sementes em germinação 348351 522523 definição 343344 efeitos no funcionamento de membranas 348349 glicerolipídeos polares 343 346 344 346 na hidratação do pólen 634 na sinalização de longo espec tro 348349 nas membranas 1011 13 327 reserva de energia e 343344 triacilgliceróis 343344 346 Lipídeos de membrana alteração em resposta ao es tresse abiótico 752753 efeitos nas funções da mem brana 348349 glicerolipideos polares 343 346 344 346 Lipoxigenase 660661 Lírio vodu 336337 Liriodendron tulipifera tulipeira 341343 Lisina 66 359360 360361 Lisofosfolipídeos 413415 Litocistos 561 Lixiviação de fertilizantes 119121 de nutrientes minerais 129131 Lixiviação do nitrato 354 Lloyd F E 273 275 Lóculo 627 628 Locus da autoincompatibilidade S 640642 Lolium temulentum joio 602605 Lomátiadeking 686687 Lomatia tasmanica 686687 Longevidade da planta 686687 Longevidade da semente 652 654655 657 Longifoleno 701702 702 Lorimer George 208209 Lotoaustralina 705 Lótus indiano ou asiático Ver Ne lumbo nucifera Lotus japonicus 695 697 Lume dos tilacoides 181182 Lupinus 249 L albus 132133 357358 L succulentus 249 LUREs 638 Luz absorção e emissão pelas molé culas 173 175176 absorção pelos pigmentos fo tossintéticos 175176 controle da construção de enzimas dos cloroplastos em complexos supramoleculares 210211 211212 densidade de fluxo de fotônico fotossintético 247 efeito da fotossíntese na folha intacta 250256 efeitos do ângulo e do movi mento foliar na absorção 249 eficiência da conversão fotos sintética em energia química 177178 emergência dos primórdios foliares e 554555 espectro eletromagnético 172 173 175 fluxos iônicos acionados pela luz na modulação de enzimas do ciclo de CalvinBenson 210211 fotomorfogênese e 537538 irradiância 246247 maximização da absorção pela anatomia foliar e estrutura do dossel 247248 propriedades das partículas e das ondas 172173 quebra da dormência da se mente 518520 regulação de enzimas da fotos síntese C4 224225 regulação do ciclo de Calvin Benson 209211 velocidade da 172173 Ver também Energiaradiação solar Luz de intensidade alta Ver Es tresse luminoso Luz solar Ver Energiaradiação solar Luz verde abertura estomática estimulada pela inversão da luz azul 278280 Luz vermelha abertura do gancho plumular da plântula e 539 controle do florescimento pelo fitocromo e 602605 fitocromo e 452454 454455 459460 fotossistema II e 178179 180 respostas fotorreversíveis 452 453 Ver também Razão RFR Luz vermelhodistante absorção por fitocromo 452 controle do florescimento pelo fitocromo e 602605 fitocromo A e 459460 fotossistema I e 178179 180 respostas fotorreversíveis 452 453 supressão da abertura do gan cho plumular 539 Ver também Razão RFR Lycopodium 545546 L complanatum 686687 M Macadamia 132133 M integrifolia 138139 Macieira Malus domestica carregamento do floema 304 comprimento do período juve nil 593 controle do amadurecimento 661662 resfriamento para liberar as sementes da dormência 518 520 520 Macroautofagia 668669 Macronutrientes definição 121122 na solução de Hoagland modi ficada 124 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 nos fertilizantes 130131 Magnésio dequelatase 199 Malato ciclo do ácido cítrico 328 328 329 descarboxilação oxidativa 328 329 330331 em uma possível reengenharia genética da fotorrespiração 219221 fechamento estomático induzi do pelo ABA durante o estres se hídrico 754755 755756 na assimilação de nitrato pela folha 374 na conversão de gorduras em açúcares durante a germina ção da semente 349351 na fotossíntese C4 221222 224 na osmorregulação das células guarda 273 275 produto final alternativo da glicólise 320 319 321323 transporte transmembrana nas mitocôndrias 333334 335 Malato desidrogenase ciclo do ácido cítrico 328 328 329 ciclo do glioxilato 349350 350351 no metabolismo da PEP 320 322323 Malato sintase 219221 350351 MalonilCoA 346 347 Maltase 522523 Maltopentaose 237 Maltose 236 237 Maltotriose 236 237 Malus domestica Ver Macieira Mamona Ricinus communis 291 292 321322 514515 515516 Mamona 321322 Manano 382 Manchas de sol 248249 Manchas necróticas deficiência de cloro 127128 deficiência de cobre 128129 deficiência de fósforo 125127 deficiência de potássio 127128 Mandioca Manihot esculenta 704 705 Manduca sexta lagarta da folha do tabaco 708709 Mangroves 516518 Manguevermelho Rhizophora mangle 516518 Manihot esculenta mandioca 704 705 Manitol 292293 294 Manose 294 382383 Manta 139 Mantodesenhora 103105 Mãos 661662 MAPquinase MAPK 410411 411412 MAPquinasequinase MA PP2K 410411 411412 MAPquinasequinasequinase MAP3K 410411 411412 MAPquinases fosfatases 439 440 Margo 103105 105106 Margulis Lynn 6162 Mariposas 712713 Massa foliar total da árvore 690 Matrixulos 2829 Matriz de estresses 739740 Matriz extracelular do trato transmissor 637638 Matriz mitocondrial ciclo do ácido cítrico 328328 329 330331 descrição da 2425 327 Maturação das sementes 513 652655 657 Mecanismos de resposta ao es tresse ajuste osmótico ao solo seco 748750 alteração dos lipídeos de mem brana 752753 antioxidantes e rotas de inati ção das EROs 750752 chaperonas moleculares e an teparos moleculares 751752 desenvolvimento de aerên quima em resposta à hipoxia 748751 fechamento estomático indu zido pelo ABA 472473 735 736 754757 mudanças metabólicas das plantas 759760 oxidase alternativa e 336337 plasticidade fenotípica nos 756758 proteínas crioprotetoras e anti congelamento 753755 rotas de sinalização 740747 sensores de estresse de ação precoce 740741 tolerância interna de íons de metais pesados por meio de fitoquelatinas e queladores 753754 tolerância interna e exclusão de íons tóxicos 753754 visão geral 739741 Mecanismos dependentes da li nhagem 483485 Mecanismos dependentes da po sição na embriogênese 483485 499500 502503 505 Mecanismos sensores de estresse 739740 TaizIndice3indd 838 TaizIndice3indd 838 27102016 094022 27102016 094022 Índice 839 Medicago 699 M sativa ver Alfafa M truncatula 652655 Medicarpina 721 Medula 6 9 583 Megagametófitos Ver Gametófito feminino Megapascais MPa 8586 8687 Megasporócitos 625627 Megásporos formação 56 nos ciclos de vida das plantas 4 35 produtos dos 625627 Megastróbilos 35 Meia unidade de membrana mo nocamada fosfolipídica 2224 Meimendronegro Hyoscyamus niger 608609 Meiose definição 23 descrição da 5356 na microsporogênese 627 628 nos ciclos de vida das plantas 23 4 35 Melão Cucumis melo 303 660 661 Melhoramento modificação genética de cultu ras vegetais 7678 técnicas clássicas 7677 Membrana mitocondrial externa 327 Membrana mitocondrial interna ciclo do ácido cítrico 328329 descrição da 327 gradiente eletroquímico de prótons e transporte trans membrana 333334 335 transporte de elétrons e síntese de ATP 328340 ver também Transporte mitocondrial de elétrons Membrana plasmática associação com o retículo en doplasmático 1819 ativação pela luz azul de bom bas de prótons nas células guarda 271273 275 complexos de celulose sintase 385386 HATPases 153154 161163 nas células vegetais 35 7 10 11 proteínas de transporte em membranas 155164 ver tam bém Proteínas de transporte em membranas reciclagem de membranas 21 23 Membranas anteparos moleculares 752 assimetria das 1719 condutividade hidráulica 94 96 de cloroplastos 2426 efeitos de lipídeos na função da membrana 348349 fatores que afetam a fluidez 11 13 733735 funções biológicas 910 lipídeos estruturais 344 346 345 meia unidade de membrana 2224 modelo do mosaico fluido de bicamadas fosfolipídicas 911 13 permeabilidade seletiva e os mose 8789 tráfego vesicular ao longo de rotas secretoras e endocitóti cas 2023 transporte de íons através de 144150 Membranas biológicas funções das 910 modelo do mosaico fluido 911 13 Ver também Membranas Membranas de pontoação 103 107 109110 Membranas seletivamente per meáveis 8789 Membranas semipermeáveis 144 Memória de mecanismos de res posta ao estresse 759760 Mengel Konrad 121122 Mensageiros secundários definição 407 espécies reativas de oxigênio 413415 íons cálcio 410412 413 mudanças no pH citosólico ou na parede celular 411413 na percepção da gravidade 532535 Meristema apical da raiz MAR auxina na formação e na ma nutenção do 499501 células iniciais e a origem dos tecidos da raiz 497500 citocinina e 500501 501 crescimento da raiz e 496498 crescimento indeterminado 495497 definição 495496 formação durante a embriogê nese 482 483 no ápice da raiz 6 promoção de iniciais pelo WOX5 508509 sinalização direcional na deter minação celular 499500 zonas de desenvolvimento 497498 Meristema apical do caule MAC 6 crescimento indeterminado 495497 definição 495496 estabelecimento da polaridade foliar adaxialabaxial 554556 estrutura 554555 expressão coordenada dos fato res de transcrição na formação do 502503 505506 formação durante a embriogê nese 480483 481482 genes do homeodomínio da classe KNOX e a manutenção de iniciais 506507 iniciação e desenvolvimento dos primórdios foliares 507 508 554555 iniciação e desenvolvimento dos traços foliares 566569 interações positivas e negativas determinantes do tamanho do meristema 505507 padronização dependente da auxina 502503 504 505506 processo de regulação da dura ção 687690 promoção de iniciais pelo WUS 508509 tecidos derivados das iniciais apicais 502503 505 transição do desenvolvimento vegetativo para o reprodutivo 612613 614 vernalização e a competência para a flor 605607 visão geral 500501 zonas e camadas 502 Meristema das raízes laterais pe riciclo 6 910 Meristema de espessamento pri mário 583585 Meristema fundamental 569 Meristema limítrofe 559560 Meristema nodular 366 Meristema primário da inflores cência 612613 Meristema secundário da inflo rescência 612613 Meristemas crescimento vegetal e 5 810 definição 495496 estratégias de crescimento in determinado 495497 mecanismos de manutenção das iniciais e 508509 tipos de 495496 Ver também tipos de meristemas individuais Meristemas apicais estabelecimento durante a em briogênese 479 localização e função 5 8 Ver também Meristema apical da raiz Meristema apical do caule Meristemas axilares iniciação 573574 no desenvolvimento vegetati vo 572574 no fitômero 572573 Meristemas da inflorescência 612613 614 Meristemas florais iniciação dos órgãos florais nos verticilos 612613 614 no desenvolvimento reproduti vo 480481 regulação pelos genes da iden tidade dos meristemas florais 614616 transição para 612613 614 Meristemas intercalares 495496 Meristemas marginais 495496 Meristemoides 495496 562 Mesembryanthemum crystallinum ervadegelo plantadegelo 230231 277 Mesocarpo 656 Mesocótilo 515516 Mesofilo descrição do 3942 desdiferenciação na xilogênese 543544 difusão da luz na interface e 248 em plantas CAM 225 228230 movimento da água pelas fo lhas e 110111 na anatomia foliar 6 9 na fotossíntese 171173 na fotossíntese C4 222 223 224225 228229 resistência hidráulica foliar e 111112 teoria da coesãotensão de as censão da seiva e 107109 Mesofilo em paliçada 3942 Mesorhizobium 360361 361362 Metabolismo ácido das crassulá ceas CAM adaptação metabólica aos am bientes áridos 759760 assimilação fotossintética lí quida de CO2 evaporação da água e condutância estomáti ca 262 descrição do 225 228230 efeitos do dióxido de carbono na fotossíntese 261262 facultativo 759760 razão da transpiração 116117 razão entre isótopos de carbo no 266267 regulação da PEPCase 230231 versatilidade em resposta aos estímulos ambientais 230231 Metabolismo ácido das crassulá ceas constitutivo 229230 Metabolismo ácido das cras suláceas facultativo 229230 759760 Metabolismo do nitrogênio fotorrespiração 215219 ligado ao metabolismo do car bono por asparagina e gluta mina 359360 Metabólitos primários 699700 Metabólitos secundários alelopáticos 725726 armazenagem de compostos tóxicos como conjugados não tóxicos de açúcares hidrosso lúveis 702705 armazenagem de compostos tóxicos em estruturas especia lizadas 701703 definição 699700 níveis de tecidos jovens versus tecidos mais velhos 705 Metabolômica 7475 Metáfase mitose 3637 39 38 TaizIndice3indd 839 TaizIndice3indd 839 27102016 094022 27102016 094022 840 Índice Metáfase I e II meiose 55 56 Metafloema 542543 Metaloproteases 667668 Metano 262 Metaxilema 542543 Methanococcus 361362 Metilação da citosina 65 6768 Metilação de histonas impressão gênica no desenvol vimento do endosperma 647 649 modificação epigenética da atividade gênica 65 6768 regulação de transpósons e 5254 rota do RNAi e 7071 Ver também Metilação do DNA Metilação genômica Metilação do DNA durante o amadurecimento do fruto 660662 impressão gênica no desenvol vimento do endosperma 647 649 modificação epigenética da atividade gênica 65 6768 regulação de transpósons e 5254 respostas ao estresse abiótico 744745 745746 rota do RNAi e 7071 Ver também Metilação genômi ca Metilação de histonas Metilação genômica cossupressão 7172 impressão gênica no desenvol vimento do endosperma 647 649 modificação epigenética da atividade gênica 65 6768 regulação de transpósons e 5254 rota do RNAi e 7071 Ver também Metilação do DNA Metilação de histonas Metilação Ver Metilação do DNA Metilação genômica Metilação de histonas 2metilbutanal e 3metilbutanal 658659 3metilbutanol 658659 Metilenotetrahidrofolato 213 215 218219 7metilguanilato 6364 Metiljasmonato 701702 Metilsalicilato 658659 721722 510metiltetrahidrofolato MTHF 463464 Metiltransferases 65 67 Metionina 359360 360361 369370 423 426 Método do bloco de ágar doador receptor 529530 Micélio de ectomicorriza 139139140 de micorriza arbuscular 138 139 139 MicroRNAs miRNAs controle das mudanças de fa ses 594595 expressão dos genes HDZIP e 558559 miR156 594595 miR166 558559 miR172 594595 miR399 581582 na resposta ao estresse abió tico 744745 rota RNAi da expressão gênica 6771 Microautofagia 668669 Micróbios do solo efeitos do pH nos 132134 Microcorpos 2325 Microfibrilas de celulose efeitos do etileno na orientação durante a expansão celular lateral 539 estrutura e síntese 384388 expansinas e 399400 nas paredes celulares primá rias 391393 nas paredes das célulasguar da 114115 no xilema em desenvolvimen to 44 46 4647 orientação aos microtúbulos corticais 3334 395396 relaxamento do estresse e 396 397 Microfilamentos estrutura 2829 extremidade mais e extremida de menos 30 29 31 no xilema em desenvolvimen to 4647 4748 polimerizaçãodespolimeriza ção 30 29 31 proteínas motoras 3335 Microfilamentos corticais de ac tina 1011 Microgametófitos Ver Gametófito masculino Microgametogênese 627628 Micronutrientes definição 121122 na solução de Hoagland modi ficada 124 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 Micrópila desenvolvimento da 630 631 entrada do tubo polínico na fecundação 633 638640 Microplitis croceipes 712713 Microrganismos interações be néficas entre plantas e microrga nismos 695 697698 Microsporângios 625627 Micrósporo polarizado 628 Microsporócitos 625627 627 628 Microsporogênese 627628 Micrósporos formação dos 56 627628 nos ciclos de vida das plantas 4 35 produtos dos 625627 Microstróbilos 35 Microtúbulos colocalização com celulose sintase nos elementos de vaso 4647 4748 esteira rolante 29 31 3233 estrutura 2829 extremidade mais e extremida de menos 30 29 31 3233 instabilidade dinâmica 29 31 33 no ciclo celular 3536 3637 39 orientação das microfibrilas de celulose 3334 395396 proteínas motoras 3335 Microtúbulos astrais 3536 Microtúbulos corticais 1011 esteira rolante treadmilling 3233 3334 orientação das microfibrilas de celulose 3334 395396 Microtúbulos do cinetocoro 3536 Microtúbulos do fuso 3637 Microtúbulos polares 3536 Milho Zea mays absorção de amônio pelas raízes 136137 aerênquima induzido 748750 750751 análise da razão entre isótopos de carbono 265267 asparagina sintetase 359360 benzoxazinoides 704 células buliformes 561 célulasguarda 113114 comparado ao teosinto 576 577 compostos voláteis induzidos pela herbivoria 712713 diferenciação da camada de aleurona 648649 650651 efeitos da giberelina no 417 418 efeitos de nutrientes nos níveis de citocinina 683 flores estaminadas e pistiladas 35 melhoramento genético clássi co na produção 7677 mesocótilo 515516 mutantes viviparous e germina ção precoce 517518 518 nitrato e outros compostos nitrogenados na seiva do xile ma 357358 plântulas cultivadas na luz e no escuro 537 reduzindo a evitação da som bra 542 542543 resposta aos voláteis de folhas verdes 714 resposta metabólica à concen tração baixa de oxigênio 322 323 semente endospérmica 154 155 sistema de raízes 580 volume de espaços de ar das folhas 111112 Mimosa 699700 M pudica 408 429 431 699 700 Mimulus cardinalis 291 Mineralização de fertilizantes orgânicos 130 131 definição 130131 no ciclo biogeoquímico do ni trogênio 354 Minifragmoplastos 644645 645646 Miosinas 3335 miR156 594595 miR166 558559 miR172 594595 miR399 581582 miRNAs Ver MicroRNAs Mirosinase 702704 Mirtilo Vaccinium 657658 714 Miscanthus 225 228229 361362 Mitchell Peter 193194 Mitocôndrias 1011 associação com o retículo en doplasmático 1819 ciclo do ácido cítrico 326329 330331 ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 214 213 215 218 219 estrutura e função 2425 25 26 327 fissão 2829 fosforilação oxidativa 328340 fusão 2425 gradiente eletroquímico de prótons e transporte trans membrana 333334 335 integração às rotas metabólicas celulares 338340 interações metabólicas com o citosol 338 movimento de 2829 mudanças durante a germina ção da semente e o desenvol vimento da planta 2425 na conversão de gorduras em açúcares durante a germina ção da semente 348351 349 350 nas células do mesofilo 4041 4142 no floema 45 44 46 origens endossimbióticas 200 translocação comparada de prótons em cloroplastos mito côndrias e bactérias purpúre as 195196 Mitose condensação dos cromosso mos 1314 definição 23 eventos da 37 39 mitose I e II do pólen 628 no ciclo celular 3537 nos ciclos de vida das plantas 25 4 Mock orange 671673 Modelo ABC de identidade dos órgãos florais 616619 TaizIndice3indd 840 TaizIndice3indd 840 27102016 094022 27102016 094022 Índice 841 Modelo ABCE 618620 Modelo de alternância 454 454 455 Modelo de aprisionamento de polímeros do carregamento do floema 303306 Modelo de canalização 568569 Ver também Canalização da auxina Modelo de CholodnyWent da redistribuição lateral da auxina 528530 535536 Modelo de degradação de RNAse da autoincompatibilidade game tofítica 641642 642643 Modelo de fluxo de pressão em gimnospermas 298300 evidência do 296297 gradientes de pressão no 293 295296 298299 modelos alternativos 298299 necessidade de energia para 296298 poros da placa crivada 298 predições do 296297 visão geral 293 295296 Modelo de revezamento do transporte no floema 298299 Modelo do circuito de refluxo da auxina 532533 Modelo do mosaico fluido de membranas biológicas 911 13 Modelo múltiplo de alta pressão de transporte no floema 298299 Modelo quaternário 618620 Modelo sítio preferencial hot spot de paredes celulares primá rias 400401 Modificações epigenéticas expressão de genes impressos no desenvolvimento do en dosperma 646649 metilação e acetilação na regu lação gênica 65 6768 nas respostas aos estresses abióticos 744745 745746 no amadurecimento de frutos 660662 reinício pela rota do RNAi 70 72 vernalização e 606607 Módulo elástico volumétrico 9295 Módulos de MAPK 743 Mohl Hugo von 269270 Moléculas anfipáticas 1011 344 346 Molibdênio efeito do pH do solo na dispo nibilidade 130131 mobilidade dentro de uma planta 124125 na assimilação de nitrato 356 357 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 papel bioquímico e função fi siológica 121122 128129 Monocamada fosfolipídica 2224 Monocotiledôneas 12 meristema de espessamento primário 583585 na evolução vegetal 23 necrose pela deficiência de po tássio 127128 sistemas de raízes 134136 580 Monodesidroascorbato redutase 750751 751752 Monofosfato de adenosina AMP 222 224 Monogalactosildiacilglicerol 12 345 346 347 Monolignóis 402404 Monossomias 6061 Monoterpenos monocíclicos 701 702 702 Monotorpenos bicíclicos 701 702 702 Montmorilonita 131132 132133 Morfina 702703 Morfogênese 480481 Ver também Fotomorfogênese Morfógenos 486487 Morfos 639640 Morte celular programada MCP autofagia 668671 definição 665 desencadeada pelo estresse abiótico 736738 na esterilidade masculina cito plasmática 334 336 senescência e 665666 671 678 tipos de 667669 visão geral 665668 Morte celular programada do tipo resposta hipersensível do tipo HR 667669 Morte celular programada do tipo vacuolar 667668 673 675 Morus amoreira 702 Mosaicismo genético 687688 Moscas parasíticas 702703 Mostarda Eruca 537 Mostardabranca Sinapis alba 458 Mostardadaíndia 5859 Mostardapreta 5859 Mostarda selvagem Sinapis ar vensis 516517 Mougeotia 460461 Movimento anterógrado pelo corpo de Golgi 2122 Movimento controlado pelos plasmodesmos 5 8 Movimento da água aquaporinas e 9597 continuum soloplantaatmos fera 116117 no solo 99102 pelas folhas 110117 pelo xilema 103111 Movimento dirigido de organelas 3336 Movimento dos cloroplastos na resposta à luz 2829 para reduzir o excesso de ener gia luminosa 253254 254 255 proteínas do tipo cinesina no 3435 regulação por fototropinas via montagem de filamentos de actina F 469471 Movimento estomático abertura estomática dependen te da luz 270276 atividade osmótica da sacarose nas célulasguarda e 275276 fechamento induzido pelo ABA 419420 472473 735 736 754757 fechamento induzido pelo estresse hídrico 472473 735 736 754757 hipótese de amidoaçúcar 273 275 poder de resolução da análise fotofisiológica 280281 pressão de turgor e 114117 269270 regulação por luz azul e foto tropinas 470473 Movimento foliar acompanhamento do sol 249 447 nictinastia 447 699700 para reduzir o excesso de ener gia luminosa 254255 tigmonástico 698699 Movimento foliar tigmonástico 698700 Mp10 718719 Mp42 718719 MTHF 463 464 Mucilagem 650651 651 Muco 2123 288289 Mucopolissacarídeos 2123 Mudanças de fases 592595 Muller H J 7274 Münch Ernst 293 295296 Murcha definição 9294 para reduzir o excesso de ener gia luminosa 254255 redução da transpiração e 112 113 Muriato de potássio 130131 Musgos 4 35 Mutação colorless nonripening Cnr 660661 Mutação neverripe 658659 Mutação ripening inhibitor rin 660662 Mutações transpósons e 5253 Mutante bodenlos bdl 492493 Mutante cpd deficiente em brassi nosteroides 419420 420421 Mutante det2 deficiente em bras sinosteroides 419420 420421 Mutante duplo cry1cyr2 605606 Mutante elf3 605606 Mutante hos15 744745 Mutante lateral suppressor 573 574 Mutante mtabi31 654655 Mutante npq1 276277 279281 Mutante phot1phot2 276 279281 mutante quádruplo ap1 ap2 ap3 pi ag 616619 Mutante scarecrow scr 532533 Mutante shrunken2 648649 Mutante transparent testa tt 516517 Mutante tríplice stkshp1shp2 620 Mutante yuc1yuc2yuc4yuc6 571 Mutantes análise de mutantes da função gênica 7274 definição 7273 Mutantes deficientes em ABA 517518 518 Mutantes duplos pin1pin6 571 Mutantes florais homeóticos 616617 Mutantes gid1 523524 Mutantes hy 459460 605606 Mutantes max 574 576 Mutantes phantastica phan 555 556 558559 559560 Mutantes pin1 570571 Mutantes quartet qrt 627 Mutantes viviparous 517518 518 Mutualismos 693 Myrtaceae 137139 Myzus persicae 718719 N NacetilDglicosamina 363364 Nacetilglicosamina 1920 Naciltransferase 363364 NaKATPase 153154 701702 NADPHdesidrogenase externa insensível à rotenona 331 338 NADPHdesidrogenase interna insensível à rotenona 331 338 NADPHdesidrogenases 326 332 331 NADPHdesidrogenases insen síveis à rotenona 331 331332 336338 NADHGOGAT 357359 NADPgliceraldeído3fosfato desidrogenase 204205 207 209211 NADPmalato desidrogenase 222 225 228229 229230 NADPHoxidases 403404 413 413415 Nägeli Carl Wilhelm von 566 Não redução gamética 5859 NBSLRR 718 718719 ncRNAs Ver RNAs não codifi cadores Necrose 665 Nectários extraflorais 714 Nectários florais 3940 714 Nelimbo nucifera 516517 654655 Neljubov Dimitry 418419 Nematelminto nematódeo 724726 Nematódeos 724726 Nematódeos de nodosidades da raízes 724725 725726 Nematódeos encistados 724725 725726 TaizIndice3indd 841 TaizIndice3indd 841 27102016 094022 27102016 094022 842 Índice Nematódeos parasíticos de plan tas 724726 Neocromo 460461 Nepenthes alata 157158 Nephrolepsis exaltata 114115 Nerium oleander espirradeira 702 702703 Nervura mediana 569 Nervuras foliares desenvolvimento dos padrões de venação 566573 função das 566 organização hierárquica 566 resistência hidráulica foliar e 111112 tipos de padrões de venação 565 transição do dreno para a fonte nas folhas e 307309 Nervuras primárias 569 Neurospora 594595 Newton N 8485 Nexina 628629 Nicho de célulastronco 586588 Nicotiana N attenuata 708709 713714 N benthamiana 718719 N plumbaginifolia 518520 N sylvestris 608609 N tabacum ver Tabaco transição do dreno para a fonte nas folhas 307308 308309 Nicotinamida adenina dinucleotí deo NADNADH ciclo do ácido cítrico 318319 328329 ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 212214 213 215 efeito na atividade da piruvato desidrogenase 338 em uma possível reengenharia genética da fotorrespiração 219221 estrutura e função 318319 formação líquida na respiração aeróbica 333334 334 336 fosforilação oxidativa 319 321 glicólise 320 321322 glutamato desidrogenase e 358359 359360 glutamato sintase e 357359 na assimilação de ferro pelas raízes 370371 371373 na assimilação de nitrato 356 357 374 na respiração vegetal 318 NADPHdesidrogenases insensíveis à rotenona e 336 338 βoxidação de ácidos graxos 349350 350351 produção de malato 320 322 323 reações da fermentação 320 322323 transporte mitocondrial de elé trons 328332 Nicotinamida adenina dinucleotí deo fosfato NADPNADPH ciclo de CalvinBenson 207 208 em uma possível reengenharia genética da fotorrespiração 219221 estrutura e reação de redução 318319 321 ligação entre fotorrespiração e sistema fotossintético de transporte de elétrons 216 217 na assimilação de nitrato 356 357 na fixação do carbono 178179 na respiração vegetal 318 NADPHdesidrogenases insensíveis à rotenone e 336 338 reações luminosas na fotossín tese 172173 177179 186187 rota oxidativa das pentoses fosfato 318 323324 325 326 327 Nictinastia 447 699700 Niel C B van 176177 Ninfeias 545546 Níquel níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 papel bioquímico e função fi siológica 121122 128129 Nitella 3334 148149 393395 Nitrato absorção pelas ectomicorrizas 139140 assimilação 136137 353 356 358 373374 concentração nos tecidos da raiz da ervilha 147148 148 149 deposição de nitrogênio at mosférico 120121 efeito da disponibilidade no crescimento da raiz 137138 na fixação de nitrogênio 354 356 na solução de Hoagland modi ficada 123124 na solução do solo 132133 no ciclo biogeoquímico do ni trogênio 354356 quebra da dormência da se mente e 520 toxicidade 356 Nitrato de amônio 130131 Nitrato de sódio 130131 Nitrato redutase 356357 357 358 373374 Nitrificação 354 Nitrilas 704 Nitrito 353 356 357 357358 373374 Nitrito redutase 373374 Nitrogênio absorção pelas ectomicorrizas 139140 assimilação de nitrato 353 356358 373374 ciclo biogeoquímico 354356 circulação na fotorrespiração 215217 deposição de nitrogênio at mosférico 120121 efeito da disponibilidade no crescimento da raiz 137138 efeito do pH do solo na dispo nibilidade 130131 imobilização 354 mobilidade dentro de uma planta 124125 na solução de Hoagland modi ficada 123124 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 nos fertilizantes 130131 papel bioquímico e função fi siológica 121123 125127 proteínas de reserva da casca 587588 Nitroglicerina 353 Nodulação fatores Nod e receptores de fatores Nod 695 697 696 processos de 364366 sinais na 363365 Nódulos fixação de nitrogênio e 362 364 formação 364365366 sinais na nodulação 363365 Nódulos das raízes feijoeiro 360361 fixação de nitrogênio e 362 363 formação 364366 sinais para a simbiose 363365 Nogueiramacadâmia 138139 Noite subjetiva 596597 Nós 35 6 572573 Nostoc 361362 NPA ácido N1naftilftalâmico 539 NPPB 466 Nucelo 514515 630 631 Nucleases 666667 Núcleo 1011 associação com o retículo en doplasmático 1819 criptocromos nucleares inibem a degradação de proteínas induzida por COP1 465466 466 estrutura e função 11 1315 17 movimento de fitocromos do citosol para o 454455 457 Ver também Genoma nuclear Núcleo da célula do tubo 625627 Nucleoides 6162 Nucléolos 1011 1415 37 39 5253 Nucleoporina 1314 Núcleos polares 482 625627 631 631632 Nucleossomos 1314 1415 5152 Número de Avogadro 246 Nutrição mineral definição 119120 fertilizantes e 119121 ver também Fertilizantes nutrientes essenciais 120125 relações de solos raízes e mi cróbios com 131140 Nutrientes iônicos deficiências 127129 descrição dos 121122 122123 Nutrientes minerais absorção pelas raízes 134140 ver também Absorção de nu trientes aplicação foliar 131132 classificação de acordo com a função bioquímica 121123 efeito da disponibilidade de nutrientes no crescimento da raiz 137138 efeito das propriedades do solo na disponibilidade 130131 131134 elementos essenciais 120123 imitados por metais pesados 736737 lixiviação 129131 mobilidade dentro da planta 124125 movimento entre fungos mi corrízicos e células das raízes 139140 na biosfera 119120 nos fertilizantes 119121 ver também Fertilizantes soluções de nutrientes 122125 transporte nas raízes 163166 Ver também Assimilação de nu trientes Nymphaceae 545546 Nymphaeales 6364 Nyssa sylvatica 686687 O Oacetilserina tiolliase 368369 369370 Oacetilserina 368369 369370 Oenothera 631632 Oficialdesala Asclepias curassa vica 702703 Óleo da semente do algodão 343344 Óleo de amendoim 343344 Óleos armazenagem de energia 343 344 triacilgliceróis 343344 346 Oleosinas 2324 343344 Oleossomos 343344 346 Ver também Corpos lipídicos Oligogalacturonoides 710 712 Oligômeros de quitina 697698 Oligossacarídeos de lipoquitina 363364 695 697 Oligossacarídeos Oligados 1920 Onagraceae 631 Oncopeltus fasciatus percevejo do oficialdesala 702703 ooEDDHA 124 Oomycetes 697698 Oosfera 482 na fecundação dupla 639640 na megasporogênese 631 631 632 TaizIndice3indd 842 TaizIndice3indd 842 27102016 094022 27102016 094022 Índice 843 na polinização 633 nos ciclos de vida das plantas 23 4 produção de 625627 Opinas 7576 Opuntia 554 698699 O ficusindica 9495 262 O stricta 230231 Organelas categorias de 910 de divisão independente se miautônomas 2429 de divisão ou fusão indepen dente derivadas do sistema de endomembranas 2225 estrutura e função das mem branas 911 13 movimento e ancoragem diri gidos 3336 sistema de endomembranas 11 1323 Organismos geneticamente mo dificados OGMs 7678 Organismosmodelo 12 Organização Mundial da Saúde 7778 Organogênese 480481 Órgãos florais filomas e 553 Orientação foliar em resposta ao estresse abiótico 756757 757758 Orizalina 395396 Orobanche 420421 516517 Orobanques 420421 516517 Ortovanadato 271272 Oryza sativa Ver Arroz Oscilador endógeno 595 Ver também Relógio circadiano Osmolaridade 90 Osmorregulação nas células guarda 273 275275 Osmose definição 8689 descrição da 8689 movimento da água para den tro ou para fora das células 9094 Ovário 630 Oxalacetato biossíntese de aminoácidos 359360 360361 ciclo do ácido cítrico 328 328 329 metabolismo ácido das crassu láceas 225 228229 229230 metabolismo da PEP e do piru vato 330331 na assimilação de amônio 358 359 359360 na conversão de gorduras em açúcares durante a germina ção da semente 349350 350 351 na fotossíntese C4 222 produção de malato 320 322 323 βoxidação de ácidos graxos 23 24 349350 350351 Oxidação do carbono ciclo do ácido cítrico 318319 328329 na conversão de gorduras em açúcares durante a germina ção da semente 349350 350 351 na respiração 319 321 reações da fermentação 320 322323 rota oxidativa das pentoses fos fato 318319 325 326327 Oxidase alternativa 331 331332 336337 339340 Oxidases 393 Óxido nítrico fixação fotoquímica de nitrato 355356 na resposta hipersensível 720 quebra da dormência da se mente e 520 símbolo e fonte 742743 Óxido nítrico sintase 720 Oxigenases 371373 Oxigênio assimilação 371373 circulação na fotorrespiração 215216 efeitos na respiração 341343 especificidade da rubisco para 215217 estresse aneróbico às raízes em solos inundados 736737 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 produção na fotossíntese ver Produção de oxigênio na fo tossíntese quociente respiratório 340343 razão ADPO 332333 respostas metabólicas aos baixos níveis de oxigênio 322 323 singleto 195197 transporte mitocondrial de elé trons e 330331 331 Ver também Espécies reativas de oxigênio Oxigênio singleto 195197 733 734 742743 Oxilipinas 708709 2oxoglutarato ciclo do ácido cítrico 328 328 329 ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 212213 214 213 215216 na assimilação de amônio 357 358 358359 359360 na biossíntese de aminoácidos 359360 360361 na ligação de rotas respiratórias e metabólicas 340341 no metabolismo da PEP e do piruvato 330331 2oxoglutaratodesidrogenase 328 Ozônio 736737 742743 751752 P ptrifluorometoxicarbonilcianeto fenilidrazona FCCP 333334 P680 178179 180 186189 P700 no PSI 180 186188 192193 transferência de elétrons e de prótons pelo complexo cito cromo b6f 191193 P870 187188 Padrões de venação desenvolvimento dos 566573 organização hierárquica 566 tipos de 565 Ver também Nervuras foliares Padrões moleculares associados a herbívoros HAMPs 706707 Padrões moleculares associados a microrganismos MAMPs 717719 718 Padrões moleculares associados ao dano DAMPs 710 712 717 718 Padronização radial da epiderme 492494 494495 Paleopoliploides 5960 Palmae Arecaceae 583585 Panicum virgatum switch grass 579 Papaver somniferum papoula 702703 papel dos voláteis induzidos pelos herbívoros na 713714 Paphiopedilum 276 Papoula Papaver somniferum 702703 Paquíteno 55 56 Paraheliotropismo 249 757758 Paraquat 193194 Parasitas interações bióticas e 693 Parasponia 361363 P andersonii 695 697 Paredes celulares associação com o retículo en doplasmático 1819 auxina e 411412 528529 componentes de 382385 crescimento celular e 396401 crescimento induzido por acidez 396400 411412 528 529 de célulasguarda 113115 de grãos de pólen 628629 degradação durante o amadu recimento do fruto 658659 deslizamento 398399 estrutura e função 379 381 382 hemiceluloses 389393 mecanismos de expansão celu lar 393396 microfibrilas de celulose 384 388 modelos de 399401 modificações após cessar o crescimento 400401 mudanças no pH como mensa geiros secundários 411413 na celularização de endosper ma cenocítico 644646 na resposta hipersensível 720 no desenvolvimento da casca da semente 650651 651 papel do citoesqueleto na re gulação do crescimento das paredes 393396 pectinas 388390 plasmodesmos e 7 5 8 pressão de turgor e 9295 propriedades de amolecimento 396397 síntese de polímeros da matriz 387388 teoria de coesãotensão de as censão da seiva e 107109 tipos principais 381382 Ver também Paredes celulares primárias Paredes celulares secundárias visão geral 35 7 8 379381 viscoelasticidade e proprieda des reológicas 396397 Paredes celulares primárias 1011 componentes das 381 382 385 387388 das células dos tecidos funda mentais 4144 definição 381 efeitos da orientação das microfibrilas na direção do crescimento difuso 393395 395396 estrutura e função 391393 hemiceluloses 389390 391 modelos de arquitetura funcio nal 399401 montagem 391393 no xilema 44 46 paredes celulares secundárias e 401402 pectinas 388390 visão geral 7 5 8 Paredes celulares secundárias componentes 382383 de esclereídes e fibras 4344 definição 382 estrutura e função 382 400 405 hemiceluloses 389393 391 no desenvolvimento da casca da semente 650651 651 no xilema 44 46 4647 visão geral 7 5 8 Parênquima composição da parede celular primária 391393 descrição do 4044 no floema 285286 paredes celulares 381 382 Parênquima do xilema 164166 289291 Parênquima esponjoso 6 4042 248 Parênquima paliçádico 6 Pares de pontoações 103105 105106 Paris japonica japanese canopy plant 51 TaizIndice3indd 843 TaizIndice3indd 843 27102016 094022 27102016 094022 844 Índice Paris japonica 51 Partes aéreas aerênquima 748750 ângulo do valoralvo gravitró pico das ramificações 548549 assimilação de nitrato 357358 fototropismo 535537 função no corpo vegetal 35 6 ramificação e arquitetura 572 579 razão entre as biomassas da raiz e da parte aérea 757758 Partição de fotossintatos 309311 Partículas de reconhecimento de sinais PRS 16 1820 Partículas do solo adsorção de nutrientes mine rais 131133 categorização pelo tamanho 131132 Pascais Pa 8586 8687 Pasteur Louis 322324 326 Patch clamping 150151 Patógenos defesas vegetais contra 698 700 715725 ver também De fesas vegetais efetores produzidos por 715 717 estratégias para invadir as plantas 715717 tipos de 715717 visão geral 697698 Patógenos bacterianos Patógenos biotróficos 715717 Patógenos fúngicos defesas vegetais contra 698 700 ver também Defesas vege tais visão geral 697698 Patógenos hemibiotróficos 715 717 Patógenos microbianos contra defesas vegetais 698 700 ver também Defesas vege tais interações bióticas e 693 visão geral 697698 Patógenos necrotróficos 715717 PC Ver Plastocianina PCDAGaciltransferase 348349 Pédeurso Acanthus mollis 305306 Pecíolo 554 559560 Pectatos 370371 Pectina metil esterase 389390 393 Pectinas autoconstrução das paredes celulares e 393 definição 382383 estrutura e função nas paredes celulares 388390 na rigidificação da parede 400 401 nas paredes celulares primá rias 391393 399400 nas paredes celulares secundá rias 382 Pelos da raiz 6 absorção de água 100102 absorção de íons 136137 164 165 desenvolvimento 3940 544 545 545547 formação dos nódulos da raiz 364366 iniciação dos 398399 supressão do desenvolvimento por GL2 565 Pentose fosfato epimerase 325 Pentose fosfato isomerase 325 Pentoses 382383 PEPcarboxilase razão entre isotópos de carbo no e 265266 regulação da glicólise 323324 326 rota do malato 320 322323 328329 PEPcarboxiquinase PEPCK 222 224225 230231 349350 350351 PEP Ver Fosfoenolpiruvato PEPCasequinase 224225 PEPCase Ver Fosfoenolpiruvato carboxilase Peperomia 631632 Pepino Cucumis sativus 122123 292293 567 Peptídeo flg22 717719 Peptídeo Pep13 717 Peptídeo ZmPep3 710 712 Peptídeos antimicrobianos 720 Peptídeos de trânsito 198200 Peptídeos sinal 1819 Pera Pyrus communis 655 657 Pera espinhosa africana Opuntia stricta 230231 Percevejo de oficialdesala On copeltus fasciatus 702703 Perda da calor sensível 256257 Perda de calor latente 256257 Perda de calor radiativo 255256 Perenes 686687 733 Perenes monocárpicas 686687 687688 Perfil metabólico 323324 326 Pericarpo 514515 515516 Periciclo 6 910 Periderme 910 583 584585 585586 Perilla P crispa 599 608609 P fruticosa 357358 Período de atraso do alongamento induzido pela auxina 524 526529 nas respostas à luz azul 273 275 463 nas respostas ao fitocromo 455 457 Período de indução 208209 Período dos ritmos circadianos 595 Perisperma 154155 Permeabilidade da membrana definição 144145 transporte de íons através de membranas e 144150 Peroxidases 393 403404 Peróxido de hidrogênio destoxificação 750751 751 752 em uma possível reengenharia genética da fotorrespiração 219221 estresse abiótico e 733734 liberado no ciclo fotossintéti codo oxidativo C2 do carbono 212213 214 213 215 liberado pela fotorrespiração 212213 214 213 215 218219 nos peroxissomos 2325 oxidase alternativa e 336337 regulação da senescência foliar 679680 símbolo e fonte do 742743 Ver também Espécies reativas de oxigênio Peroxirredoxinas Prx 750751 751752 Peroxissomos 1011 associação com o retículo en doplasmático 1819 biossíntese do ácido jasmônico 708710 ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 213 214 215219 funções de 2325 glioxissomos 349350 nas células do mesofilo 4041 4142 Peroxulos 2425 Pétalas iniciação 612613 614 Petalostemum purpureum 579 Petúnia 7172 Petunia hybrida 608609 Pfr como a forma fisiologicamente ativa do fitocromo 453 controle do florescimento e 602604 604605 estado fotoestacionário 453 interconversão entre Pr e Pfr 452454 454455 supressão da fotomorfogênese no escuro e 537538 pH acidificação do apoplasto na resposta ao fototropismo 535 536 como um mensageiro secundá rio na percepção da gravidade 532534 535 crescimento celular induzido por ácido 396400 411412 528529 impacto do estresse nas plan tas 736737 mudanças no pH citosólico ou na parede celular como men sageiros secundários 411413 na modulação das enzimas do ciclo de CalvinBenson 210 211 pH citosólico crescimento apical do tubo po línico e 635636 mudanças no pH citosólico como mensageiros secundá rios 411413 no fechamento estomático induzido pelo ABA durante o estresse hídrico 754755 pH do solo assimilação de íons pelas raízes e 370373 efeito na disponibilidade de nutrientes microrganismos do solo e crescimento da raiz 132134 fertilizantes e 130131 Phaeodactylum tricornutum 224 225 Phalaris canariensis alpiste 417 Pharbitis 602604 Phaseolus P lunatus 707708 714 724 725 P vulgaris ver Feijoeiro Phelipanche 420421 516517 Philadelphus grandiflora 671673 Phleum pratense gramadetimo thy 2627 114 PHLOEM INTERCALATED WITH XYLEM PXY TDIF RE CEPTOR TDR 508509 Phoenix dactylifera tamareira 652 654655 657 Phyllostachys bambusoides 686 687 Physcomitrella patens 3435 Phytophthora 697698 717 P capsici 718719 Picea P abies 5253 P sitchensis 252253 Pigmentos acessórios 175176 Pigmentos bilinas 174 Pigmentos fotossintéticos complexo antena 176177 181 183 185186 192194 espectros de absorção 175176 estrutura e função 174 175176 Ver também Clorofilas Pilobolus 594595 Pilriteiro Crataegus 408 PILs proteínas do tipo PIF 460461 Pinaceae 137138 139140 Pinceldodeserto Castilleja chro mosa 599 βpineno 701702 αpineno 701702 702 Pinheirinhodejardim 686687 Pinheiro bristlecone Pinus lon gaeva 686687 687688 Pinheirodaescócia 686687 Pinheirosuiço 686687 Pinheiros ductos resiníferos 702 ectomicorrizas 137138 139 140 volume do espaço de ar nas acículas 111112 TaizIndice3indd 844 TaizIndice3indd 844 27102016 094022 27102016 094022 Índice 845 PINOIDquinase 490491 502 503 505 Pinus ectomicorrizas 139140 P cembra 686687 P longaeva 686687 P resinosa 288289 P sylvestris 304 686687 Piperaceae 561 piRNAs Ver RNAs associados a PIWI Pirofosfato PPi geração na síntese citosólica da sacarose 239 na fotossíntese C4 222 na glicólise 320 321322 Piruvato ciclo do ácido cítrico 318319 328329 330331 descarboxilação oxidativa do malato e 328329 330331 efeito na atividade da piruvato desidrogenase 338 em uma possível reengenharia genética da fotorrespiração 219221 estrutura 319 321 fermentação 322323 na biossíntese de aminoácidos 359360 360361 na fotossíntese C4 221 222 224 na glicólise 318 320 322323 na respiração vegetal 327 transporte transmembrana nas mitocôndrias 333334 335 Piruvato descarboxilase 320 322323 Piruvato desidrogenase 328 340341 Piruvato fosfato diquinase 221 222 224225 Piruvato quinase 320 321324 326 338339 Pistilos crescimento do tubo polínico pelos 637638 na autoincompatibilidade es porofítica 641642 na dicogamia 639640 640 641 na heterostilia 639641 Pisum sativum Ver Ervilha Placa celular formação da parede celular pri mária e 391393 na celularização do endosper ma cenocítico 644646 na mitose 38 39 Placa de perfuração 105106 Placas crivadas 45 44 46 287 287288 Placenta 630 Plantachumbo Amorpha canes cens 579 Planta em forma de jarro 157158 Plantas classificação e ciclos de vida 15 definição 12 princípio unificador 12 relações evolutivas 23 visão geral da estrutura vege tal 310 Plantas avasculares 12 23 Plantas bianuais 686687 Plantas C3 efeitos do dióxido de carbono na fotossíntese 260261 efeitos dos níveis de dióxido de carbono na assimilação de nitrato 373374 efeitos projetados dos níveis elevados de CO2 na fotossín tese e na respiração 262263 eficiência fotossintética sen sível à temperatura 257258 258259 ideal térmico fotossintético 256258 produtividade quântica máxi ma da fotossíntese 251252 razão entre isótopos de carbo no 263267 resposta da fotossíntese à luz 250251 transporte de trioses fosfato 224225 226 Plantas C4 efeitos dos níveis de dióxido de carbono na assimilação de nitrato 373374 374 efeitos projetados dos níveis elevados de CO2 na fotossín tese e na respiração 263 fixação de nitrogênio nas 361 362 razão entre isótopos de carbo no 263267 Plantas clonais longevidade 686687 Plantas da ressurreição 652 654 Plantas de deserto razão da transpiração 116117 Plantas de dias curtos SDPs controle do florescimento pelos fitocromos 602604 604605 definição 598599 efeito de quebras da noite 599 601 experimentos de enxertia no estímulo ao florescimento 608609 hipótese do relógio do fotope riodismo 599600 601 medição do comprimento da noite pela planta 599 599600 modelo de coincidência 601 602 601604 percepção foliar do sinal foto periódico 599 rotas e fatores múltiplos na transição para o florescimen to 612 Plantas de dias curtoslongos SLDPs 599 Plantas de dias longos LDPs controle do florescimento por fitocromos 602605 definição 598599 efeitos das quebras da noite 599 601 experimentos de enxertia no estímulo ao florescimento 608609 medição do comprimento da noite pela planta 599 599600 modelo de coincidência e ex pressão do gene CO 601604 percepção foliar do sinal foto periódico 599 regulação do florescimento pela luz azul 604606 rotas e fatores múltiplos na transição para o florescimen to 612 Plantas de dias longoscurtos LSDPs 598599 Plantas de dias neutros DNPs definição 599 experimentos de enxertia no estímulo ao florescimento 608609 Plantas de sol percepção e evitação da som bra 540542 ponto de compensação da luz 251252 Plantas de sombra impacto da itensidade lumino sa nas 735736 ponto de compensação da luz 251252 Plantas de terras úmidas 136137 Plantas floríferas 1223 Ver também Angiospermas Plantas glicofíticas 733734 Plantas hemiparasíticas 726727 Plantas herbáceas necessidade de energia para o transporte no floema 296298 Plantas holoparasíticas 726727 Plantas lenhosas anatomia do caule 583 dormência da gema axilar 577 579 Plantas monocárpicas definição 686687 duração dos meristemas apicais dos caules 687688 senescência em 688690 Plantas parasíticas 726727 Plantas policárpicas 686688 Plantas qualitativas de dias cur tos 598599 Plantas qualitativas de dias lon gos 598599 Plantas quantitativas de dias cur tos 598599 Plantas quantitativas de dias lon gos 598599 Plantas resistentes ao resfriamen to 225 228229 752 753 Plantas sem sementes 12 Plantas sensíveis ao resfriamento 752 753 Plantas sensíveis ao sal 733734 Plantas tolerantes ao sal 133134 Plantas vasculares 12 23 Plântulas epígeas 524 526527 Plântulas hipógeas 524 526527 Plasmalema 35 Plasmídeo indutor de tumor Ti 7576 Plasmodemos primários 7 5 8 Plasmodesmas 1011 associação com o retículo en doplasmático 1819 conectando elementos de tubo crivado e células companhei ras 289291 291 desmotúbulos 164165 estrutura e função 7 5 8 função 381381 movimento de vírus pelos 5 8 na sinalização do floema 313 315 no carregamento do floema 300 300302 302306 no floema 45 44 46 nos tricomas secretores 4041 Plasmodesmos ramificados 7 5 8 Plasmodesmos secundários 5 7 8 Plasmodesmos simples 7 5 8 Plasticidade definição 250251 plasticidade fenotípica 756758 Plasticidade fenotípica 756758 Plastídios desenvolvimento 2629 glicólise parcial nos 321322 lipídeos de membrana 1011 13 NADPH nos 326327 tipos de 2427 Plastohidroquinona plastoqui nol 186187 189193 Plastocianina PC cobre e 128129 localização no cloroplasto 181 182 182183 peptídeos de trânsito 198200 transferência de elétrons entre PSI e PSII 192193 transferência de prótons e elé trons pelo complexo citocromo b6 f 191193 Plastoglóbulos 675 Plastoquinona PQ herbicidas e 193194 localização no cloroplasto 181 182 182183 no PSII 189190 partição de energia entre PSI e PSII e 197198 transferência de elétrons entre PSI e PSII 192193 Plastosemiquinona 189190 Plataformas lipídicas 11 13 Plúmulas 514515 515516 Pneumatóforos 341343 Poa pratensis gramaazuldo kentucky 579 Poaceae benzoxazinoides 704 células antípodas 631 fitólitos 699 TaizIndice3indd 845 TaizIndice3indd 845 27102016 094022 27102016 094022 846 Índice hemiceluloses nas paredes celulares primárias 389390 391 Podocarpus 401402 Poinsétia Euphorbia pulcherrima 599 Poiseuille Jean Léonard Marie 106107 Polaridade estabelecimento da polaridade foliar 554560 estabelecimento durante a em briogênese 479 polaridade apicalbasal 481 493 polaridade proximaldistal no desenvolvimento foliar 557 559560 polaridade radial 481482 492496 Polaridade adaxialabaxial no desenvolvimento da folha 554 556 558559 Polaridade foliar desenvolvimento abaxial da folha 558559 emergência dos primórdios 554555 estabelecimento da polaridade adaxialabaxial 554556 558 559 estabelecimento da polaridade proximaldistal 557 559560 fatores determinantes do cres cimento da lâmina 558560 identidade e desenvolvimento adaxial 555557 Polaridade proximaldistal no desenvolvimento foliar 557 559560 Pólen definição 23 desenvolvimento 56 334 336 liberação 628 nos ciclos de vida das plantas 23 4 Poliadenilação 6465 67 Políades 627 Polifenóis oxidase 657658 Poligalacturonase 660661 685686 Polinização crescimento apical do tubo po línico 635638 definição 631632 estágios da 633634 íons cálcio e polarização do grão de pólen 635636 visão geral 631633 Polinização cruzada autoincompatibilidade 640 642 642643 definida 633 dicogamia 639640 640641 esterilidade masculina cito plasmática 640641 heterostilia 639641 versus autopolinização 642 643 Polinização cruzada 633 Ver também Autopolinização Poliploidia aneuploidia e 5961 ciclo celular vegetal e 3637 endopoliploidia 56 evolução vegetal e 6062 imprevisibilidade de respostas fenotípicas e fisiológicas 58 61 rotas para 5659 Polirribossomos 1718 Polissacarídeos estrutura 382 nas paredes celulares 382383 pectinas 388390 processamento no complexo de Golgi 1921 ramificados 382 Polissacarídeos de matriz caráter amorfo 388 definição 382383 hemiceluloses 389393 na regidificação da parede 400401 síntese e secreção 387388 Polissacarídeos pécticos neutros 388389 Polissacarídeos ramificados 382 Polos do fuso 3536 Pólvora 353 Pomo 655 657 Ponte triploide 5758 5859 Ponto de checagem 3637 Ponto de checagem do fuso 37 39 Ponto de compensação da luz 251252 Ponto de compensação do dióxido de carbono 260 261 Pontoações em elementos de vaso e traque ídes 44 46 4647 em paredes celulares secundá rias 382 haustórios parasíticos e 727 nas fibras 4344 transporte de água pelo xilema 103105 105106 Pontoações revestidas por clatri na 2122 Populus 138139 P grandidentata 686687 P tremula 673675 675 714 P tremuloides 687688 Porfobilinogênio 200 Poros poros da área crivada 287289 poros da célula crivada em gimnospermas 300 poros da placa crivada no transporte do floema 298 Poros nucleares 1314 Portões de proteínas de canais 150151 Pósmaturação 518520 Potenciais de ação 429 431 Potencial de concentração 144 Potencial de difusão 146 148149 Potencial de difusão de Goldman 148149 Potencial de membrana distribuição de íons através de uma membrana e 146148 efeito do cianeto no 148150 equação de Nernst e 147148 medição 147148 potencial de difusão e 146 regulação dos fitocromos 459 461 transporte de prótons e 148 150 Potencial de Nernst 147148 Potencial de pressão curva de pressãovolume e pressão de turgor 9294 94 95 de água no solo 100102 definição 90 medição do 9091 movimento da água via osmose e 9094 variação dos valores dentro da planta 9294 Potencial de soluto curva de pressãovolume e pressão de turgor 9294 94 95 de halófitas 9697 definição 90 medição do 9091 movimento da água via osmose e 9094 no modelo do fluxo de pressão do transporte no floema 293 295296 variação dos valores dentro da planta 9294 Ver também Potencial osmótico Potencial elétrico 144 Potencial eletroquímico 144145 Potencial gravitacional 90 100 102 Potencial hídrico abertura dos estômatos e 114 115 ajuste osmótico ao solo seco 748750 como uma medida do status hídrico 9697 condutividade hidráulica de membranas celulares e 9496 de água do solo 100102 definição 8889 faixa de valores dentro da plan ta 9294 fatores que contribuem para 90 germinação da semente e 520 523 impacto da formação de cristais de gelo no 736737 impacto do déficit hídrico no 734735 medição do 9091 movimento da água via osmose e 9094 nas folhas 111112 no modelo do fluxo de pressão do transporte no floema 293 295296 pressão de raiz e 103105 teoria de coesãotensão de as censão da seiva 107109 transpiração e 110111 Potencial hidrostático 144 Potencial mátrico 9091 522523 Potencial osmótico abertura dos estômatos e 114 115 ajuste osmótico ao solo seco 748750 da água do solo 100 definição 90 no carregamento apoplástico do floema 300302 pressão de raiz e 103105 Ver também Potencial de soluto Potencial químico 8889 144 145 194 Potrykus Ingo 7778 PP1 REGULATORY SUBUNIT2 LIKE PROTEIN1 PRSL1 471 472 472473 PP1c 471472 472473 PPA2 436 PQ Ver Plastoquinona Pr controle do florescimento e 602604 604605 estado fotoestacionário 453 interconversão entre Pr e Pfr 452454 454455 Prairie dropseed Sporobolus heterolepis 579 PRC2 646649 Préprocâmbio 569 Préprófase 37 38 39 Precipitação produtividade do ecossistema e 8384 razão entre isótopos de carbo no 265266 Pressão potencial hídrico e 90 unidades de 8586 8687 Pressão atmosférica pressão hi drostática e 90 Pressão de raiz 103105 Pressão de turgor acumulação de solutos e 9697 aumento celular e 396397 definição 83 90 efeitos no volume celular e 92 95 impacto do déficit na 734735 importância da 83 9698 modelo de fluxo de pressão do transporte no floema 293 295296 298299 movimento estomático e 114 117 269270 na regulação das relações fontedreno 312313 Pressão gravitacional 107108 Pressão hidrostática 8587 90 Pressão hidrostática negativa com tensão 90 ver também Tensão descrição da 8587 na água do solo 100102 TaizIndice3indd 846 TaizIndice3indd 846 27102016 094022 27102016 094022 Índice 847 teoria da coesãotensão de as censão da seiva 107109 Pressão hidrostática positiva Ver Pressão de turgor Priestly Joseph 175176 Primeira lei de Fick 8788 8889 Primexina 628629 Primórdio nodular 366 Primórdios foliares definição 554 estabelecimento da polaridade 554560 iniciação e desenvolvimento 507508 554555 no ápice do caule 6 Primula kewensis 1718 Próantocianidinas 516517 650651 Prómetáfase 37 39 Próplastídios 2629 Prósistemina 710 712 711 Próvitamina A 7778 Procâmbio diferenciação durante a em briogênese 493495 origem das nervuras foliares 566 Processo de senescência foliar 671675 Ver também Síndrome da senes cência foliar Processo HaberBosch 355356 Processos de transporte de mem brana análises cinéticas 154157 canais e difusão 150152 152 153 carregadores 151152 proteínas de transporte e 149 151 transporte ativo primário 151 154 transporte ativo secundário 153155 visão geral 149151 Produção de grãos em função da irrigação 8384 Produção de oxigênio na fotos síntese descoberta da 177 excesso de energia luminosa e 253254 oxidação da água pelo PSII 188189 produtividade quântica 177 178 reação química geral 171172 176178 Produtividade dos ecossistemas em função da precipitação anual 8384 Produtividade fotossintética produtividade quântica 251 252 taxa de respiração e 339341 Produtividade quântica da fotos síntese definição 177178 efeitos da temperatura na 257 258 258259 máxima 251252 queda no vermelho e 178179 Prófase mitose 37 38 39 Prófase I e II meiose 55 56 Profilinas 29 30 31 Prolina acumulação sob estresse sali no 158159 como um soluto compatível 748750 oxidação pela prolina desidro genase 331332 rota biossintética 359360 360361 Prolina desidrogenase 331332 Promotor do gene VIVIPAROUS1 Vp1 648649 650651 Promotor mínimo 6263 6364 Promotor proximal 6465 65 67 Promotores 6263 6364 Promotores responsivos à auxina DR5 486487 490491 500501 Propriedades de amolecimento da parede celular 396397 Propriedades reológicas das pa redes celulares 396397 Propriedades viscoelásticas de paredes celulares 396397 Prosopis prosópis 133134 726 Protalo 35 Protea 132133 Proteaceae 132133 138139 Proteases 675676 Proteassomo 26S 3637 7273 523524 535536 723724 Ver também Rota de ubiquitina proteassomo da degradação de proteínas Proteção cruzada 739740 PROTEIN PHOSPHATASE 1 PP1 471472 472473 PROTEIN PHOSPHATASE 2 PPA2 436 Proteína AGAMOUS 608 Proteína AGO 6869 7072 Proteína AHP 432 433434 Proteína ARABIDOPSIS HISTI DINE PHOSPHOTRANSFER AHP 432 433434 Proteína ARGONAUTE AGO 6869 7072 Proteína AtABCB14 160161 Proteína AUX1 486491 546547 Proteína AXR3 542543 Proteína AXR4 490491 Proteína BDL 492493 Proteína carotenoide laranja OCP 280 Proteína carregadora de acil ACP 344 346 347 Proteína CASP1 403404 Proteína CHLOROPLAST UNUSUAL POSITIONING1 CHUP1 469471 Proteína CHUP1 469471 Proteína CLE40 508509 Proteína CO1 709710 Proteína COI1 438 439440 681683 Proteína com estrutura βhélice 472473 Proteína CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENESIS1 COP1 461462 465466 466 472473 474 Proteína CONSTITUTIVE TRI PLE RESPONSE CTR1 433 434 434 436 436 Proteína COP1 461462 465466 466 472473 474 Proteína COPII 2021 Proteína CORONATINEINSEN SITIVE COI1 439440 440 681683 Proteína CP12 210211 211212 Proteína Cph1 454 454455 Proteína CR4 648649 Proteína CRINKLY CR4 648 649 Proteína CSI1 396 Proteína CTR1 433434 434 436 436 Proteína Cullin 409410 Proteína CYCLOPS 363364 Proteína D1 188189 189 196 198 254255 Proteína D2 188189 189 Proteína DCL1 6872 7071 Proteína DEETIOLATED DET 461 Proteína DEFICIENS 608 618 619 Proteína DEMETER DME 647649 Proteína desacopladora UCP 331 335 336337 Proteína DET 461 Proteína DICERLIKE 1 DCL1 6872 7071 Proteína DME 647649 Proteína do tipo receptor TMM 563564 Proteína do tipo receptor TOO MANY MOUTHS TMM 563 564 Proteína EIN2 433434 434 436 Proteína EIN3 433434 434 436 436 Proteína Elf18 717 Proteína ELF3 466467 Proteína ETHYLENEINSENSI TIVE2 EIN2 433434 434 436 Proteína ETHYLENEINSEN SITIVE3 EIN3 433434 434 436 436 Proteína ETR1 433434 434 436 436 684685 Proteína EXPORTIN5 6869 Proteína FD 607 609610 611 612 615616 Proteína FERTILIZATION INDEPENDENT ENDOSPERM FIE 647648 Proteína FHY 454455 456 Proteína FIE 647648 Proteína FLOWERING LOCUS D FD 609610 611 612 615616 Proteína fosfatase 2C PP2C 755756 Proteína FUS 461 Proteína FUSCA FUS 461 Proteína GAI 313314 Proteína GIBBERELLIN INSEN SITIVE DWARF 1 GID1 438 439440 441 443 523524 525 Proteína GID1 438 439440 441 443 523524 525 Proteína GNOM GN 485486 491493 Proteína HASTY 6869 Proteína HYL1 6869 Proteína HYPONASTIC LEAVES 1 HYL1 6869 Proteína II de ligação à clorofila de captação de luz LHCP II 675676 Proteína interativas com ROP contendo motivo CRiB RICs 393395 395396 636 Proteína KLU 559560 Proteína KNOLLE 39 Proteína MEDEA MEA 647648 Proteína MET1 647648 Proteína MoFe 366368 Proteína MOR1 3233 Proteína MSI1 647648 Proteína MUSASHI HOMOLOG 1 MSI1 647648 Proteína NONPHOTOTROPIC HYPOCOTYL 3 NPH3 535 536 Proteína NONPHOTOTROPIC HYPOCOTYL 4 NPH4 499 500 502503 504 505506 Proteína NPH3 535536 Proteína NPPH4 499500 502 503 504 505506 Proteína NPR1 721722 723724 Proteína NPR3 721722 723724 Proteína NPR4 723724 Proteína OPEN STOMATAL1 OST1 755756 Proteína OsGSR1 747 Proteína OST1 755756 Proteína PIN1 desenvolvimento de traços foliares mediado por auxina 568569 569 formação de nervuras de or dem superior mediada por auxina 570573 iniciação do meristema axilar mediada por auxina 573574 na emergência dos primórdios foliares 554555 no desenvolvimento do saco embrionário 631632 PIN1ABCB19 de liberação da auxina 532 533534 535536 Ver também Carregadores de efluxo de auxina PINFOR MED Proteína PP1 471472 472473 Proteína PP2C 755756 Proteína PsbS 196197 197198 Proteína PYL 436 436437 Proteína PYR1LIKE PYL 436 436437 TaizIndice3indd 847 TaizIndice3indd 847 27102016 094022 27102016 094022 848 Índice Proteína PYRABACTIN RESIS TANCE1 PYR1 436 436437 Proteína quinase ativada por mi tógeno MAPK na produção sistêmica de inibi dores de proteinase 710 712 711 nas respostas de defesa indu zidas à herbivoria por insetos 708709 regulação de respostas ao es tresse abiótico 742743 Proteína quinase BLUE LIGHT SIGNALING1 BLUS1 471473 Proteína quinase dependente de íon cálciocalmodulina CaMK 363364 Proteína quinase induzida por ácido salicílico SIPK 708709 Proteína quinase induzida por lesão WIPK 708709 Proteína repressora BIN2 434 435 436437 Proteína repressora BRASSINOS TEROIDINSENSITIVE2 BIN2 434 435 436437 Proteína rica em cisteína do locus S SCR 641642 Proteína rica em glicina GRP 382383 Proteína rica em prolina PRP 382383 Proteína Rieske ferrosulfurosa FeSR 191 Proteína SCM 544545 545546 Proteína SCR 641642 Proteína SCRAMBLED SCM 544545 545546 Proteína SCREAM SCRM bHLHLZ 562 563564 Proteína Skp1 409410 436437 438 Proteína SLFSFB 641642 Proteína SLY1 439440 Proteína SPA1 465466 466 Ver também Complexo COP1 SUPRRESSOR OF PHYA Proteína SRK 641642 Proteína Srlk 740741 Proteína STAYGREEN SGR 675677 Proteína TMK1 436 Proteína TRANSPARENT TESTA GLABRA1 TTG1 544545 545546 564565 Proteína TWISTED DWARF 1 490491 Proteína verde fluorescente GFP 7475 Proteína VP1 524 526527 Proteína VP14 518 Proteína VRN2 608 Proteínas associadas com membranas 910 12 11 13 ver também Proteínas integrais de mem brana Proteínas de transporte em membranas chaperonas moleculares e an teparos moleculares 751752 como sinais móveis no floema 312314 degradação ver Degradação de proteínas inserção da cotradução no retí culo endoplasmático 15 17 inserção póstradução 15 17 movimento intercelular duran te a embriogênese 485 na seiva do floema 291292 292293 295296 processamento de proteínas secretoras 1820 proteoma 7475 reciclagem 7173 Proteínas BphPs do tipo fito cromos bacterianos 452 454 454455 Proteínas 1433 162163 470 472 Proteínas ABC Ver Família de proteínas cassete de ligação ao ATP Proteínas ABCB transportadores de auxina 488489 489491 574 576 ABCB1 532 ABCB19 532533 533534 535536 571 ABCB4 443 444 545546 747 Proteínas abundantes na embrio gênese tardia LEA 652655 747 752 Proteínas AIAAUX 492493 499500 Proteínas ancoradas 12 11 13 Proteínas ancoradas em ácidos graxos 12 11 13 Proteínas ancoradas em prenil lipídeos 11 12 13 Proteínas ancoradas por glicosil fosfatidilinositol GPI 12 11 13 Proteínas antena clorofilas ab 183 185186 Proteínas anticongelamento 754755 Proteínas antidigestivas 710 712 Proteínas arabinogalactanos AGPs 382383 proteínas associadas a microtú bulos MAPs 29 31 3334 Proteínas associadas à senescên ca 677678 Proteínas ATG 668671 Proteínas chaperonas 490491 Proteínas COP 461 461462 Proteínas da casca 2021 Proteínas de ativação de GTPases GAPs 636 637638 Proteínas de choque térmico HSPs 751752 Proteínas de ligação à actina ABPs 29 31 Proteínas de ligação ao DNA 466 Proteínas de ligação ao P700 192194 Proteínas de membrana Ver Proteínas integrais de membra na Proteínas de transporte em membranas Proteínas de movimento 5 8 Proteínas de reserva da casca BSPs 587588 Proteínas de resistência ao ácido jasmônico JAR 709710 Proteínas de sustentação na regulação do metabolismo do amido 237 Proteínas de transporte 149151 Ver também Proteínas de trans porte em membranas Proteínas de transporte em mem branas aquaporinas 160162 de compostos contendo nitro gênio 157159 genes de 157158 HATPase do tonoplasto 162 164 HATPases da membrana plasmática 161163 Hpirofosfatases 163164 transportadores de ânions 160161 transportadores de cátions 158161 transportadores para íons me tálicos e metaloides 160161 Ver também Carregadores Ca nais Proteínas de transporte visão geral 155157 Proteínas DELLA na resposta de evitação da sombra 541 542 na sinalização da rota da gibe relina 438 439440 441 443 442 na síntese de αamilase esti mulada por GA 523524 525 regulação negativa de GA MYB no florescimento 612 repressão da germinação 518 supressão da fotomorfogênese no escuro e 537538 Proteínas dirigente de domínio 404405 Proteínas do complexo de capta ção de luz I LHCI 183 185186 192193 Proteínas do complexo de capta ção de luz II LHCII 183 185 186 197198 743745 Proteínas do grupo Polycomb 646648 Proteínas do substrato da quinase do fitocromo PKS 461 Proteínas do tipo LURE 638 Proteínas do tipo PIF PILs 460461 Proteínas do tipo receptor RLPs 717 718 Proteínas Fbox mediação da autoincompatibi lidade gametofítica 641642 642643 na rota ubiquitinaproteasso mo de degradação de proteí nas 436437 438 439440 nos sistemas ubiquitina ligase 409410 Proteínas HDZIP III 502503 505 555559 587588 Proteínas integrais de membrana nos tilacoides 181182 processamento das 1920 reações de luz da fotossíntese 186187 visão geral 12 11 13 Proteínas JAR 709710 Proteínas JAZ 439440 440 565 709710 Proteínas KISS ME DEADLY KMD 432 433434 Proteínas KORRIGAN 387388 402403 Proteínas LEA 652655 747 752 Proteínas LHC I 183 185186 192193 Proteínas LHC II 183 185186 197198 743745 Proteínas LHCP II 675665 Proteínas motoras 3336 Proteínas MYB 523524 Proteínas não enzimáticas nas paredes celulares primárias 382385 Proteínas P 4344 45 46 288 293 298 Proteínas periféricas 11 12 13 Proteínas PIF 439440 460461 461 541 542 615616 Proteínas PKS 460461 Proteínas PsaA e PsaB 192193 Proteínas quinase de interação com CBL CIPKs 411415 Proteínas quinase dependentes de cálcio 411412 413 413415 708709 755756 Proteínas quinase dependentes de cálciocalmodulina CCa MKs 411412 Proteínas RAB 752 Proteínas radiais 5 7 8 Proteínas RCAR 436 436437 Proteínas reguladoras de genes 6465 Proteínas relacionadas a bHLH zíper de leucina bHLHLZ 562 563564 Proteínas relacionadas à patogê nese PR 721 721722 723724 Proteínas RIC 393395 395396 636 Proteínas RUP 474 Proteínas SCF 709710 Proteínas secretoras processa mento de 1820 Proteínas sensoras 431 433434 453 Proteínas sensoras de cálcio 411412 Proteínas SEOR1 298 Proteoma 7475 Proteômica 7475 Protetores moleculares 752 Protoclorofilídeo 2728 Protoclorofilídeo a monovinílico 200 TaizIndice3indd 848 TaizIndice3indd 848 27102016 094022 27102016 094022 Índice 849 Protoderme célulasmãe de meristemoides 562 formação da epiderme 492 494 494495 561 formação durante a embriogê nese 480482 481482 Protofilamentos 2829 2830 31 Protofloema 542543 Protoginia 639640 640641 Protolignina 404405 Prótons como mensageiros secundá rios 411413 no citosol e no vacúolo 148149 produzidos pela oxidação de água em oxigênio na fotossín tese 188189 Protoplastos das célulasguarda 271273 Protoporfirina IX 200 Protoxilema 542543 Protrandria 639640 640641 PRS Ver Partículas de reconheci mento de sinais PRSL1 PP1 REGULATORY SUBUNIT2LIKE PROTEIN1 471472 472473 Prunus P cerasifera 138139 P serotina 565 PSARK 747 Pseudogenes 51 Pseudomonas P aeruginosa 697698 P fluorescens 723725 P syringae 718719 Pseudotsuga menziesii abetode douglas 137138 583 Psicrômetros 90 Psilotum nudum 572573 Pteridium aquilinum 686687 Pteridófitas 453 Pterinas 356 463464 Pulgão de oficialdesala Aphis nerii 702703 Pululanase 237 Pulvino 249 254255 699700 Pyrus communis pera 655 657 Q Q10 341343 qPCR Ver Reação quantitativa em cadeia da polimerase Quanta 246 Quantum 172173 Quebra da noite efeito do período escuro no flo rescimento fotoperiódico 599 601 modelo de coincidência e 601 reversibilidade vermelho vermelhodistante 602604 Queda no vermelho 178179 Quelação 753754 Queladores na absorção de íons metálicos pelas plantas 124125 160 161 na assimilação de ferro pelas raízes 370373 na tolerância interna de íons de metais pesados 753754 Quenching de clorofilas 195197 Quenching não fotoquímico 196 197 197198 252255 Quenopódiobranco Chenopo dium album 455 457 Quercus Q montana 686687 Q robur 593 Q rubra 686687 Q suber 585586 Ver também Carvalhos Quiasmas 55 56 Quiescence 513 Quimiocianina 637638 Quinase 2 relacionada à sacarose não fermentativa SnRK2 413 415 436 436437 Quinase citoplasmática do tipo receptor BSK1 436 Quinase CTR1 433434 Quinase D6PK 489490 Quinase de serinatreonina do tipo receptor BAK1 434 435 436 Quinase FLS2 717 Quinase receptora rica em repeti ções de leucina LRRK 506509 Quinase SnRK1 239240 241 740741 Quinase SnRK2 413415 436 436437 Quinases 409410 Quinases dependentes de ATP 675676 Quinases dependentes de ciclina CDKs 3536 3637 39 Quitinases 720 Quitinooligossacarídeo desace tilase 363364 Quitinooligossacarídeo sintase 363364 Quociente da temperatura Q10 341343 Quociente respiratório QR 340343 Quorum sensing 697698 R rasiRNAs Ver RNAs de silencia mento associado a repetições Rabanetes 357358 Rabl Carl 5354 Rabs 1819 Radiação fotossinteticamente ati va PAR 247 Radiação ultravioleta UV absorção de radiação suficiente para ativar fotorrespostas 451452 defesas vegetais 447 fotorreceptores 461462 impacto nas plantas 736738 respostas fotomorfogênicas à 472474 Radical hidroxila destoxificação 751752 estresse abiótico e 733734 ferro livre e 371373 na resposta hipersensível 720 oxidase alternativa e 336337 símbolo e fonte do 742743 Ver também Espécies reativas de oxigênio Radical peridroxila 742743 Radícula embrião de angiospermas 514 515 515516 emergência durante a germi nação 522523 Ráfides 699700 Rafinose 292293 294 303306 Raios 9 910 583 585586 Raios do floema 583 Raios do xilema 583 Raiz primária 134135 580 Raízes absorção de água 100105 absorção de íons minerais 134 140 aerênquima 748751 anatomia das 6 165166 assimilação de ferro 370373 assimilação de nitrato 357358 captação na camada superior do solo 580581 carregamento do xilema 164 166 circumnutação 533534 concentrações de íons nos tecidos das raízes da ervilha 147148 148149 córtex 4344 crescimento e diferenciação 544549 ver também Cresci mento e diferenciação da raiz crescimentos primário e secun dário 9 efeito da disponibilidade de nutrientes no crescimento 137138 efeito do pH do solo no cresci mento 132133 emergência da radícula durante a germinação 522523 exsudatos alelopáticos 725726 funções das 35 6 glutamato sintase 357359 gravitropismo 530533 inundação e 736737 759760 movimento de nutrientes entre fungos micorrízicos e células da raiz 139140 secreção de muco 2123 simbioses micorrízicas 137140 transporte de auxina nas 532 533 transporte de íons nas 163166 zona de esgotamento de nu trientes 136138 zonas de atividade na região apical 134136 Raízes coronais 580 Raízesescora 134135 Raízes laterais ângulo do valoralvo gravitró pico 548549 desenvolvimento 544545 546549 em sistemas de raízes pivotan tes 134135 no corpo da planta 6 origem das 910 Raízes nodais 134135 Raízes pivotantes 6 134135 Raízes seminais 134135 580 Ramie 4243 Ramificação dicotômica 572573 Ramificação e arquitetura da parte aérea ângulo do valoralvo gravitró pico 548549 disponibilidade da sacarose e crescimento da gema axilar 576577 577578 iniciação do meristema axilar 573574 integração de sinais ambientais e hormonais 576578 regulação hormonal do cresci mento da gema axilar 573577 visão geral 572574 Ramnogalacturonano 382 ramnogalacturonano I 388 388390 ramnogalacturonano II 125 127 388390 Ramnose 382383 388389 Ramos Ver Ramificação e ar quitetura da parte aérea Partes aéreas Ranunculus repens 381 Raque 554 Razão ADPO 332333 Razão de Bowen 256257 Razão de transpiração 116117 Razão entre a biomassa de raizparte aérea 757758 Razão entre isótopos de carbono 263267 Razão RFR definição 540 fitocromos e 453 na germinação da semente re gulada pela luz 518520 valores decrescentes causam alongamento nas plantas de sol 540542 RBOH 755756 RBOHD 743744 744745 RdRPs Ver RNApolimerase de pendente de RNA RE Ver Retículo endoplasmático Reação de Hill 178179 Reação em cadeia da polimerase por transcrição reversa RT PCR 7374 Reação quantitativa em cadeia da polimerase qPCR 7374 Reações anapleróticas 328329 330331 Reações de carboxilação da fotos síntese ciclo C4 do carbono 219225 228229 ciclo de Calvin Benson 203 211 211212 TaizIndice3indd 849 TaizIndice3indd 849 27102016 094022 27102016 094022 850 Índice ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 210221 metabolismo ácido das crassu láceas 225 228231 origens evolutivas 203 visão geral 172173 203204 Ver também Carbono inorgâni co mecanismos da concen tração Reações de fixação do carbono 172173 aumento mediante uma possí vel reengenharia genética da fotorrespiração 219221 ciclo de CalvinBenson 203 211 211212 curvas de resposta à luz e 250 253 impacto negativo da fotossínte se nas 217219 na fotossíntese C4 219225 228229 NADP e 178179 período de indução 208209 razão entre isótopos de carbo no 265266 Ver também Reações de carbo xilação da fotossíntese Reações de transaminação 358 359 359360 Reações do estroma 172173 178179 Reações dos tilacoides 171172 178179 Ver também Reações luminosas da fotossíntese Reações escuras Ver Reações de carboxilação da fotossíntese Reações luminosas da fotossín tese complexo antena 176177 181 183 185186 192194 eficiência da conversão da luz em energia química 177178 experimentoschave na com preensão 175179 180 mecanismos de transporte de elétrons 185194 organização do aparelho fotos sintético 180183 185 produção de oxigênio 177178 produtividade quântica 177 178 reparo e regulação 194198 transporte de prótons e síntese de ATP 193195 Reações redox deficiências de nutrientes mi nerais envolvidos nas 128130 fotossíntese como 177179 homeostase e fotorrespiração na redox celular 218219 na degradação do amido 237 na respiração 318 nutrientes envolvidos nas 121 122 122123 Receptor AHK3 681683 Receptor citoplasmático do tipo receptor CDG1 436 Receptor citoplasmático do tipo receptor CONSTITUTIVE DIFFERENTIAL GROWTH CDG1 436 Receptor CRE1 432 Receptor do tipo quinase de sim biose SYMRK 695 697 696 Receptor do tipo quinase com re petições ricas em leucina LRR RLKs 563564 Receptor quinase BRASSINOS TEROIDINSENSITIVE1 BRI1 434 435 436437 Receptor quinase BRI1 434 436 435 436437 Receptor quinase do locus S SRK 641642 Receptores localização e tipos de 408411 na transdução de sinal 407 Receptores acoplados à proteína G GPCRs 409411 Receptores de AUXAIA 438 439441 443 Receptores de AUXININDO LE3ACETIC ACID AUXAIA 438 439441 443 Receptores de fatores Nod 695 696 697698 Receptores de jasmonato 438 439440 Receptores de PRS 1819 Receptores de reconhecimento de padrões PRRs 710 712 717 718 Receptores de tirosinas quinase 409410 Receptores do AJ 681683 Receptores do tipo glutamato 411412 712713 Receptores do tipo quinase cito plasmáticas RLCKs 436 Receptores LysM 695 697698 Receptores NBSLRR 718719 Receptores quinase 409410 Reciclagem de membrana 2123 Reciclagem retrógrada de mem branas 2021 2122 rede cis Golgi 1922 2021 Rede de Hartig 139140 Rede entrelaçada de paredes celulares primárias 399401 Rede trans do Golgi TGN 1923 Redes micorrízicas 583 Redes reguladoras transcricio nais 743 743744 Redundância metabólica 321322 Reed grass 686687 Região Cterminal do criptocro mo CCT 465466 466 Região do grampo β 454 454455 Regiões organizadoras do nucléolo RONs 1415 37 39 5153 Regiões subteloméricas 5152 Regra do espaçamento de uma célula 562 Regulação alostérica da respira ção mitocondrial 338339 Regulação autônoma 592 Regulação cruzada de rotas de transdução de sinal 441 443 444 Regulação cruzada primária 443 444 Regulação cruzada secundária 443 444 Regulação cruzada terciária 443 444 Regulação da senescência foliar açúcares 680681 espécies reativas de oxigênio 679681 famílias de genes NAC e WRKY 677680 hormônios vegetais 680684 visão geral 677678 678679 Regulação de baixo para cima da glicólise 323324 326 da respiração mitocondrial 338339 Regulação de respostas de defesa induzidas 714715 Regulação gênica epigenética 14 15 65 6768 Regulação negativa das rotas de sinalização dos hormônios 436 437 441 443 442 Regulação por retroalimentação nas rotas de transdução de sinal 439440 Regulação póstranscricional da expressão gênica 6162 da respiração mitocondrial 338339 definição 6162 estabilidade do mRNA 6768 rota do RNA de interferência 6772 tempo de vida das proteínas e 7173 Regulação transcricional definição 6162 do amadurecimento do fruto 660661 modificações epigenéticas 65 6768 processo da expressão gênica 6265 terminação transcricional e poliadenilação 6465 67 Reguladores de resposta 431 433434 453 Reguladores do crescimento Ver Auxinas sintéticas Reguladores negativos da senes cência 681684 Reguladores positivos da senes cência 680683 REGULATORY COMPONENTS OF ABA RECEPTORS RCARs 436 436437 Regulon de bZIP 743744 Regulon DREB 743744 Regulon MYCMYB 743744 Regulon NAC 743744 Regulons de resposta ao estresse 743 743744 Relação correntevoltagem 152 153 Relâmpago fixação de nitrogênio e 354 355356 Relaxamento do estresse 396397 Relógio circadiano hipótese do relógio do fotope riodismo 599600 601 modelo da coincidência do fo toperiodismo e florescimento 599604 sincronização 466467 596 597 Remodelação da cromatina 607 Renovação reciclagem de proteínas 7173 taxa de recicagem da rubisco 208209 Repetições dispersas 5152 Repetições em série 5152 Repetições ricas em leucina LRRs 717 Replo 630 655 657 656 Repolho 138139 417418 Repressores 6465 65 67 Reprodução assexuada 642643 Reprodução das angiospermas apomixia 642643 autopolinização versus polini zação cruzada 639642 642 643 desenvolvimento da casca da semente 650651 desenvolvimento das gerações dos gametófitos masculinos e femininos 625627 desenvolvimento do endosper ma 642649 650651 desenvolvimento e amadureci mento do fruto 655 657662 fecundação dupla 4 638640 formação do gametófito femi nino no rudimento seminal óvulo 630632 formação do gametófito mas culino no estame 625629 maturação da semente e tole rância à dessecação 652655 657 polinização 631638 produtos da meiose 56 Requeima da batata 698 Resfriamento efeito no transporte no floema 296298 impacto nas plantas 734735 lipídeos de membrana e 348 349 quebra da dormência da se mente 518520 520 Resfriamento da transpiração 255256 Resistência à difusão 111112 Resistência a herbicidas 7778 Resistência à tensão da água 8587 Resistência ao glifosato 7778 Resistência da camada limítrofe 112113 259260 260 Resistência do mesofilo 259260 260 TaizIndice3indd 850 TaizIndice3indd 850 27102016 094022 27102016 094022 Índice 851 Resistência estomática 258259 259260 260 Resistência estomática foliar 112113 Resistência nos espaços intercelu lares 259260 260 Resistência sistêmica adquirida SAR 721724 Resistência sistêmica induzida ISR 697698 723725 Resitência hidráulica de folhas 111112 Respiração acoplamento às rotas biossinté ticas 338340 ciclo do ácido cítrico 326329 complexos respiratórios codifi cados pelo genoma mitocon drial 334 336 durante a fotossíntese 340341 efeitos projetados dos níveis elevados de CO2 na 262264 fosforilação oxidativa 328340 na glicólise 320 319 321324 326 quociente respiratório 340343 reação líquida 318 resistente ao cianeto 336337 respiração de manutenção e respiração de crescimento 340341 rota oxidativa das pentoses fos fato 323324 326327 substratos 317318 visão geral 317319 321 Respiração aeróbica definição 317 produção de ATP 333334 336 Ver também Respiração Respiração da raiz absorção de água 103 fatores que afetam 340343 Respiração de crescimento 340 341 Respiração de manutenção 340 341 Respiração mitocondrial ciclo do ácido cítrico 326329 330331 desfosforilação oxidativa 328 340 durante a fotossíntese 340341 integração às rotas metabólicas celulares 338340 regulação da 338339 Respiração póscolheita 341343 Respiração resistente ao cianeto 336337 Resposta ao estresse oxidativo 750752 Resposta autônoma celular 408 409 Resposta autônoma não celular 408409 Resposta facultativa 592 Resposta hipersensível 720 Resposta obrigatória 592 Resposta qualitativa 592 Resposta quantitativa 592 Respostas à baixa fluência LFRs 455 457458 Respostas à fluência muito baixa VLFRs 455 457458 Respostas à irradiância alta 458 460 604605 Respostas à luz azul abertura estomática dependen te da luz 270276 acompanhamento do sol pelas folhas 249 cinética e períodos de atraso 273 275 461463 florescimento em algumas plantas de dias longos 604 606 fototropismo 535537 movimento dos cloroplastos para reduzir o excesso de energia luminosa 253254 254255 movimento estomático media do por fototropinas 470473 Respostas ao etileno 433434 434 436 Respostas de defesa induzidas adaptações constitutivas nos insetos 715 defesas sistêmicas 710712 definição 694 eliciadores derivados de inse tos 706708 fitoalexinas 721 genes do tipo receptores de glutamato e sinalização elétri ca 712713 genes R 718719 imunidade desencadeada pelo efetor 718719 imunidade desencadeada por MAMP 717718 regulação pelos ritmos circa dianos 714715 resposta hipersensível 720 rota da sinalização do cálcio e da MAPquinase 707709 rotas de sinalização ativadas por sugadores de floema 707 708 visão geral 705707 Respostas fotorreversíveis 453 Ressonância de spin eletrônico ESR 188189 Retículo endoplasmático RE associação a organelas 1819 células capitadas dos nectários florais no 3940 descrição do 15 1719 durante a mitose 37 39 38 formação da placa celular 391 393 formação de corpos lipídicos 2324 hipótese do amidoestatólito do gravitropismo 531532 na síntese de proteínas 16 15 17 nas células do mesofilo 4041 sequestro de auxina 422423 síntese de glicerolipídeos 346 349 síntese de triacilgliceróis 344 346 sítio de construção do fagóforo 670 transporte de proteínas envol vidas no florescimento 609 610 vacúolos líticos e 2223 Retículo endoplasmático cortical 15 1718 Retículo endoplasmático interno 1718 Retículo endoplasmático liso REL associação com poros das áreas crivadas em gimnospermas 288289 300 descrição do 1718 no floema 44 45 46 Retículo endoplasmático liso tu bular 1011 Retículo endoplasmático nodal 531532 Retículo endoplasmático rugoso 1720 Retículo endoplasmático rugoso cisternal 1011 Reticulons 1718 Retrotranspósons 5253 Rhizobium 360361 361362 R leguminosarum bv viciae 363364 R meliloti 363364 Rhizophora 341343 R mangle 516518 Rhizopogon R vesiculosus 583 R vinicolor 583 Rho GTPases ROPs 755756 Rhodophyceae 203 Rhodopseudomonas palustris 452 Rhodospirillum 361363 R centenum 452 Ribonucleoproteínas RNPs 313314 Ribose5fosfato 208 326327 Ribose5fosfato isomerase 204 205 208 Ribosídeos 423 425 Ribossomos 1011 na síntese de proteínas 1415 17 na transcrição 6364 regiões organizadoras de nucléolos 5153 síntese 1415 Ribotídeos 423 425 Ribulose15bifosfato carboxilação e oxigenação pela rubisco 210212 ciclo de CalvinBenson 203 208 204205 Ribulose15bifosfato carboxila seoxigenase rubisco atividades de carboxilação e oxigenação 210212 ciclo de CalvinBenson 204 205 205207 ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 212217 decomposição durante a senes cência foliar 675676 efeitos da temperatura na 257 258 fator de especificidade 215217 fixação de oxigênio 371373 fotossíntese C4 222 225 228 229 metabolismo ácido das crassu láceas 225 228231 no estroma cloroplasto 2526 razão entre isótopos de carbo no e 265266 regulação da 208211 taxa de reciclagem 208209 Ribulose5fosfato ciclo de CalvinBenson 208 rota oxidativa das pentoses fosfato 318319 323324 325 326327 Ribulose5fosfato epimerase 204205 208 Ribulose5fosfato quinase 204 205 208 Ricinus communis mamona 291 292 321322 514515 515516 RISC Ver Complexo de silencia mento induzido pelo RNA Risitina 721 Ritmos circadianos atributos característicos dos 595597 definidos 594595 exemplos 594595 mudança de fase 595 596597 sincronização 596597 Rizobactérias formação de nódulos nas raízes e 364366 na fixação biológica de nitrogê nio 360361 361362 plantas hospedeiras 362363 resistência sistêmica induzida e 723725 serviços benéficos das 697698 sinais para simbiose 363365 Rizobactérias promotoras do cres cimento vegetal PGPR 697698 Rizóbios fixadores de nitrogênio 724725 Rizomas 748750 Rizosfera absorção de íons minerais pelas raízes 134140 condições afetando o cresci mento da raiz 133135 simbioses micorrízicas 137140 RNA de fita dupla dsRNA 6772 RNA de transferência tRNA 15 16 17 RNA mensageiro mRNA análise transcricional 7375 na expressão gênica 16 15 17 regulação póstranscricional 6773 regulação transcricional 6268 transporte no floema 313314 TaizIndice3indd 851 TaizIndice3indd 851 27102016 094022 27102016 094022 852 Índice RNApolimerase dependente de RNA RdRPs 6972 7071 RNApolimerase II 6265 67 RNApolimerase IV 6970 RNApolimerase V 6970 RNA ribossômico rRNA na expressão gênica 15 16 17 regiões organizadoras de nucléolos 5153 RNAase III 6869 RNAs associados a PIWI piR NAs 6970 RNAs de interferência curtos siRNAs 6772 RNAs de interferência pequenos siRNAs na resposta ao estresse abiótico 744745 RNAs de silenciamento associa dos a repetições rasiRNAs 6970 RNAs não codificadores ncR NAs no genoma nuclear 5152 rota de RNA de interferência 6772 RNAs não codificadores de proteínas Ver RNAs não codi ficadores ROP GTPases 393395 395396 ROP1 GTPase 635636 637638 ROPs Rho GTPases 755756 Rosa Rosa 593 698699 Rosaceae 641642 Rota biossintética da histidina 359360 360361 Rota biossíntética da isoleucina 359360 360361 Rota biossintética da leucina 359 360 360361 Rota biossintética da tirosina 359360 360361 Rota biossintética da treonina 359360 360361 Rota biossíntética da valina 359 360 360361 Rota citoplasmática da reciclagem de proteínas 7173 Rota da MAPquinase MAPK na abscisão foliar 685686 na senescência foliar 679681 relação por inativação dos componentes da 439440 Rota das pentoses fosfato 318 Ver também Rota oxidativa das pentoses fosfato Rota de Cullin 3 ubiquitina E3 ligase 721722 723724 Rota de sinalização da giberelina mediação pela maquinaria da ubiquitinação e degradação de proteínas 438 439440 441 443 regulação por retroalimentação negativa 441 443 442 Rota de transdução de sinal de pendente de PYRPYLRCAR 436 436437 Rota de ubiquitinaproteassomo de degradação de proteínas degradação de ciclina 3637 degradação de GID1 523524 degradação de NPH3 535536 descrição da 7273 na autoincompatibilidade ga metofítica 641642 642643 na sinalização da resistência sistêmica adquirida 721722 723724 rota de sinalização hormonal e 436440 440441 443 Rota do ácido chiquímico 7778 Rota do RNA de interferência RNAi 6772 Rota dos cloroplastos da síntese de glicerolipídeos 346349 Rota dos octadecanoides 708710 Rota ESCRT 2223 Rota eucariótica de síntese de glicerolipídeos 346349 Rota oxidativa das pentoses fosfato acoplamento às rotas biossinté ticas 338340 produção de NADPH e inter mediários biossintéticos 326 327 reações na 323324 326327 regulação da 326327 visão geral 318319 Rota procariótica da síntese de glicerolipídeos 346349 Rota simbiótica comum 695 697 696 Rota SOS 733734 Rota TOR 670671 Rota transmembrana do movi mento de água nas raízes 102 103 103 Rotas da sinalização do ácido abscísico descrição das 436 436437 espécies reativas de oxigênio e 413415 na regulação cruzada 443 444 Rotas de inativação de EROs 750752 Rotas de resposta ao estresse interação de intermediários da sinalização 740743 regulons de resposta ao estres se 743 743744 Rotas de sinalização da auxina descrição das 436 especificidade de tecidos 441 443 mediação pela maquinaria da ubiquitinação e degradação de proteínas 438 439440 440 receptores de AUXAIA 438 439440 regulação das 439440 Rotas de sinalização dos hor mônios especificidade do tecido 441 443 mecanismos de desligamento ou atenuação das respostas aos sinais 439441 443 442 mediação pela maquinaria da ubiquitinação e degradação de proteínas 436440 440441 443 mudanças no pH citosólico ou na parede celular como men sageiros secundários 411413 regulação cruzada 441 443 444 regulação negativa 436437 rota do ácido abscísico 436 436437 rotas da citocinina e do etileno 431434 rotas de auxinas e dos brassi nosteroides 433436 sinalização autócrina e parácri na 428429 431 visão geral 431 Rotas de transdução de sinal aspectos temporais e espaciais da sinalização 408409 ativadas em resposta ao estres se abiótico 740747 definição 407 especificidade do tecido 441 443 esquema geral da transdução de sinal 408409 fitocromos e 459461 461462 lipídeos e 348349 mecanismos de desligamento ou atenuação das respostas aos sinais 439441 443 442 mensageiros secundários 410 415 métodos de transmissão de sinais 428431 percepção e amplificação do sinal 408415 receptores 408411 regulação cruzada 441 443 444 regulação da senescência foliar 678679 regulação negativa 436437 reservas de íons cálcio e 159 160 respostas de defesas vegetais induzidas à herbivoria 707 710 Ver também Rotas de sinaliza ção dos hormônios Roundup 7778 RTPCR Ver Reação em cadeia da polimerase por transcrição reversa Rubisco ativase 208210 Rubisco Ver Ribulose15bifosfa to carboxilaseoxigenase Rudimentos seminais crescimento do tubo polínico em direção aos 637638 desenvolvimento do gametófi to feminino 630632 desenvolvimento dos 630 631 genes da classe D e desenvolvi mento 619620 localização 630 Rumex 684 R crispus 518520 Rustificação 733 S Sadenosilmetionina 369370 423 426 SPHASE KINASEASSOCIA TED PROTEIN1 Skp1 409410 436437 438 SRNAses 641642 642643 Ssulfoglutationa 368369 Sacarose acumulação e partição na plan ta 230231 acumulação nas célulasguar da 274 275 análise cinética da absorção pela planta 155157 atividade osmótica nas células guarda 275276 biossíntese e sinalização 238 241 conversão de lipídeos de reser va em sacarose nas sementes em germinação 348351 crescimento das gemas axilares e 576577 577578 difusão através de uma mem brana plasmática 144145 estrutura 319 321 gliconeogênese 321322 mudanças das fases de desen volvimento e 593595 na glicólise 318319 320 321 324 326 na regulação das relações fontedreno 312313 na seiva do floema 292293 294 produção de ATP da respiração aeróbica 333334 336 produzida a partir de trioses fosfato do ciclo de Calvin Benson 204206 208209 reação líquida na respiração 318 translocação de sacarose no floema ver Translocação no floema Sacarose6Ffosfato 239240 241 Sacarose6Ffosfato fosfatase 227 239 239241 Sacarose6Ffosfato sintase 227 239240 241 Sacarose fosfato sintase 310311 Sacarose sintase 311312 319 320 321323 Saccharum officinarum 265266 Sachs Julius von 122123 413 415 Saco embrionário desenvolvimento do 630632 fecundação dupla 638640 na embrigênese 482 na polinização 633 Saisdecheiro 356 Salgueiros 138139 304 Salicaceae 137138 138139 Salinização 133134 159160 Salix 138139 S babylonica 304 TaizIndice3indd 852 TaizIndice3indd 852 27102016 094022 27102016 094022 Índice 853 Sálviabastarda Teucrium scoro donia 686687 Samambaia verdadeira 686687 Samanea 596597 SAR Ver Resistência sistêmica adquirida Sauromatum guttatum 336337 Saussure NicolasThéodore de 122123 SCFKMD 436437 SCFSLF 641642 642643 SCFSLY1 439440 441 443 523 Schistocerca americana 706707 707708 Schoenoplectus lacustris junco gigante 748750 Scirpus maritimus juncode marisma 748750 Scrophulariaceae 641642 Seca ajuste osmótico das plantas 748750 definição 734735 efeitos em indivíduos de arroz 732 733 impacto quando combinada ao estresse pelo calor 737738 regulação hormonal das res postas de plantas ao estresse 744747 resposta do parênquima do xilema à 165166 Ver também Déficitestresse hídrico Secale cereale centeio 606607 Sedoheptulose17bifosfatase 204205 208211 Sedoheptulose17bifosfato 208 Sedoheptulose7fosfato 208 325 Segregação vegetativa 6163 Segunda lei da termodinâmica 8688 Seiva definição 288289 nitrato e outros compostos ni trogenados no xilema 357358 teoria da coesãotensão de as censão da seiva 107111 translocação da fonte para o dreno 291292 ver também Translocação no floema vacuolar 2223 Seiva do xilema 357358 Seiva no floema coleta e análise 291293 materiais na 291293 295296 translocação da fonte para o dreno 291292 ver também Translocação no floema Selaginella 545546 Selênio 122123 Semeadura de ar 109110 Semente de abacate 652 Semente de canola 5859 Semente de feijão escarlate feijãotrepador Phaseolus cocci neus 515516 Semente de fenogrego 515516 Semente de manga 652 Semente ortodoxa 652655 657 Semente recalcitrante 652 Sementes apomixia 642643 conversão de lipídeos armaze nados em carboidratos duran te a germinação 348351 estrutura das 514516 643644 fotoblastia 447 maturação e tolerância à desse cação 652655 657 visão geral do desenvolvimen to 513 ver também Embriogê nese viviparidade e germinação pre coce 516518 518 Sementes endospérmicas 154 155 155157 Sementes não endospérmicas 154155 Sementes oleaginosas 348351 Semialdeído tartrônico redutase 217221 218219 Semialdeído tartrônico sintase 217221 218219 Senecio vulgaris tasneira 592 Senescência abscisão foliar 684686 definição 665 morte celular programada e autólise 665671 regulação da senescência foliar 677684 senescência da planta inteira 685690 síndrome da senescência foliar 671678 tipos de 665666 Senescência da planta inteira ciclos de vida das angiosper mas 686687 687688 comparada ao envelhecimento nos animais 687688 definição 665666 fatores controladores da senes cência monocárpica 688690 morte celular programada e 665666 regulação do processo de dura ção dos meristemas apicais do caule 687690 senescência da árvore inteira 688690 visão geral 685686 Senescência dos órgãos 665666 Senescência foliar induzida pelo estresse 673 675678 680681 Senescência foliar sazonal 671 673 674 675 Senescência foliar sequencial 671673 675 Sensitiva Mimosa pudica 408 429 431 699700 Sensor biofísico de estresse 739740 Sensor bioquímico de estresse 739740 Sensor de estresse físico 739740 Sensor de lesão 743744 Sensor epigenético de estresse 739740 Sensores de estresse de ação pre coce 740741 Sépalas 612613 614 Septo 630 656 Sequenciamento de RNA RNA seq 7375 sequências atuantes no cis 6365 67 6465 Sequências de microssatélites de DNA 5152 583 Sequências promotoras regulado ras distais 6465 65 67 Sequências reguladoras do pro motor 6265 6365 67 Sequências simples repetidas SSRs 5152 Sequoiagigante 686687 Sequoia sempervirens sequoia vermelha 107108 478 593 690 Sequoiavermelha Sequoia sem pervirens 107108 478 593 690 Sequoiadendron giganteum 686 687 Serina gerada no ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 212 214 213 215 na síntese de cisteína 368369 369370 rota biossintética 359360 360361 Serina2oxoglutarato amino transferase 212213 213 215217 Serina acetiltransferase 368369 369370 Serina hidroximetiltransferase 212213 213 215217 Serinas protease 667668 Serinastreoninas quinases do tipo receptor RLK como receptores de reconheci mento de padrões 717 718 fatores Nod e 695 697 funções das 409410 mediação das rotas de sinaliza ção de auxinas de brassinoste roides 433436 regulação de ROP1 GTPase no crescimento do tubo polínico 635636 637638 Seringueira Hevea brasiliensis 702 Serotonina 699 Sesbania 362363 Sesquiterpenos 721 Sesquiterpenos tricíclicos 701 702 702 Sexina 628629 Sharkey Tom 246 Shimazaki KenIchiro 281 Sicômoro Acer pseudoplatanus 593 Side oats gramma Bouteloua curtipendula 579 Sideróforos 370371 371373 697698 Silenciamento gênico 7172 Silenciamento transcricional in duzido por RNA RITS 744745 Silício nas paredes celulares 160161 nas partículas do solo 131132 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 papel bioquímico e função fi siológica 121122 125127 Síliqua 656 661662 Silphium S laciniatum 579 S perfoliatum 579 Silte 131132 Simbioses associações micorrízicas 137 140 ver também Associações micorrízicas definição 131132 idade evolutiva e 695 697 interações benéficas planta microganismo 695 697698 na fixação biológica de nitrogê nio 360362 Simbioses fixadoras de nitrogênio fatores Nod e receptores de fatores Nod 695 697 696 idade evolutiva e 695 697 rota de sinalização 695 697 698 Simbiossomo 366 Simplasto carregamento do floema 300 306 definição 5 8 102103 164165 descarregamento do floema 305307 movimento da água nas raízes 102103 movimento de íons e solutos nas raízes 164165 Simporte 154155 Sinais aspectos temporais e espaciais dos 408409 definição 407 florígeno e sinalização de longa distância no florescimento 608610 mecanismos de transmissão 428431 os estudos de Darwin da res posta de curvatura do coleóp tilo 407 percepção e amplificação 408 415 transporte de moléculas de si nalização no floema 311315 Sinais poliA 6364 65 67 Sinal de localização nuclear 1314 Sinalização autócrina 428429 429 431 Sinalização elétrica 429 431431 712713 Sinalização intercelular Ver Co municação intercelular Sinalização parácrina 428429 431 Sinalização plantaplanta alelopatia 693 725726 TaizIndice3indd 853 TaizIndice3indd 853 27102016 094022 27102016 094022 854 Índice Sinalização sistêmica voláteis in duzidos por herbívoros e 714 Sinapis 609610 S alba 458 S arvensis 516517 Sincício 631 724725 725726 Sincronização do relógio circadiano 466467 dos ritmos circadianos 596 597 Síndrome da senescência foliar fases do desenvolvimento da senescência 673 675 idade do desenvolvimento da folha e 671673 mudanças no cloroplasto 675 677 padrões de senescência 671 673 675 674 rede reguladora 677678684 ver também Regulação da se nescência foliar reprogramação da expressão gênica e 676678 vacúolos líticos e 2223 visão geral 671673 Sinérgides entrada do tubo polínico na fecundação dupla 638640 na megasporogênese 631 631 632 na polinização 633 no saco embrionário 482 625 627 resposta do tubo polínico aos atrativos liberados pelas 637 638 Singamia 625627 Sinigrina 704 Sinorhizobium 360361 361362 Síntese da sacarose alocação entre o amido e a sín tese da sacarose 310311 citosólica 238241 Síntese de ATP acoplada ao transporte mito condrial de elétrons 332334 ATPsintase e 149150 comparada em cloroplastos mitocôndrias e bactérias pur púreas 195196 efeito do cianeto na 148150 força motriz de prótons e 411 412 mecanismos que diminuem a produção de ATP na fosforila ção oxidativa 334 336338 na fermentação 322324 326 na fosforilação em nível de substrato 321322 328 328 329 333334 334 336 na fosforilação oxidativa mi tocondrial 318319 321 328 331 na fotossíntese 172173 178 179 192195 na glicólise 318 320 321322 na respiração vegetal 318 no ciclo do ácido cítrico 318 319 328 328329 produção de ATP na respiração aeróbica 333334 336 Síntese de fenilalanina 359360 360361 Síntese de fenóis 326327 siRNAs Ver RNAs de interferên cia curtos Sistema de cultivo em película de nutrientes 122123 123124 Sistema de endomembranas mitose durante 37 39 38 núcleo 11 1315 17 organelas derivadas do RE com divisão ou fusão independen tes 2225 processamento de glicopro teínas e polissacarídeos no complexo de Golgi 1922 processamento de proteínas secretoras no retículo endo plasmático rugoso 1820 reciclagem de membranas 21 23 retículo endoplasmático 15 17 19 vacúolos 2223 Sistema de raízes fasciculado 134135 Sistema de subirrigação 122123 123124 Sistema ferredoxinatiorredoxina 209211 224225 326327 Sistema regulador de dois compo nentes 431 433434 Sistemas de tecidos 910 Sistemas receptor de Fboxubi quitina ligase 409410 Sistemina 710 712 711 717 Sisymbrium officinale ervarin chão 520 Sítio de clivagem da poliA 63 64 65 67 Sítio de ligação de nucleotídeos repetições ricas em leucina NBSLRR 718 718719 Sítio de montagem do fagóforo 670 Sítios de saída do RE ERES 18 19 2022 Slack C R 221 Smilax 165166 SNARES 1819 Soja Glycine max análise cinética da absorção da sacarose pelos protoplastos dos cotilédones 155157 crescimento do hipocótilo in duzido pela auxina 524 526 528 heliotropismo 249 hipótese do relógio do fotope riodismo 599600 601 medição do comprimento da noite pela planta 599 movimento foliar durante o estresse hídrico 756757 rizóbios simbiontes 362363 sistema de raízes 580581 ureídas na seiva do xilema 367368 Solanaceae 641642 721 Solanum lycopersicum Ver Toma teiro Solanum tuberosum Ver Batata Solidago missouriensis varade ourodoMissouri 579 SOLITARYROOT SLRAIA14 547548 Solos adaptação da planta aos solos de serpentina 733 capacidade de troca catiônica 132133 contaminados por arsênio 733734 efeito das propriedades do solo nos nutrientes minerais 131 134 elementos essenciais obtidos dos 120121 fluxo de massa e difusão de nu trientes minerais nos 136137 impacto da compactação nas plantas 734735 lixiviação de nutrientes mine rais 129131 salinos 133134 734735 735 736 Solos ácidos 129131 Solos agrícolas fertilizantes 130131 lixiviação de nutrientes mine rais 129131 remoção unidirecional de nu trientes130131 salinização 133134 Solos arenosos condutividade hidráulica 100 102 movimento da água em 99100 tamanhos das partículas de areia 131132 Solos argilosos condutividade hidráulica 100 102 movimento da água nos 99 100 tamanhos da partículas de ar gila 131132 132133 Solos de serpentina 733 Solos salinos 133134 734735 735736 Solos saturados de água 322323 Solução de Hoagland 123124 Solução de Hoagland modificada 123124 Soluções nutritivas 122125 Solutos acumulação em halófitas 96 97 acumulação no ajuste osmóti co 748750 movimento nas raízes 164165 potencial hídrico e 90 pressão de raiz e 103105 Solutos compatíveis 748750 Solventes 8485 Sombra evitação à sombra 540542 542543 577578 mediação de respostas vegetais pelo fitocromo B 459460 Sorbitol 292293 748750 Sorghastrum nutans capimda índia 579 Sorgo Sorghum bicolor 265266 704 Sortingout segregação vegetati va 6163 Spartina 225 228229 S pectinata 579 Spermatophyta 513 Spirogyra 177 Spodoptera S exigua 706707 S littoralis 712713 Sporobolus heterolepis prairie drop seed 579 Sprengel Christian Konrad 639640 Stadler L J 7274 Stahl Ernst 671673 Stanleya 122123 Status hídrico efeitos da parede celular e pro priedades da membrane no 9297 efeitos nos processos fisiológi cos 9697 manutenção da pressão de tur gor e 9698 potencial hídrico como uma medida do 9697 Stellaria media 357358 Stipa spartea capimporcoespi nho 579 STOMAGEN 563564 Striga Estriga 420421 727 Suaeda aralocaspica 223 224225 Súber 584585 585586 Suberina reforçada 1 ESB1 404405 Subfuncionalização 5960 Succinato ciclo do ácido cítrico 328 328 329 metabolismo de lipídeos na germinação de sementes 349 351 transporte transmembrana nas mitocôndrias 333334 Succinato desidrogenase 328 328329 331333 SuccinilCoA 328 328329 SuccinilCoA sintetase 328 328329 Suco vacuolar 2223 Suculentas 759760 Sugadores de conteúdo celular 706707 Sugadores do floema ativação dos receptores NBS LRR por efetores 718719 descrição dos 706707 introdução do fitopatógenos e 715717 rotas de sinalização das plantas ativadas pelos 707708 Sulfato de sódio 133134 Sulfeto 368369 369370 TaizIndice3indd 854 TaizIndice3indd 854 27102016 094022 27102016 094022 Índice 855 Sulfeto de hidrogênio 133134 368369 Sulfito 368369 369370 Sulfito redutase 368369 Sulfolipídeo 345347 Sulfoquinovosildiacilglicerol 345 Sulfotransferase 368369 369 370 Sumuki Yusuke 417 Superresfriamento 753755 Superfamília de celulose sintase 385386 Superfície abaxial 553 554 Superfície adaxial 553 554 Superfosfato 130131 Superóxido destoxificação 750751 751 752 gerado por estresse abiótico 733734 gerado por herbicidas 193194 na resposta hipersensível 720 oxidase alternativa e 336337 proteção do PSI do 197198 símbolo e fonte de 742743 Superóxido dismutase 741742 750751 751752 Surfactantes 131132 Suspensor 482 Switch grass Panicum virgatum 579 T TDNA Ver DNA de transferência Tabaco Nicotiana tabacum carregamento do floema 305 306 células epidérmicas foliares 7 célulasguarda 114 Complexo de Golgi 1920 experimentos de enxertia sobre o estímulo ao florescimento 608609 Maryland Mammoth 597 598599 608 608609 metabolismo da PEP em trans gênicos 323324 326 resistência adquirida sistêmica 721722 sensibilidade ao esfriamento em transgênicos 348349 transição do dreno para a fonte em folhas 307308 308309 volume de espaço de ar das folhas 111112 Tabaco Maryland Mammoth 597 598599 608 608609 Tabaco selvagem Nicotiana atte nuate 708709 713714 Taboadefolhaestreita Typha angustifolia 748750 Tamanho do dreno 311312 Tamareira Phoenix dactylifera 652 654655 657 Taninos 650651 Taninos condensados 650651 Tapete 627629 Taraxacum 684 Tasneira Senecio vulgaris 592 TATA box 6364 6465 Taxa de transferência de massa 293 295296 Taxas respiratórias fatores que afetam as 339344 Tecido fundamental caules 6 diferenciação durante a em briogênese 492493 localização e função 9 nas folhas 6 3940 raízes 6 Tecidos dérmicos 9 3940 Tecidos vasculares desenvolvimento dos padrões de venação foliar 565573 diferenciação 542545 em folhas raízes e caules 6 haustórios parasíticos e 727 localização e função 910 Ver também Floema Xilema Tegumento externo 630 631 650651 651 Tegumento interno 630 631 650 651 651 Tegumentos 630 631 650651 651 Telófase mitose 38 39 Telófase I e II meiose 55 56 Telomerase 687688 Telômeros 37 39 5152 Temperatura efeito na atividade da rubisco 216217 efeito na respiração 341343 fluidez da membrana e 11 13 733735 fotossíntese C4 e 225 228229 ideal térmico fotossintético 256257 impacto do estresse nas plan tas 734735 735737 ver também Resfriamento Conge lamento sensibilidade da fotossíntese à 256258 vernalização 605608 Ver também Calor Temperatura alta fotossíntese C4 e 225 228229 impacto do estresse nas plan tas 734735 Ver também Calor Tempo de escape nas respostas do fitocromo 455 457 Tensão definição 90 teoria de coesãotensão de as censão da seiva 107109 Tensão superficial 8486 Teoria da coesãotensão de ascen são da seiva desafios do transporte da água em árvores 108111 descrição da 107109 minimização vegetal da cavita ção no xilema 110111 Teoria do balanço dos hormônios da dormência e da germinação da semente 517520 Teosinto Zea mays ssp parviglu mis 7677 576577 Terpenoides 699702 702 Terpinoleno 701702 702 Território cromossômico 5354 Testa 514515 515516 Ver também Casca da semente Tetrahidrofolato 213 215 Tétrades 56 627 Tetrapirróis 198200 Teucrium scorodonia 686687 Thalassiosira pseudonana 224225 Thermopsis montana 246 Thermosynechococcus elongatus 189 Thymus chamaedrys 686687 TIBA 576 Tidestromia oblongifolia Arizona honeysweet 260 Tidestromia oblongifolia 256257 260 Tigmotropismo 528529 Tilacoides decomposição durante a senes cência foliar 675 desenvolvimento 2728 estrutura e função 2526 26 27 180 fotofosforilação e 194 lume 181182 papel na fotossíntese 171173 partição da energia entre PSI e PSII 197198 proteínas integrais de membra na 181182 separação especial dos fotos sistemas I e II 181183 Tioglicosidase 704 Tiorredoxina degradação do amido à noite e 236237 proteção de dano causado pelas espécies reativas de oxigênio 210211 750751 751752 regulação da respiração mito condrial 338339 regulação de complexos su pramoleculares de enzimas do cloroplasto 210211 211212 regulação do ciclo das pentoses fosfato e 326327 Ver também Sistema ferredoxi natiorredoxina tipos de 5152 TNT trinitrotolueno 353 αtocoferol 750751 Tolerância à dessecação aquisição nas sementes 652655 Tolerância interna 753754 Tomateiro Solanum lycopersicum amadurecimento do fruto 657 659 ápice do caule 501 biomassa da raiz como uma função do amônio e do nitrato extraíveis do solo 137138 cromoplasto 2728 desenvolvimento do fruto 655 658 656 etileno e epinastia foliar 418 419 germinação da semente 521 impacto do estresse salino na razão raizparte aérea 757758 mutante lateral suppressor 573 574 mutantes sem zona de absci são 684685 produção hidropônica 122123 produção sistêmica de inibido res da proteinase 710 712711 tricomas 698699 Tomilhoescandinavo 686687 Tonoplasto descrição 2223 gradiente de prótons através do 163164 HATPases 162164 Hpirofosfatases 163164 proteínas de transporte em membranas 156 ver também Proteínas de transporte em membranas Torenia fournieri 637638 Toro 103105 105106 Toxicidade dos elementostraço 734735 Ver também Estresse por metais pesados Toxicidade iônica déficit hídrico e 734736 exclusão pelas plantas e meca nismos de tolerância 753754 Toxicidade por metais pesados 133134 Toxina Bt 7778 Toxina HC 715717 717 Toxinas produzidas por patóge nos 715717 717 Traço foliar iniciação e desenvol vimento 566569 Tradescantia 3940 T virginiana 114115 T zebrina 113114 Tradução 15 16 17 Tráfego transporte pelos plasmo desmos 314315 Transaldolase 325 Transcetolase 204205 208 325 Transcrição descrição da 15 16 17 mediação por fitocromos 455 457 Transcriptoma 7375 Transcriptômica 7475 Transferência de energia pela clorofila 175176 Transferência de energia por ressonância de fluorescência FRET 183 185 Transformação 7477 Transgenes 7778 Transgênicos definição 7778 metabolismo da PEP no tabaco transgênico 323324 326 sensibilidade ao esfriamento no tabaco transgênico 348 349 TaizIndice3indd 855 TaizIndice3indd 855 27102016 094022 27102016 094022 856 Índice Transglicosidase 236 237 Transglicosilases 393 Translocação no floema carregamento do floema 300 306 de sacarose 143 descarregamento do floema e transição do dreno para a fon te 305309 do sinal de SAR 721722 materiais translocados 291 293 295296 modelo de fluxo de pressão 293 295300 moléculas de sinalização 311 315 nas gimnospermas 298300 no florígeno 608610 padrão da fonte para o dreno 291292 rotas celulares 285291 taxas de movimento 293 295 296 visão geral 285286 Translocação Ver Translocação no floema Transportetranslocação de prótons Translocador de fosfatotriose fosfato 226 Translocador de trioses fosfato 224225 Translocadores de fosfato 160161 Translocon 15 16 1720 TRANSMEMBRANE KINASE1 TMK1 436 Transpiração aumento da pressão de turgor das célulasguarda e a abertu ra dos estômatos 114117 continuum soloplantaatmos fera 116117 definição 8384 diferença na concentração do vapor de água e 111113 estômatos e o acoplamento da transpiração à fotossíntese 112114 razão da transpiração 116117 resistência à difusão 112113 resistência hidráulica foliar e 111112 visão geral 110112 Transportador de ADPATP 333 334 335 Transportador de citrato 160161 Transportador de dicarboxilato 350351 Transportador de elétrons YZ 189 Transportador de Hsacarose do tipo simporte 155157 Transportador de HSO4 2 do tipo simporte 368369 Transportador de malato 160161 Transportador de maltose 237 Transportador de NaH 155157 Transportador de NaH do tipo antiporte 159160 Transportador de NHX do tipo antiporte 159160 Transportador de NO3H do tipo simporte 157158 Transportador de piruvato 335 Transportador de prótonscloreto do tipo simporte 275 Transportador de sacaroseH do tipo simporte 302 305306 308 309 311314 Transportador de SOS1 do tipo antiporte 159160 Transportador de SUC2 do tipo simporte 302 308309 312314 Transportador de SUT1 do tipo simporte 302 307308 Transportador do tipo antiporte extremamente sensível ao sal SOS1 159160 Transportadores de aminoácidos 157159 Transportadores de amônio 157158 Transportadores de ânions 160 161 Transportadores de AUX1LAX do tipo simporte 486489 571 573 Transportadores de AUXIN1 LIKE AUXIN1 AUX1LAX do tipo simporte 486489 571573 Transportadores de auxina Hpirofosfatases e 163164 na resposta ao fototropismo 535536 nas raízes 532533 relacionados aos transportado res de aminoácidos 158159 Ver também Proteínas ABCB Transportadores de boro 160161 Transportadores de Ca2H do tipo antiporte 159160 Transportadores de cátionH do tipo antiporte 159160 Transportadores de fosfato 138 139 160161 333334 335 Transportadores de fosfatoH do tipo simporte 160161 Transportadores de H do tipo simporte 155157 Transportadores de íons metaloi des 160161 Transportadores de nitrato 157 158 Transportadores de peptídeos 157159 Transportadores de potássio 149 150 159160 Transportadores de sacarose 239 240 300302 Transportadores de silício 160 161 Transportadores do tipo antipor te 154155 156 Transportadores do tipo simporte 154155 156 Transportadores HAKKTKUP 159160 Transportadores SWEET 300302 Transportadores TrkHKT 159 160 Transporte ativo e passivo 144145 de íons através da membrana 144150 definição 143 eletrogênico e eletroneutro 152154 potencial químico e 144145 processos de transporte na membrana 149157 Transporte apoplástico 5 8 Transporte ativo definição 144 identificado pela aplicação da equação de Nernst 147149 potencial químico e 144145 primário 151154 secundário 153155 Transporte de adenina nucleotí deo 333334 335 Transporte de auxina na dominância apical 574 576 na planta 429 431 nas raízes 532533 no floema 312313 transporte polar 486493 ver também Transporte polar de auxina Transporte de auxina em direção à raiz 486487 Transporte de auxina em direção ao caule 486487 Transporte de curta distância 300 305307 Transporte de elétrons fosforilação oxidativa 318 319 328340 ver também Transporte mitocondrial de elétrons mecanismos na fotossíntese 185194 ver também Transpor te fotossintético de elétrons sensibilidade à temperatura alta 257258 Transporte de elétrons no es quema Z 178179 180 185187 192193 Transporte de malato aspartato 359360 Transporte de solutos definição 143 potencial químico e 144145 processos de transporte em membranas 149157 proteínas de transporte em membranas 155164 transporte de íons através das membranas 144150 visão geral 143 Transporte eletrogênico 148150 152154 Transporte eletroneutro 152154 Transporte fotossintético de elétrons conexão ao ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 216 217 descrição do esquema Z 185 187 efeito de herbicidas no 193194 mecanismos do 185194 Transporte mitocondrial de elé trons desacopladores 333334 fluxo de elétrons mediante complexos transmembrana multiproteicos 330332 ramos suplementares 331333 síntese de ATP 332334 visão geral 2425 328331 Transporte não fosforilante de elétrons 331332 Transporte passivo de sacarose através da mem brana plasmática 144145 definido 144 difusão facilitada 151152 identificado pela aplicação da equação de Nernst 147149 potencial químico e 144145 Ver também Difusão Transporte polar de auxina absorção e efluxo de auxina 486490 independência da gravidade e 529530 iniciação foliar e 507508 padronização do meristema apical do caule e 502503 504 505506 regulação do 489492 requerimento de energia 529 531 transportadores de auxina no 574 576 velocidade do 530531 visão geral 486487 Transporte por longa distância 300 Transporte primário ativo 151 154 Transporte secundário ativo 153155 Transporte simplástico 5 8 Transportetranslocação de pró tons comparado em cloroplastos mitocôndrias e bactérias pur púreas 195196 potencial de membrana e 148 150 síntese de ATP fotossíntético e 193195 Transposase 5253 Transpósons elementos de trans posição na heterocromatina 5152 no genoma nuclear 51 nos estudos de mutagênese da função gênica 7374 regulação pela metilação do genoma 5254 tipos de 5253 Transpósons de DNA 5253 Trapoeraba Commelina commu nis 271272 Traqueídes descrição dos 44 46 4647 estrutura e função 103106 TaizIndice3indd 856 TaizIndice3indd 856 27102016 094022 27102016 094022 Índice 857 grupos de plantas onde se en contram 103105 paredes celulares 381382 permeabilidade da membrana da pontoação à água 106107 Traqueófitas 12 23 Tratamentos com frio Ver Verna lização Trato transmissor 630 633 637 638 641642 Traumatina 714 Trealose 238239 Trealose6fosfato 238239 594 595 680681 Trema 362363 Tremoçobranco 357358 Tremoços 132133 249 254255 Trevo Trifolium amida na seiva do xilema 367 368 dormência da semente imposta pela casca 516517 feixe vascular 285286 rizóbios simbiontes 362363 Trevobarril Medicago truncatula 652655 Trevobranco Trifolium repens 357358 599 Triacilgliceróis estrutura e função 343344 346 gliconeogênese 321322 hidrólise mediada pela lipase 349351 síntese 344 346 Trichoplusia ni lagartadacouve 714 715 Tricoblastos 545547 Tricomas defesas vegetais contra patóge nos 698699 funções dos 561 iniciação e desenvolvimento 563565 plasticidade fenotípica em resposta ao estresse abiótico 757758 secretores 3940 4041 Tricomas glandulares 698699 Tricomas secretores 3940 4041 Tricomas urticantes 698699 Trifina 628629 Trifólio 285286 Trifolium amida na seiva do xilema 367 368 dormência da semente imposta pela casca 516517 feixe vascular 285286 rizóbios simbiontes 362363 T repens 357358 599 Trifosfato de adenosina ATP hidrólise ver Hidrólise do ATP mecanismos que diminuem a produção de ATP na fosforila ção oxidativa 334 336338 na assimilação de amônio 357 358 373374 na assimilação de enxofre 368 370 na assimilação de ferro pelas raízes 370371 na assimilação de nitrogênio 353 na conexão entre a fotorrespi ração e o sistema fotossintéti co de transporte de elétrons 216217 na conversão de gorduras em açúcares durante a germinação da semente 349350 350351 na degradação do amido à noite 236 237 na fixação de nitrogênio 366 368 na fotossíntese C4 222 na glicólise 320 321322 na polimerização dos microfi lamentos de actina 30 29 31 na respiração 317 no ciclo de CalvinBenson 207 208 produção de ATP da respiração aeróbica 333334 336 proteínas motoras do citoes queleto e 3335 rota citoplasmática de recicla gem turnover de proteínas e 7173 síntese ver Síntese de ATP transporte transmembrana nas mitocôndrias 333334 335 Trifosfato de guanosina GTP na polimerização de microtúbulos 29 31 3233 Trifosfato de uridina UTP 320 321322 Triglicerídeos 2324 Trigo Triticum aestivum análise da razão entre isótopos de carbono 265266 aplicação foliar de fertilizantes 131132 células epidérmicas 561 como uma planta de dias lon gos 598599 estômatos 114115 estrutura da semente 643644 germinação précolheita 517 518 518 origens do trigo hexaploide 7677 produtividade de grãos em função da irrigação 8384 semente endospérmica 514 515 515516 senescência 673 675 677680 sistemas de raízes fasciculados 134135 Trigo hexaploide 7677 677680 Ver também Trigo Trigo tetraploide 677679 Trinitrotolueno TNT 353 Triose fosfato isomerase 204205 208 224225 226 320 Trioses fosfato alocação entre o amido e a sín tese de sacarose 208 310311 geração no ciclo de Calvin Benson 203204 204205 205208 metabolismo ácido das crassu láceas 225 228230 na formação citosólica de frutose16bifosfato 238239 na glicólise 318 320 321322 no período de indução da fixa ção de dióxido de carbono 208 reações de conversão na fotos síntese C4 226227 transporte nas plantas C3 224 225 226 Trióxido de enxofre 368369 Triptofano 359360 360361 472473 Trissomias 6061 Triticum T aestivum ver Trigo T turgidum ssp aestivum 677 680 T turgidum ssp discoides 677 678 T turgidum ssp durum 677679 Troca catiônica 132133 Tropismos definição 528529 diaheliotropismo 249 757758 heliotropismo 249 paraheliotropismo 249 757 758 tigmotropismo 528529 Ver também Gravitropismo Fo totropismo Trufas 139140 TRYPTICON TRY 565 Tsuga canadensis cicuta oriental 518520 Tubo polínico 625627 a polarização do grão de pólen precede a formação do 635 636 composição da parede celular primária 391393 condicionamento pelo estilete e resposta às substâncias atraentes produzidas pelas sinérgides 637638 emergência 634 na autoincompatibilidade ga metofítica 641642 642643 Tubos crivados componentes dos 287 287288 condutividade específica 298 299 vedação dos elementos danifi cados 288291 Tubulina 2829 3233 3334 αtubulina 2829 31 βtubulina 2829 31 γtubulina 29 31 Ver também Microtúbulos Túbulos de transporte 5 8 1819 Tulipeira Liriodendron tulipifera 341343 Túnica 502 Tupelonegro 686687 Tween 80 131132 Typha angustifolia taboade folhaestreita 748750 U Ubiquinol 331332 Ubiquinona 330331 331332 Ubiquitina E3 ligases 7273 436 437 438 439440 523 Ubiquitina ligase E3 7273 409 410 436437 438 439440 523 Ubiquitinaubiquitinação marcação de ciclinas 3637 rota citoplasmática da renova ção de proteínas 7273 sinalização da ubiquitina liga se 709710 supressão mediada por miR399 581582 Ver também Rota de ubiquitina proteassomo de degradação de proteínas UDPglicose 239 239240 320 321322 387388 UDPglicose pirofosforilase 227 239 239240 320 321322 Umidade relativa nas folhas 111112 Ureídas 294 367368 Urtica dioica urtiga 698699 Urtiga Urtica dioica 698699 Urze Calluna vulgaris 627 686 687 Urzedeinverno Erica carnea 686687 Urzeescocesa 686687 Utriculária 5253 Utricularia gibba 5253 Uvas Thompson sem sementes 417418 V VATPase 153154 Vaccinium 657658 714 Vacúolos 1011 armazenagem de compostos tóxicos como conjugados de açúcares hidrossolúveis não tóxicos 702705 associados à senescência 675 676 canais de cátions vacuolares 156 159160 carregadores de cálcio 159160 durante a mitose 3536 funções dos 2223 Hpirofosfatases 163164 no ajuste osmótico 748750 pH do suco vacuolar 163164 reservas de cálcio 159160 Vacúolos associados à senescên cia 675676 Vacúolos de armazenagem de proteínas 514515 522523 Vacúolos líticos 2223 Valvas 630 655 657 656 van Niel C B 176177 Vapor de água transpiração e 110117 111113 ver também Transpiração TaizIndice3indd 857 TaizIndice3indd 857 27102016 094022 27102016 094022 858 Índice VaradeourodoMissouri Soli dago missouriensis 579 Variação na energia livre padrão na oxidação mitocondrial de NADH 330331 para a oxidação completa da sacarose 322323 para a síntese de ATP 322323 Variegação 6263 Vasos descrição dos 44 46 4647 105106 106107 paredes celulares 382 Velocidade de translocação no floema 293 295297 Venação paralela 565 Venação reticulada 565 Verbasco mariposa Verbascum blattaria 654655 Verbascose 292293 294 Verbascum V blattaria 654655 V phoeniceum 305306 Verbascum phoeniceum 305306 Verbenadaareia Abronia um bellata 726 Verbenadodesertoarenoso Abronia villosa 599 Vernalização competência para o floresci mento no meristema apical do caule 605607 definição 408409 592 605 606 mudanças epigenéticas na ex pressão gênica 606607 rota de vernalização para o flo rescimento 612 Verticilos 612613 614 Vesículas entrega para o vacúolo 2223 fusão e fissão 1819 reciclagem de vesículas de membrana 2021 2122 secreção de mucopolissacarí deos nas raízes 2123 tráfego ao longo das rotas se cretoras e endocíticas 2023 Vesículas revestidas por clatrina 2021 Vesículas revestidas por COP1 2021 2122 Vesículas revestidas por COPII 2022 Vespas parasitoides 712713 Vicia faba Ver Fava Videira Vitis 593 699 Vigna 367368 Vigor híbrido 5859 642643 Vilina 30 29 31 Vimblastina 4142 Vincristina 4142 Violaxantina 196197 197198 252254 277 278279 Viridiplantae 203 Vírus movimento pelos plasmodes mos 5 8 rota do RNAi como resposta imunológica molecular 7172 Vírus da doença viracabeça do tomateiro manchado 5 8 Vírus do feijãocaupi 5 8 Vírus do mosaico do tabaco 5 8 visão geral 697698 Visco Viscum 726 Viscum 726 Vitamina A 7778 750751 Vitamina B12 122123 Vitamina C 750751 Ver também Ácido ascórbico Vitamina E 750751 Vitis videira 593 699 Viviparidade 516518 Voláteis compostos orgânicos vo láteis induzidos por herbívoros 712714 Voláteis de folhas verdes 712714 Voláteis do sabor 658659 Voláteis induzidos por herbívoros 712714 Volatilização no ciclo biogeoquí mico do nitrogênio 354 Volicitina 706707 707708 712 713 Volume celular efeitos nos processos fisiológi cos 9798 pressão de turgor e 9295 von Mohl Hugo 269270 von Nägeli Carl Wilhelm 566 von Sachs Julius 413415 W Welwitschia mirabilis 671 X Xanthium strumarium Ver Cardo Xanthomonas 717 Xantofilas 196197 197198 Xantoxina 427 426 428 Xenopus 157158 Xilanos 382 402403 Xilema acumulação de solutos e pressão de raiz 103105 cavitação e curvas de vulnera bilidade 109111 componentes celulares 44 46 4647 diferenciação 542545 569 570 estado fisicamente metaestável da água no 108110 função 9 funções fisiológicas do lenho e 587588 haustórios parasíticos e 727 influência dos microtúbulos corticais na orientação das microfibrilas de celulose 395 396 movimento da água pelas fo lhas 110111 nas folhas 6 569570 nas raízes 6 134136 164166 nos caules 6 paredes celulares 381381 382 primário 569 583 584585 resistência hidráulica foliar 111112 secundário 9 910 583585 585586 tipos de células condutoras no 103106 transporte da água pelo 103 111 Xilogênese 543545 Xilogênio 543545 Xiloglucano endotransglicosilase XET 393 396397 Xiloglucano endotransglicosi lasehidrolases XTHs 393 685686 Xiloglucanos estrutura 382 391 expansinas e 399400 ligação a pectinas 388389 nas paredes celulares primá rias 389390 393 papel estrutural nas paredes celulares 399401 Xilose 382383 Xilulose15bifosfato 209210 Xilulose5fosfato 208 325 Xylorhiza 122123 Y Yabuta Teijiro 417 Z Z3hexenal 714 Z3hexenil acetato de 714 Z3hexenol 714 Zea Z mays ver Milho Z mays ssp mays 576577 Z mays ssp parviglumis 7677 576577 Zeatin 415416 423 425 Zeaxantina espectro de absorção 277 estrutura química 280 mediação da fotorrecepção pela luz azul nas célulasguarda 276279 na biossíntese do ABA 427 no ciclo da xantofila 252254 no quenching não fotoquímico 196197 197198 Zebrina 112113 Zebrina pendula 112113 Zeitgebers 596597 Zenillia adamsoni 702703 Zigóteno 55 56 Zigoto formação da polaridade apical basal 481483 formação do 625627 nos ciclos de vida das plantas 23 4 Zinco efeito do pH do solo na dispo nibilidade 130131 mobilidade dentro de uma planta 124125 níveis nos tecidos requeridos pelas plantas 120121 papel bioquímico e função fi siológica 121122 127128 Zinnia 395396 ZmPROPEP3 710 712 Zona adequada 129130 Zona central ZC 502 554555 Zona clara 635636 636 Zona de abscisão 684686 Zona de alongamento 134136 497498 544545 Zona de deficiência 129130 Zona de diferenciação nas raízes 544545 Zona de esgotamento de nutrien tes 136138 Zona de maturação 134136 497498 Zona do hipofilo 559560 Zona medular ZM 502 554555 Zona meristemática 134136 497498 544545 Zona periférica 502 554555 Zona tóxica 129130 Zonação dos ápices caulinares 502 TaizIndice3indd 858 TaizIndice3indd 858 27102016 094022 27102016 094022