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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA - UFBA INSTITUTO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE - ICS DEPARTAMENTO DE BIOFUNÇÃO DESENVOLVIMENTO E MORFOGÊNESE ASPECTOS CITOLÓGICOS E MOLECULARES Renato Delmondez de Castro UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA - UFBA INSTITUTO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE - ICS DEPARTAMENTO DE BIOFUNÇÃO - BIOQUÍMICA ASPECTOS CITOLÓGICOS E MOLECULARES: EMBRIOGÊNESE, MATURAÇÃO E GERMINAÇÃO (Organogênese vegetal) Fonte: Conceitos de Biologia Amabis & Martho, 2002 Qual é a origem da semente? “É o resultado do desenvolvimento de um óvulo fertilizado” Constituição da semente Embrião: originado a partir do zigoto diplóide pela fusão de um núcleo gamético com a oosfera. Endosperma: triplóide originado pela fusão dos núcleos polares com o segundo núcleo gamético; Tegumento ou testa: originado dos integumentos que envolvem o óvulo. (origem materna) ASPECTOS BIOLÓGICOS E MOLECULARES DA EMBRIOGÊNESE E MATURAÇÃO VEGETAL Endosperma Tópicos • Introdução: embriogênese, maturação e dessecação • Ciclo celular • Controle molecular • Acúmulo de proteínas LEA • Acúmulo de carboidratos de reserva • Desidratação • Germinação • Complexidade do sistema de tolerância a estresses • Tendências das tecnologias genômicas C o n t e ú d o d e á g u a , % ( ) C o n t e ú d o d e á g u a , % ( ) Dessecação Maturação Embriogênese Desenvolvimento Germinação Embebição - Germinação CrescimentoDessecação Maturação Embriogênese Desenvolvimento Germinação Embebição - Germinação Crescimento Divisão celular Expansão celular Deposição de reservas Metabolismo reduzido Quiescência Dormência Metabolismo reativado Expansão celular Reparo membranas DNA Intolerante à dessecação Tolerante à dessecação Intolerante àdessecação Proteínas LEA Mobilização de reservas Divisão celular Oligossacarídeos não redutores Divisão celular Expansão celular Deposição de reservas Metabolismo reduzido Quiescência Dormência Metabolismo reativado Expansão celular Reparo membranas DNA Intolerante à dessecação Tolerante à dessecação Intolerante àdessecaçãoIntolerante à dessecação Tolerante à dessecação Intolerante à dessecação Proteínas LEA Mobilização de reservas Divisão celular Oligossacarídeos não redutores Introdução ABA Histodiferenciação ou Embriogênese • Divisões celulares intensas • Diferenciação celular • Formação dos tecidos (embrião e endosperma) Conceitos de Biologia - Amabis & Martho, 2002 O DNA e a Divisão mitótica cessam suas atividades No início da maturação Introdução ( dias após a polinização – ‘dap’ ) 90 12000 dap 150 165 180 195 21030 60 225 dap 135 Desenvolvimento floral, fruto e semente 100 m 100 m Óvulo Ovário bilocular “ MEV-CS ” Microscopia Eletrônica de Varredura Nijsse & v. Elst, 1999 Scanning, 21: 372 Introdução 10 m NuIntP ... após fertilização. ( flor aberta ) ... antes fertilização, ( botão floral ) Introdução: Botão floral N P Introdução: Embriogênese, organogênese 90 dap Introdução: acúmulo de reservas 120 dap 150 dap Fruto cereja 225 dap Maturação Introdução: Maturação • Maior acúmulo de matéria seca nos tecidos da semente representa o ponto de maturidade fisiológica • Expansão Celular • Alocação de substâncias (proteínas,lipídios e carboidratos) para os tecidos de reserva, sejam os cotilédones ou endosperma. • Crescimento do embrião por meio do alongamento celular, resultante da captação de água e acúmulo de reservas Introdução: Dessecação • Acentuado aumento na taxa de desidratação e ruptura de suas conexões tróficas com a planta •O metabolismo cai acentuadamente, podendo entretanto persistir no embrião. • Ao final da dessecação, a semente atinge o estágio ótimo para colheita e o beneficiamento,bem como para dispersão. Dias após a polinização P e s o s e m e n t e s ( g ) peso fresco peso seco conteúdo água Formação embrião (deposição reservas) (secagem) Maturação Introdução: Desenvolvimento Introdução Fonte: Fisiologia Vegetal - Kerbauy,G. B., 2001 • Introdução: embriogênese, maturação e dessecação • Ciclo celular • Controle molecular • Acúmulo de proteínas LEA • Acúmulo de carboidratos de reserva • Desidratação • Germinação • Complexidade do sistema de tolerância a estresses • Tendências das tecnologias genômicas Ciclo Celular Prófase Prometáfase Metáfase Anáfase Telófase Citocinese G1 G2 S Envolve: citoesqueleto síntese de DNA mitose e citocinese Ciclo Celular DNA e Citoesqueleto Citoesqueleto: estrutura, organização, e mobilidade celular (citosol) Rede dinâmica: Proteínas filamentosas Organelas e componentes Síntese e replicação do DNA G1 S G2 Citoesqueleto (3 famílias de proteínas) - Filamentos intermediários - Microfilamentos (MAs) actinas - Microtúbulos (MTs) tubulinas Ciclo Celular Síntese de DNA Interfase Mitose 4 fases: G1 preparação S síntese DNA G2 preparação M mitose Ciclo celular citometria N u m b e r 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 Channels 0 40 80 120 160 0 2C 4C Embrião Channels 0 40 80 120 160 N u m b e r 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 2C 4C 3C 6C Nucela + Endosperma Endosperma dap 6C % ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- 120 8.13 150 3.70 165 0.57 180 0.71 195 0.60 210 0.62 225 0.40 Embrião dap 4C % ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- 120 9.75 150 8.30 165 4.10 180 6,29 195 4.81 210 4.15 225 4.30 Regulação do Ciclo Celular G1 ponto crítico regulatório ‘ START ’ - Compromisso com a síntese / replicação de DNA - Conclusão do ciclo celular reinício do CC ‘endorreduplicação’ (4n, 8n, 16n ...) citocinese (2n) (3n, 6n, 12n ...) (divisão – mitose) Plantas mecanismos básicos conservados Regulação do Ciclo Celular Cinases Dependentes de Ciclinas - CDKs - Controlam transições de fases do ciclo celular G1 S (Ciclinas G1) G2 M (Ciclinas GM) - Controlam Reinício do ciclo celular (células não dividem) Mecanismos de ativação / inativação: 1- Síntese / degradação Ciclinas ubiquitina / ATP / proteossoma 26S 2- Fosforilação / defosforilação de resíduos aminoácidos fosfatases Regulação do Ciclo Celular START CDK inativa Ciclina G1 CDK ativa estimula síntese DNA Sítio inibidorSítio ativador Degradação Ciclina G1 CDK inativa Ciclina Mitótica CM CDK inativa CDK ativa estimula Mitose Degradação Ciclina M Microfilamentos e Microtúbulos Actinas e tubulinas Codificados por familías multi-gênicas Microfilamentos de actina (MAs): - polímeros simples de actina Microtúbulos (MTs): - polímeros heterodímeros de α- e -tubulinas Existentes em todas células eucariótica, ou mesmo antes das mesmas !!! - Ex: gene FtsZ de E. coli …identificado como homólogo de tubulina Mitose Mecânica do processo de divisão Mitose - Estádio do ciclo celular cromossomos duplicados estão separados em 2 novos núcleos (…fuso mitótico) Citocinese - Separação de 1 célula em 2 células novas (…fragmoplasto) 1- Como as estruturas do citoesqueleto são montadas ? 2- Como são exercidas as forças que movem os cromossos ? Citoesqueleto embriogênese e desenvolvimento Protofilament Longitudinal Cross-sectional view view 25 nm Tubulin heterodimer -Tubulina: VC Ce Embrião Endosperma DAP • Introdução: embriogênese, maturação e dessecação • Ciclo celular • Controle molecular • Acúmulo de proteínas LEA • Acúmulo de carboidratos de reserva • Desidratação • Germinação • Complexidade do sistema de tolerância a estresses • Tendências das tecnologias genômicas Efeitorecalcitrante... Desenvolvimento contínuo WT (70 DAP) Embrião de Tomate De Castro, et al., 2006 Gene sitw Deficiente em ABA Ácido Abscisisco Mutagênese química Efeito recalcitrante... Desenvolvimento contínuo Holdsworth et al. (1999) TIPS 4, 275 VP1 (VIVIPARIDADE) tem alta homologia de sequencia ao gene do ABI3 Fenótipo da mutação vivípara em milho e em trigo são semelhatntes Controle do Desenvolvimento por ABA X Zeaxantina epoxidase Biosíntese de ABA pode ser manipulada para alterar do desenvolvimento em sementes e planta adulta Análise de mutantes de desenvolvimento Identificação da função de alguns genes ABI3 atua em combinação com outros fatores de transcrição FUS3, LEC1 no controle embriogênese em Arabidopsis thaliana Controle do Desenvolvimento por ABA Sementes do mutantes lec1-3 não têm dormência e também não tolera a desidratação ao final do desenvolvimento (recalcitrância) Controle do Desenvolvimento por ABA Controle do Desenvolvimento por outros Genes MUTANTES DE DESENVOLVIMENTO EM ARABIDOPSIS A: globular – tipo selvagem B: cotiledonário - tipo selvagem D-E: suspensor anormal F-G: hipocótilo reduzido H-W: cotilédones defeituosos X: cotilédone folhoso Y: fusca D.W. Meinke. Seed Development in Arabidopsis thaliana IN: ARABIDOPSIS. 1994. CSHL Press, pp. 253-296. Controle do Desenvolvimento por outros Genes Tipo selvagem Mutações simples ‘genes de desenvolvimento’ de Arabidopsis thaliana pode causar aberrações fenotípicas severas (mas nem sempre letais): efeitos pós-germinativos ? gurke Sem meristema apical e cotilédones fackel sem hipocótilo monoptero ssem raíz gnom Sem meristemas apical e radicular • Introdução: embriogênese, maturação e dessecação • Ciclo celular • Controle molecular • Acúmulo de proteínas LEA • Acúmulo de carboidratos de reserva • Desidratação • Germinação • Complexidade do sistema de tolerância a estresses • Tendências das tecnologias genômicas Acúmulo de Proteínas LEAS Proteínas abundantes do final da embriogênese (LEAs) acumulam durante o final da metade do desenvolvimento, e são induzidas por ABA Recalcitrantes Sementes ortodoxas Frutos úmidos -100MPa Tipo de proteínas de reserva Acúmulo de Proteínas LEAS Proteínas abundantes do final da embriogênese (LEAs) acumulam durante o final da metade do desenvolvimento, e são induzidas por ABA Algodão O que são LEAS? Proteínas hidrofílicas, ricas em alanina e glicina, que aumentam a resistência das plantas ao estresse hídrico Elas são classificadas em algumas famílias: Proteínas que se ligam à água Minimizam a perda de água celular Em protein O que são LEAS? Proteínas hidrofílicas, ricas em alanina e glicina, que aumentam a resistência das plantas ao estresse hídrico Elas são classificadas em algumas famílias: Podem estabilizar outras proteínas e macromoléculas sob condições de reduzida disponibilidade de água Usualmente localizadas no citoplasma e núcleo dehydrin O que são LEAS? Proteínas hidrofílicas, ricas em alanina e glicina, que aumentam a resistência das plantas ao estresse hídrico Elas são classificadas em algumas famílias: Abundantes em embriões de algodão Induzidas por ABA em algodão e cevada Promovem tolerância ao estresse em plantas transgênicas O que são LEAS? Proteínas hidrofílicas, ricas em alanina e glicina, que aumentam a resistência das plantas ao estresse hídrico Elas são classificadas em algumas famílias: Podem se ligar às membranas e proteínas para manter a integridade estrutural Podem sequestrar íons para proteger o metabolismo no citosol. Abundante em sementes de algodão Qual e a função das LEAS proteínas? Não se sabe ao certo ! Talvez tenham um papel de proteção durante a secagem e armazenamento de sementes / tecidos plantas na condição seca ou estresses Mas elas acumulam em embriões de trigo quando desligadas da planta mãe e quando não estão sujeitas ao estresse hídrico Elas podem também, acumular em algumas sementes recalcitrantes que não são tolerantes à dessecação Qual e a função das LEAS proteínas? Não se sabe ao certo ! LEAs acumulam em sementes em desenvolvimento durante a maturação e em resposta ao aumento de ABA Elas talvez atuem protegendo as macromoléculas contra os danos causados pela dessecação, mas isso ainda precisa ser mostrado in vivo • Introdução: embriogênese, maturação e dessecação • Ciclo celular • Controle molecular • Acúmulo de proteínas LEA • Acúmulo de carboidratos de reserva • Desidratação • Germinação • Complexidade do sistema de tolerância a estresses • Tendências das tecnologias genômicas Acúmulo de Carboidratos de Reserva Recalcitrantes Sementes ortodoxas Frutos úmidos -100MPa Acúmulo de Carboidratos de Reserva sacarose galactose Oligossacarídeos: Sacarose e Rafinose Acúmulo de Carboidratos de Reserva Hipótese da substituição de água Grupo hidroxila dos substitutos de açúcares fornecem interação hidrofílica para estabilização de membranas e proteínas Qual é a função da sacarose e rafinose Mantém o estado líquido-cristalino Estado gel / vítreo (bicamada seca) Cristalino líquido (bicamada hidratada) Cristalino líquido (bicamada seca com Trealose) Cristalino líquido (bicamada hidratada) Acúmulo de Carboidratos de Reserva Hipótese da formação de vidro Vidros aquosos são formados por interações não específicas entre o grupo OH- dos solutos e a água; Forma-se um fluído super viscoso que estabiliza a membrana Qual é a função da sacarose e rafinose Quando a solução é seca Acúmulo de Carboidratos de Reserva Hipótese da formação de vidro Em alta hidratação os açúcares se encaixam entre as bi-camadas e não têm efeito na estrutura da membrana Compostos poliméricos podem se distribuir a mesma forma citoplasmamembrana Acúmulo de Carboidratos de Reserva Hipótese da formação de vidro Em baixo conteúdo de água os açúcares podem formar vidros e manter a integridade da membrana manutenção da viabilidade celular Os polímeros são excluídos da membrana e não fornecem proteção membrana citoplasma • Introdução: embriogênese, maturação e dessecação • Ciclo celular • Controle molecular • Acúmulo de proteínas LEA • Acúmulo de carboidratos de reserva • Desidratação • Germinação • Complexidade do sistema de tolerância a estresses • Tendências das tecnologias genômicas Desidratação Desidratação -- Estresse Estresse... integridade de proteínas Hoekstra, et al., 2001 A forma nativa (redobrada) é termodinamicamente favorável Abaixo 0.3g H2O assume fase ‘gel’ ou ‘vítrea’ desestabilizada Mecanismos de estabilização da estrutura de proteínas em estádios diferentes de perda de água em organismos tolerantes e sensíveis à dessecação Estresse... integridade de membranas Lipídeos na fase ‘líquida-cristalina’ Abaixo 0.3g H2O assume fase ‘gel’ ou ‘vítrea’ desestabilizada Comportamento da membrana em estádios diferentes de perda de água em organismos tolerantes e sensíveis à dessecação Hoekstra, et al., 2001 Um ‘vidro’ é um estado sólido instável com uma viscosidade extremamente alta. Portanto, um vidro não é um material cristalizado, mas um material amorfo. * Enquanto água flui a uma taxa em torno de 10 m/s, um vidro é um líquido que flui cerca de 30 µm em um século. Açucares e biopolímeros formam vidros. Um vidro é formado em qualquer célula desidratada. O que é o estado vítreo ? “Plantas ressuscitantes” Craterostigma pumilum (Scrophulariaceae) Outras: Craterostigma plantagineum Craterostigma wilmsii Xerophyta viscosa (Velloziacea) Resposta a estresses em Xerophyta viscosa - XVSAP1 XVSAP1 Desidratação Reidratação 49% WCOR413 (Trigo – frio) 25 a 56% ATCAPs e RCAP (Arabidopsis – frio) Tolerância a estresse osmótico Escherichia coli Indução (RT-PCR) por: - Estresse hídricoe salino - Temperatura baixa (4oC) e alta (42oC) - Alta luminosidade ** Efeito protetor – estabilização de membranas durante desidratação ! Dahlia Garwe et al., 2002 Estresses em plantas... ‘Heat shock proteins - HSP’ 200mM NaCl 20% PEG Proteínas de choque térmico: Arabidopsis: At-HSP17.6A - Induzido pelo calor e estresse osmótico - Durante o desenvolvimento Super-produção induz tolerância a estresse hídrico e salino. Sun, et al., 2001 • Introdução: embriogênese, maturação e dessecação • Ciclo celular • Controle molecular • Acúmulo de proteínas LEA • Acúmulo de carboidratos de reserva • Desidratação • Germinação • Complexidade do sistema de tolerância a estresses •Tendências das tecnologias genômicas GERMINAÇÃO E ORGANOGÊNESE Fonte: Biologia-Plantas, Laurence, J., 2002 C o n t e ú d o d e á g u a , % ( ) C o n t e ú d o d e á g u a , % ( ) Dessecação Maturação Embriogênese Desenvolvimento Germinação Embebição - Germinação CrescimentoDessecação Maturação Embriogênese Desenvolvimento Germinação Embebição - Germinação Crescimento Divisão celular Expansão celular Deposição de reservas Metabolismo reduzido Quiescência Dormência Metabolismo reativado Expansão celular Reparo membranas DNA Intolerante à dessecação Tolerante à dessecação Intolerante àdessecação Proteínas LEA Mobilização de reservas Divisão celular Oligossacarídeos não redutores Divisão celular Expansão celular Deposição de reservas Metabolismo reduzido Quiescência Dormência Metabolismo reativado Expansão celular Reparo membranas DNA Intolerante à dessecação Tolerante à dessecação Intolerante àdessecaçãoIntolerante à dessecação Tolerante à dessecação Intolerante à dessecação Proteínas LEA Mobilização de reservas Divisão celular Oligossacarídeos não redutores Revisão: ABA Processo de Germinação Embebição Ativação do Metabolismo Crescimento do Eixo Embrionário Embebição “ É a entrada de água no interior da semente ” Processo físico • Potencial Matricial (Ψm) • Potencial Osmótico (Ψos) • A ocorrência da embebição necessita que os tecidos que envolvem o embrião sejam permeáveis à água. • Existem sementes com envoltórios impermeáveis, parcialmente permeáveis e totalmente permeáveis. • Na disponibilidade de água, a embebição apresenta em muitos casos , uma curva trifásica: Fase I, Fase II e Fase III Fase I Fase II Fase III absorção água reativação metabólica germinação Tempo de embebição C o n t e ú d o d e á g u a ( % ) 20 40 60 80 Tolerante a dessecação Intolerante a dessecação m = p Embebição e Germinacão Padrão trifásico Fase I da Embebição • Teor de água na semente aumenta rapidamente • Alteração na permeabilidade das membranas devido mudanças do estado gel para o estado liquido – cristalino. Mudanças de fase das membranas durante a dessecação e a embebição da semente. Fonte: Kerbauy G.B., 2004 Fase II ou Estacionária da Embebição • Estabilização no conteúdo de água • Ativação dos processos metabólicos necessários para o início do crescimento do embrião. • A duração dessa fase e a quantidade de água na semente são dependentes do potencial de água no meio, da temperatura e da presença ou não de dormência . Fase III da Embebição • Marca o início do crescimento do eixo embrionário e a retomada da absorção de água. Processo de Germinação Fonte: Fisiologia Vegetal - Kerbauy,G. B., 2001 Citoesqueleto e Síntese DNA Germinação e crescimento De Castro, et al., 2000 • Introdução: embriogênese, maturação e dessecação • Ciclo celular • Controle molecular • Acúmulo de proteínas LEA • Acúmulo de carboidratos de reserva • Desidratação • Germinação • Complexidade do sistema de tolerância a estresses •Tendências das tecnologias genômicas Wang et al., Planta, 2003 ABA Complexidade do Desenvolvimento Vegetal Estresses “ Ênfase nas relações espaciais e de ‘comunicação cruzada’ entre rotas de sinais parace ser crucial ” “A célula é um produto de propriedades especiais que emergem de interações complexas e estruturas espaciais dentre milhares de moléculas e enzimas das quais é composta”. “…mudando suas relações e interações, propriedades diferentes emergirão”. Gilroy and Trewavas, 2001, Nature Reviews Molecular Cell Biology Como lidar com toda essa complexidade ? Como lidar com toda essa complexidade molecular e bioquímica? Network de reações Resposta Gene X Redirecionamento da network “Redirecionamento da resposta” Fenótipo (ou não) O ABA é um supernó? Sinal do ambiente Os principais redirecionamentos de respostas possível somente por meio de nós ou supernós? Como lidar com toda essa complexidade ??? PRINCÍPIO DA TOLERÂNCIA CRUZADA: Planta completa ou: Semente (?) Abiotic: • UV • ozônio • osmótico • calor / frio • sal, nutrientes Biotic: • virus • bactéria • fungo Aplica 1 tipo de estresse: Aumento da resistência (múltipla) a stresses UV Ozônio SalOsmótico Calor Patógenos Tolerância cruzada em plantas Um estresse induz tolerância-cruzada a vários tipos de estresses Tolerância cruzada... em plantas Desenvolvimento da planta Tratamento Resposta (positiva) Referências: BERSHADSKY, A.D. , VASILIEV, J.M. Cytoskeleton. 1988. BRYANT, J.A., FRANCIS, D. The Cell Division Cycle in Plants, 1985. BRACHT, A., ISHII-IWAMOTO, E.L.. Métodos de Laboratorio em Bioquímica, 2003. BUCHANAN, B.B. et al. Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000. CAMPBELL, M.K., FARREL, S.O. Bioquímica, 2008. CHAMPE, P.C, HARVEY, R.A. Bioquímica Ilustrada, 2006 COOPER G.M., HAUSMAN R.E. The Cell – A Molecular Approach, 2007. CHRISPEELS, M.J., SADAVA, D.E. Plants, Genes, and Crop Biotechnology, 2003. GUNNING, B.E.S., STEER, M. W. Plant Cell Biology: Structure and Function, 1996. HOWELL, S.H. Molecular Genetics of Plant Development, 1998. KHAN, A.A. The Physiology and Biochemistry of Seed Development, Dormancy and Germination. 1982. LARKINS, B.A., VASIL, I.K. Cellular and Molecular Biology of Plant Seed Development, 1997. LEHNINGER, A.L. et al. Princípios de Bioquímica, 2000. LEWIN, B., et. al. Cells, 2006. LODISH, H., et. al. Molecular Cell Biology, 2004. ORMROD, J.C., FRANCIS, D. Molecular and Cell Biology of the Plant Cell Cycle, 1993. MEYEROWITZ, E.M. Arabidopsis, 1994. RAGHAVAN, V. Molecular Embryology of Flowering Plants, 1997. TAIZ, L., ZEIGER, E. Plant Physiology, 2003. 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