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Estudo filogenético das Spermatophyta (Gimnosperma) Disciplina: Sistemática de Fanerógamas Profª. Luzia F. Souza, Dr. Classificações descritivas (tradicionais) dos grandes grupos vegetais • eutalófitas (procariontes e unicelulares) • talófitas (algas multicelulares e musgos) • cormófitas : (plantas vasculares com corpo vegetativo completo) • Lycophyta (vasculares com microfilos) licopodios, selaginellas e isoetes • Euphyllophyta (vasculares com megafilos) • Monylopsida (vasculares megafilas sem sementes) samambaias e cavalinhas • Spermatopsida (vasculares megafilas com sementes) • Gymnospermae (vasculares com sementes nuas) Pinheiros, cycas, etc Angiospermae (vasculares com sementes originadas em folhas carpelares) laranjas, cajus, etc. Classificação filogenética dos grupos vegetais Idéias filogenéticas: Gregor Johann Mendel (1850) evolucionistas: Charles Darwin (1859) Sistemática filogenética: Relação da ancestralidade –descendência dos organismos (Willi Henning, 1951). Filogenia: estudo da distância evolutiva como critério para a classificação dos organismos Cladograma: diagrama hipotético que considera pelo menos uma característica monofilética, construindo uma árvore filogenética (Walter Judd et al. a partir de 1990) Sistemas gradistas: classificações baseados em critérios numéricos, morfológicos, químicos e anatômicos. Sistemas cladistas: classificações baseadas em filogenia Walter Judd et al. : organizou o primeiro sistema filogenético baseado no uso de técnicas moleculares para a construção de cladogramas. Um pouco de filogenia... T: tempo X, y e z: espécies mães ancestrais A, B, C e D: espécies atuais ou grupo- irmão. Grupo irmão AD (gênero) Espécie basal: A Espécie derivada: D Espécies mais irmãs: AB, BC, CD. Filogenia: estudo da distância evolutiva no tempo como critério para a classificação dos organismos Glossário filogenético • Filogenia ou filogênese) (grego: phylon = tribo, raça e genetikos = relativo à gênese = origem) é o termo comumente utilizado para hipóteses de relações evolutivas(ou seja, relações filogenéticas) de um grupo de organismos, isto é, determinar as relações ancestrais entre espécies conhecidas (ambas as que vivem e as extintas). • Sistemática Filogenética, proposta por Willi Hennig, é o estudo filogenético de grupos, geralmente com a finalidade de testar a validade de classificações taxonômicas. De acordo com esta abordagem, somente são aceitos como naturais (táxon) os grupos comprovadamente monofiléticos. A Sistemática Filogenética é uma base sobre a qual diversos métodos foram desenvolvidos, dos quais o dominante atualmente é a Cladística (conjunto de métodos métodos usados para deduzir filogênese) • Clado: grupo de organismos originados de um único ancestral comum. Em biologia se chama clado cada um dos ramos da árvore filogenética. Por conseguinte um clado é um grupo de espécies com um ancestral comum (monofilético) • Monofilético: grupo de espécies originadas de um ancestral comum recente • Parafilético: grupos filogeneticamente irmãos (Aves ou Répteis) • Polifilético: reunião de dois ou mais grupos monofiléticos ( Aves e Répteis). • Sinapomorfia:são caracteres homólogos derivados, herdados de um ancestral comum recente por dois ou mais táxons e que permitem reuni-los em grupos monofiléticos. • plesiomorfias , Grupo-irmão ou monofilético / parafilético • Espécies ancestral , irmãs, basal, derivada Classificação filogenética dos seres vivos Fonte: http://tolweb.org/tree/ "The affinities of all the beings of the same class have sometimes been represented by a great tree... As buds give rise by growth to fresh buds, and these if vigorous, branch out and overtop on all sides many a feebler branch, so by generation I believe it has been with the great Tree of Life, which fills with its dead and broken branches the crust of the earth, and covers the surface with its ever branching and beautiful ramifications.“ Charles Darwin, 1859 Bibliografia básica • 1ª. Célula – origem monofilética de todos os seres vivos • Sinapomorfia 1: universalidade do código genético • Sinapomorfia 2: material genético no livre no citoplasma • Sinapomorfia 3: surgimento do envelope nuclear • Sinapomorfia 4: relação endossimbiôntica surgindo a mitocôndria Archaeplastida (Plantae) Opisthokonts Unikonts Chromalveolates Excavates Rhizaria Discicristastes • Green plants: inclui todos os organismos fotossintéticos com clorofila A e B, carboidratos formados a partir do cloroplasto, armazenados sob a forma de amido (JUDD et al., 2009), ou seja as algas verdes e as plantas terrestres (Chlorophyta e Streptophyta) • Chlorophyta (algas verdes microscópicas):Chlorophyceae, Ulvophyceae e Trebouxiophyceae. • Streptophyta (Algas verdes macroscópicas e plantas terrestres) Chlorokibales, Klebsormidiales, Zignematales, Coleochetales, Charales e Embriophyta (mais derivada) • As algas estreptófitas diferenciam-se das outras algas e se aproximam das embriofitas devido à orientação do fragmoplasto durante a divisão celular, que se dispõe perpendicular à formação da parece celular. Green plants, Viridophyta or Viridiplants O grupo mais basal de Embryophyta é Marchantiomorpha, que reúne as hepáticas. O grupo-irmão de Marchantiomorpha é Stomatophyta, um táxon bastante diversificado que inclui todas as outras plantas terrestres e é definido principalmente pela presença de estômatos (sinapomorfia). Um passo importante para a conquista definitiva da terra foi a formação dos traqueídos e da lignina, que permitiu melhorar a sustentação da planta (sinapormofias). Esse grupo é denominado como Tracheophyta e incluem as plantas vasculares. Outro evento importante na evolução das plantas foi a aquisição de sementes (sinapomorfia), formando o grupo das Spermatophyta: Cycadales, Ginkgoales, Coniferales , Gnetales e Angiospermas. Embryophytes Spermatopsida or seed plants Spermatopsida or seed plants Classe Spermatopsida PADRÃO DE RAMIFICAÇÃO AXILAR SEMENTE: Tegumentos do óvulo: protege o embrião e fornece alimento nos estágios críticos de germinação e estabelecimento. Quais são as sinapomorfias que sustentam o monofiletismo desses clados? Gymnospermae e Angiospermae Clados monofiléticos LENHO NO ANCESTRAL ORIGEM: 360 MA. SAMAMBAIAS HOMOSPORANGIADAS HETEROSPORANGIADAS ANCESTRAL: SAMAMBAIA COM MEGÁSPORO FUNCIONAL COM UM NÚCLEO FUNCIONAL: ARCHAEOPTERYS: 325MA GRUPOS ATUAIS: CYCADALES GINGKOALES CONIFERALES GNETALES ANGIOSPERMAS G IM N O S P E R M A S http://www.conifers.org/zz/gymnosperms.php INTRODUÇÃO AO ESTUDO DAS GIMNOSPERMAS: origem, evolução e principais características. Carbonífero As primeiras traqueófitas surgiram na história evolutiva das plantas há ca. de 420 milhões de anos. Plantas pequenas, com caule ramificado de forma dicotômica, esporângios terminais e ausência de folhas. Considerando as traqueófitas presentes na flora atual consideram-se as classes Lycopodiopsida, Polypodiopsida (reproduzem-se pela dispersão dos esporos) Spermatopsida (ordens Cycadales, Ginkgoales, Coniferales, Gnetales e as Angiospermas), que reproduzem-se por sementes. Carbonífero GIMNOSPERMAS • São plantas lenhosas, com tamanhoque varia desde centímetros a até mais de 120 metros (Sequoia). • Atividade de câmbio vascular. • Xilema com traqueídeos (sem elementos de vaso) e floema com células crivadas (sem elementos de tubo crivado). CARACTERIZAÇÃO GERAL CARACTERIZAÇÃO GERAL • Presença de canais resiníferos, tanto no lenho quanto nas folhas, os quais dão um odor característico de muitas gimnospermas. • Em geral, as folhas são plurianuais (por isso também conhecidas como ‘plantas sempre verdes’). • Forma das folhas: aciculares, escamiformes, lineares, flabeliformes. Podem originar diretamente do caule principal ou de braquiblastos. aciculares escamiformes lineares flabeliformes CARACTERIZAÇÃO GERAL Braquiblasto Ramo curto, de crescimento limitado e entrenós curtos. Como conseqüência as folhas são muito próximas. CARACTERIZAÇÃO GERAL Esporófilos geralmente reunidos, formando os macrostróbilos e microstróbilos. Na flora atual não existem estróbilos hermafroditas. Macrostróbilo (♀) Microstróbilo (♂) CARACTERIZAÇÃO GERAL • As plantas podem ser monóicas ou dióicas. • Geralmente são polinizadas pelo vento, podendo ocorrer polinização por besouros. Atualmente são 2 os centros de dispersão para as gimnospermas: famílias Pinaceae e Cupressaceae no hemisfério norte e Araucariaceae no hemisfério sul. • O apogeu do grupo foi durante a era Mesozóica, principalmente durante o Triássico e o Jurássico, ca. de 220-175 milhões de anos. • Megasporângio com tegumento, micrópila e câmara polínica. CARACTERIZAÇÃO GERAL • Megagametófito extremamente reduzido, fixo à parede do megásporo. • Megasporângio → Megásporo → Megagametófito micrópila megásporo megasporângio tegumento óvulo Após fecundação, o tegumento será a testa da semente. O óvulo será semente propriamente dita. Portanto, a semente é o óvulo após a fecundação. O embrião é o esporófito (2n) jovem. CARACTERIZAÇÃO GERAL • Com poucas exceções, o gametófito feminino produz vários arquegônios. • Várias oosferas podem ser fecundadas em um único óvulo (Poliembrionia), mas na maioria dos casos apenas um embrião sobrevive. • Gametófito masculino = Grão de pólen Polinização • Produção do tubo polínico (leva os gametas aos arquegônios). CARACTERIZAÇÃO GERAL • Com o desenvolvimento dos tubos polínicos, as plantas com sementes tornaram-se independentes da presença da água para assegurar a fecundação. • Exceto em Cycas e Ginkgo, onde os anterozóides nadam até a câmara arquegonial e atingem os arquegônios. • As sementes de gimnospermas apresentam uma diferença fundamental quando são comparadas com as angiospermas: não apresentam endosperma. •Compreendem 4 ordens, 10 famílias, 80 gêneros e ca. de 820 espécies. •Representa um grupos monofilético. Veja discussão em http://www.oocities.org/rapinibot/Origin/aula7.htm PRINCIPAIS GRUPOS DE GIMNOSPERMAS 1. Pteridospermales: fósseis do Carbonífero ao Cretáceo. 2. Cycadeoidoales (= Bennettitales): fósseis do Triássico ao Cretáceo. 3. Cycadales : do Permiano ao recente (são referidas como pertencentes ao grupo das ‘cycas’).viventes 4. Ginkgoales: do Triássico, chegando ao recente com apenas uma espécie (Ginkgo biloba); trata-se do grupo dos ‘ginkgos’. viventes 5. Coniferales: do Carbonífero Superior ao recente (são as ‘coníferas’). viventes 6. Gnetales: do Permiano ao recente; trata-se das ‘gnetófitas’. Viventes. ORDEM CYCADALES Plesiomorfias com relação às outras classes: anterozóides flagelados, ausência de tubo polínico. Monofilias dentro da classe: canais de mucilagem e glicosídeos tóxicos (cycasinas). Atualmente são ‘relíquias’. Distribuídas no hemisfério sul, principalmente. Apresenta 3 famílias (Cycadaceae, Stangeriaceae e Zamiaceae), 10 gêneros e ca. de 130 espécies. Constituem a linha megáfila das gimnospermas, pois são semelhantes a palmeiras ou samambaiaçus, com folhas pinadas e caule não ramificado. Características vegetativas Sementes localizadas em megasporófilos; em alguns táxons esses megasporófilos estão reunidos formando megastróbilos. Megasporófilos de Cycadaceae Megastróbilos de Zamiaceae Todas as espécies são dióicas Características reprodutivas Características reprodutivas Óvulo Meiose 3 Megásporos degeneram Megagametófito (geração gametofítica) Microsporófilo Microsporângios Micrósporos Meiose Célula protalar Célula germinativa anemofilia ou entomofilia Célula geradora Célula do pé Células anteridiais Cada célula anteridial origina um anterozóide que nada até o arquegônio. Características reprodutivas Família Cycadaceae 1. Família constituída por um único gênero (Cycas) e ca. de 20 espécies. 2. É considerada grupo-irmão basal das demais cycadófitas (é o grupo que apresenta o maior número de estados de caráter plesiomórficos). 3. Os megasporófilos NÃO são organizados em megastróbilos e apresentam lâmina denteada ou pinatissecta. Cada megasporófilo pode conter de 4 a 8 óvulos. 4. Muitas espécies são consideradas ornamentais, sendo muito cultivadas em áreas de clima quente e em casas de vegetação. Família Cycadaceae Cycas revoluta Cycas circinales Família Zamiaceae 1. Família constituída por 8 gêneros e ca. de 110 espécies. Os maiores gêneros são Encephalartos (35 spp.), Zamia (35), Macrozamia (14), Ceratozamia (10) e Dioon (10). 2. Os megasporófilos são organizados em megastróbilos. Cada megasporófilo apresenta 2 óvulos. 3. Assim como as Cyca, muitas espécies são consideradas ornamentais, sendo cultivadas em áreas de clima quente e em casas de vegetação. Família Zamiaceae Encephalartos Zamia Ceratozamia Dioon ORDEM GINKGOALES 1. alta diversidade no Mesozóico. Atualmente uma família Ginkgoaceae, um genero e uma espécie: Ginkgo biloba. 2. Assim como as Cycadales, apresenta a plesiomorfia de anterozóides flagelados, dependendo do meio líquido para a fecundação. 3. Inexistem populações nativas. Foi preservada graças aos monges chineses que a plantavam em seus templos. Características gerais 1. Árvores com folhas flabeliformes e nervação dicotômica. 2. Microstróbilos alongados e numerosos nas axilas. 3. Megastróbilos muito simplificados, consistindo de um pedúnculo portando apenas 2 óvulos carnosos. 4. Cada microsporófilo apresenta 2 microsporângios. 5. Os óvulos, quando maduros, apresentam coloração alaranjada e são fortemente odoríferos. 6. Normalmente, após a fecundação, uma das duas sementes é abortada. Ginkgo biloba Árvore de 200 anos Árvore de 1500 anos Ramo ♀ Ramo ♂ Óvulos Ginkgo biloba ORDEM CONIFERALES Megastróbilos compostos (CONES) ORDEM CONIFERALES Características Gimnospermas com caule ramificado e canais resiníferos. Canais Resiníferos Pinus sp. CONIFERALES Crescimento secundário vigoroso (lenho secundário com muitos traqueídeos e pouco parênquima). (Sequoiadendron sp.) Pontuações areoladas CONIFERALES Folhas geralmente pequenas (‘linha micrófila’) e simples Plantas monóicas ou dióicas megastróbilos microstróbilos Pinus sp. Taxus sp. CONIFERALES 1. Sementes produzidas e protegidas por estruturas modificadas (escamas ovulífera e bracteal). 2. Micro e megasporófilos em estróbilos (os femininos comumente denominados cones).Megastróbilo Escama ovulífera Escama bracteal óvulo Microstróbilos CONIFERALES Polinização pelo vento (Anemofilia) Pinus sp. pólen alado CONIFERALES Aproximadamente 600 spp. em 60-65 gêneros. São mais comuns nas regiões temperadas, especialmente no Hemisfério Norte, onde formam extensas florestas. CONIFERALES Características / Famílias Expressão sexual Número de microsporângio óvulo por megasporófilo Pinaceae Monóicas 2 a 8 2 Araucariaceae Dióicas 8 1 Cupressaceae Monóicas 2 a 10 1 a 20 Podocarpaceae Dióicas 2 1 Taxaceae Dióicas 2 a 9 1- sem cone PINACEAE •10 gêneros e 220 espécies, ocorrem naturalmente no Hemisfério Norte. •Plantas monóicas. megastróbilos microstróbilos Folhas fasciculadas que partem de braquiblastos. Folhas: seção transversal Canais resiníferos PINACEAE Escamas ovulíferas e bracteais (complexo escama-semente). escama ovulífera escama bracteal óvulo Megastróbilo seção longitudinal PINACEAE Microsporófilos com 2 a 8 microsporângios. microstróbilo de Pinus sp. microsporófilo microsporângios (2) PINACEAE Megasporófilos com 2 óvulos. megastróbilo de Pinus sp. óvulos (2) megasporófilo PINACEAE Principais gêneros Pinus Cedrus Picea Abies PINACEAE ARAUCARIACEAE 1. Atualmente restrita ao Hemisfério Sul, com 03 gêneros. 2. Agathis: ca. 13 espécies / Malásia a Fiji. Cultivado. 3. Araucaria: ca. 18 espécies / Pacífico e América do Sul. Nativo e algumas espécies cultivadas. 4. Wollemia: 1 espécie / Austrália. Araucaria araucana Araucaria angustifolia (pinheiro-do-paraná) Nativa do sul do Brasil e norte da Argentina, representativa das ‘Matas de Araucária’. Natural também nas serras em São Paulo, Minas Gerais e Rio de Janeiro. ARAUCARIACEAE Antes era muito explorada para fins madeireiros. Hoje ainda é abundante em áreas de preservação. - Plantas Dióicas - Escama ovulífera e bracteal soldada (formam o pinhão). - Megasporófilo com 1 óvulo. - Microsporófilo com 8 microsporângios alongados. Araucaria angustifolia ARAUCARIACEAE Agathis robusta ARAUCARIACEAE Sequoia sempervirens • Terceira maior família de Coniferales. • Apresenta 29 gêneros e ca. de 130 espécies. • Folhas pequenas e escamiformes, de disposição espiralada ou oposta cruzada. CUPRESSACEAE • Plantas geralmente monóicas. Cupressus sp. Thuja occidentalis megastróbilos microstróbilos CUPRESSACEAE Juniperus : Plantas dióicas. megastróbilos CUPRESSACEAE Taxodium CUPRESSACEAE Taxodium pneumatóforos CUPRESSACEAE Principais gêneros: Sequoia sp. Taxodium sp. Cupressus sp. Juniperus sp. Thuja sp. CUPRESSACEAE PODOCARPACEAE 1. Arbustos ou árvores, dióicas ou raramente monóicas. 2. Folhas lineares ou alargadas. 3. Cones masculinos espiciformes. 4. Microsporófilos com dois sacos polínicos. 5. Pólen com 2 sacos aéreos na parede; disperso pelo vento. 6. 17 gêneros, ca. de 170 espécies. Microstróbilo Grãos de pólen 1. Cones femininos pedunculados. 2. Usualmente solitários. 3. Cones femininos com 1 ou mais escamas ovulíferas. 4. Comumente só 1 escama ovulífera carrega 1 óvulo ereto ou invertido. 5. Escama envolve o óvulo, formando o epimácio (cobertura carnosa ao redor da semente). PODOCARPACEAE 1. O pedúnculo, com o amadurecimento, torna-se carnoso, com pseudo-arilo, ou seco. 2. Podocarpus apresenta ca. de 100 espécies. Ocorre no hemisfério sul, inclusive Brasil, Caribe, México, sul da China e Japão). Cultivado PODOCARPACEAE microstróbilos sementes com arilo carnoso (óvulos solitários s/ cone) Taxus cuspidato TAXACEAE 1. Dióicas; 2. Estróbilo masculino com 6-14 microsporófilos; 3. 2-9 esporângios por microsporófilo; 4. Pólen sem bolsas; 5. Cones ausentes e óvulos solitários; 6. Sementes envolvidas por arilo. 7. 5 gêneros e 20 espécies. 8. Taxol: anticancerígena. Ordem GNETALES Gnetaceae Ephedraceae Welwitschiaceae Elementos de vaso no xilema Características GNETALES Estróbilos compostos Welwitschia mirabilis microstróbilos megastróbilos GNETALES •Tubo micropilar ( formado pelo tegumento ) •Óvulos com brácteas ( como 2° tegumento ) Ephedra sp. GNETALES 1. Ausência de canais resiníferos 2. Dois cotilédones 3.Folhas opostas com nervação reticulada (peninérveas) 4. Ausência de arquegônios (Gnetum e Welwitschia ) 5. Dupla fecundação com poliembrionia ( Ephedra e Gnetum ) 6. Freqüente polinização por insetos GNETALES 1 gênero tropical (Gnetum) e cerca de 20 espécies (várias amazônicas) Trepadeiras ou arbustos Família Gnetaceae Plantas funcionalmente dióicas, raramente monóicas ‘Flores femininas’ com envoltório carnoso ‘Flores masculinas’ como um estame Família Gnetaceae GNETALES Família Ephedraceae 1 gênero (Ephedra) e cerca de 40 espécies Arbustos muito ramificados, folhas escamiformes e caule fotossintetizante GNETALES Família Ephedraceae Plantas Dióicas Flores masculinas com 1 a 8 microsporângios pedunculados Flores femininas 1 a 3 com brácteas externas GNETALES Família Ephedraceae Maioria das espécies asiáticas, ocorrendo também nas regiões áridas subtropicais da América do Norte e do Sul. GNETALES Família Ephedraceae Efedrina GNETALES Família Welwitschiaceae 1. Uma única espécie (Welwitschia mirabilis) 2. Endêmica dos desertos do sudoeste da África 3. Planta lenhosa com apenas 2 folhas GNETALES Família Welwitschiaceae 1. As folhas persistem por toda a vida da planta (ca. de 100 anos) 2. Folhas com tecido meristemático basal permanente (atingem até 2m de comprimento). GNETALES Reprodução nas GNETALES O ciclo reprodutivo das Gnetales é bem semelhante ao de outras gimnospermas, exceto e principalmente pela ocorrência de dupla fecundação, análoga àquela que ocorre nas Angiospermas, mas sem formação de endosperma. Ao final desta aula os alunos devem estar aptos a dissertar ou resolver questões que envolva: • Importância histórica do estudo dos vegetais; • Principais conceitos em sistemática vegetal. • O histórico da classificação vegetal, incluindo os períodos e sistemas. • Os princípios e as principais regras e recomendações do Código Internacional de Botânica • A teoria de evolução da célula vegetal • A evolução dos atuais grupos de plantas com sementes • As classificações descritivas do principais grupos vegetais • As classificações filogenéticas das embriófitas, enumerando seus ancestrais, descendentes, grupos basais e grupos derivados. • Diferenças entre as ordens viventes das Gymnospermas http://tolweb.org/tree/ Bibliografia básica http://www.mobot.org/MOBOT/research/APweb/ https://www.kew.org/science/tropamerica/neotropikey.htm https://peerj.com/preprints/2320v3/
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