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2 3 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO INSTITUTO DE BIOCIÊNCIAS BOTÂNICA NO INVERNO 2017 Organizadores Laboratório de Algas Marinhas Ana Maria Pereira Barreto Amorim Fábio Nauer da Silva Fabiana Marchi Mariana Sousa Melo Patrícia Guimarães Araújo Laboratório de Anatomia Vegetal Carlos Eduardo Valério Raymundo Josiana Cristina Ribeiro Leyde Nayane Nunes dos Santos Silva Ricardo Silva Batista Vita Laboratório de Fitoquímica Pâmela Tavares da Silva Wilton Ricardo Sala de Carvalho Laboratório de Fisiologia do Desenvolvimento Vegetal Priscila Pires Bittencourt Laboratório de Sistemática e Taxonomia Vegetal Eric Kataoka Professora responsável Profa. Dra. Cláudia Maria Furlan Autores Allyson Eduardo Nardelli Ana Maria Amorim Ana Zangirolame Gonçalves Andressa Cabral Annelise Frazão Antônio Azeredo Coutinho Neto Bruno Michael Brabo Camila Lopes Lira Carlos Eduardo Valério Raymundo Daniele Rosado Eric Yasuo Kataoka Erica Moniz Ferreira da Silva Erick Alves Pereira Lopes Filho Fabiana Marchi Fabio Nauer Fernanda Anselmo Moreira Fernanda Maria Cordeiro de Oliveira Fernanda Mendes de Rezende Gabriela Carvalho Lourenço da Silva Gisele Alves Janaína Pires Santos Jéssica Nayara Carvalho Francisco Josiana Cristina Ribeiro Juan Pablo Narváes-Gomez Juliana Castelo Branco Brasileiro Juliana Lovo Leyde Nayane Nunes dos Santos Luis Carlos Salto Luiz Henrique Martins Fonseca Marco Octávio de O. Pellegrini. Mariana Sousa Melo Mario Celso Machado Yeh Matheus Martins Teixeira Cota Nuno Tavares Martins Pâmela Tavares da Silva Patrícia Guimarães Araújo Pércia Paiva Barbosa Priscila Pires Bittencourt Priscila Primo Andrade Silva Ricardo Ernesto Bianchetti Ricardo Silva Batista Vita Sabrina Gonçalves Raimundo Sara Sangi Miranda Wilton Ricardo Sala de Carvalho Yasmin Vidal Hirao São Paulo 2017 4 VII Botânica no Inverno 2017 / Org. Carlos Eduardo Valério Raymundo [et al.]. – São Paulo: Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo, Departamento de Botânica, 2017. 332 p. : il. ISBN Versão online: 978-85-85658-68-7 Inclui bibliografia 1. Biodiversidade e evolução. 2. Ensino em Botânica. 3 Estrutura e desenvolvimento. 4. Recursos econômicos vegetais. VII Botânica no Inverno 2017. 5 PREFÁCIO Fundado em 1934 pelo professor Felix Kurt Rawitscher, o Departamento de Botânica do Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo atualmente é referência em nível internacional de pesquisa e ensino. Possui uma equipe formada por 28 docentes (3 aposentados), os quais estão distribuídos em 8 áreas de conhecimento. Apresenta como infraestrutura 11 laboratórios, um herbário com a coleção de plantas vasculares, algas e madeiras estimado em 300.000 espécimes e um fitotério, com uma coleção de plantas vivas para uso didático, estufas e casas de vegetação. Somando-se ao grande número de pós-graduando (dentre esses, estrangeiros) e a alta atividade científica dessa comunidade, a Pós-Graduação de Botânica possui conceito CAPES 6, o mais alto entre as botânicas do país. Realizado desde o ano de 2011, o curso de Botânica no Inverno, é uma iniciativa dos pós-graduandos que visa divulgar esse trabalho realizado no Departamento de Botânica, possibilitando o futuro acolhimento de alunos/(potenciais) pesquisadores ao seu corpo discente. Na VII edição, o Curso de Botânica no Inverno pretende, com os alunos de graduação e recém-formados, revisar e atualizar conceitos fundamentais das subáreas Anatomia Vegetal, Educação em Botânica, Ficologia, Fisiologia Vegetal, Fitoquímica, Sistemática e Taxonomia Vegetal, além de proporcionar a experiência de vivenciarem as atividades realizadas em nossos laboratórios, despertando o primeiro interesse dos possíveis futuros acadêmicos em projetos de pesquisa do Departamento. Para a realização do VII Botânica no Inverno, agradecemos à Universidade de São Paulo, à direção do Instituto de Biociências, à chefia do Departamento de Botânica, à Comissão Coordenadora do Programa de Pós-graduação em Botânica, as agências de fomento FAPESP, CAPES e CNPQ. O conteúdo dos capítulos é de responsabilidade dos respectivos autores. Desejamos a todos um bom curso. Comissão Organizadora do VII Botânica no Inverno 6 ÍNDICE PREFÁCIO...................................................................................................................................................5 PARTE I: DIVERSIDADE E EVOLUÇÃO Capítulo 1: Origem do cloroplasto................................................................................................................8 Capítulo 2: Introdução às Macroalgas Marinhas.........................................................................................15 Capítulo 3: Histórico de vida em macroalgas..............................................................................................27 Capítulo 4: Diversidade intraespecífica: modificações da cor do talo em algas vermelhas (Rhodophyta)...............................................................................................................................................39 Capítulo 5: Espécies exóticas de algas marinhas com enfoque em macroalgas invasoras.........................49 Capítulo 6: Mudanças climáticas: os efeitos sobre macroalgas marinhas ..................................................69 Capítulo 7: Ecologia de Costões Rochosos e Metodologias de Amostragem ............................................76 Capítulo 8: Cultivo de Macroalgas Marinhas..............................................................................................93 Capítulo 9: Inferindo a história evolutiva de organismos: dos fundamentos básicos da obtenção dos dados à reconstrução de uma hipótese filogenética.............................................................................................103 Capítulo 10: Sistemática vegetal: histórico, conceitos e o estado atual.....................................................133 PARTE II: ENSINO EM BOTÂNICA Capítulo 11: Formação de professores de botânica: bases teoricas e dificuldades na formação...............154 Capítulo 12: Educação Ambiental e o Projeto Ecossistemas Costeiros....................................................167 Capítulo 13: Ilustrando um pensamento: vetorização gráfica aplicada à botânica...................................181 PARTE III: ESTRUTURA E DESENVOLVIMENTO Capítulo 14: Aspectos gerais do desenvolvimento foliar em angiospermas.............................................194 Capítulo 15: Anatomia floral, esporênese e gametogênese.......................................................................205 Capítulo 16: Anatomia e identificação de madeiras..................................................................................219 Capítulo 17: Estruturas Secretoras Nupciais e de Proteção.......................................................................228 Capítulo 18: Respostas das plantas ao estresse hídrico.............................................................................238 Capítulo 19: Nutrição mineral: avaliandoa escassez nutricional em plantas...........................................247 Capítulo 20: Recursos genéticos vegetais: aplicações do cultivo in vitro.................................................261 Capítulo 21: Da genômica à bioinformática..............................................................................................278 PARTE IV: RECURSOS ECONÔMICOS VEGETAIS Capítulo 22: Vias de síntese de metabólitos secundários em plantas .......................................................288 Capítulo 23: Metabólitos secundários como ferramenta para a sistemática de angiospermas..................307 Capítulo 24: Compostos bioativos em macroalgas ...................................................................................325 7 PARTE I DIVERSIDADE E EVOLUÇÃO 8 CAPÍTULO I Origem e evolução dos organismos fotossintetizantes Fabio Nauer Atualmente a classificação dos seres vivos está dividida em três domínios: duas linhagens distintas de organismos procariontes (Bacteria e Archaea) e uma de organismos eucariotos (Eukarya). Protistas, fungos, plantas e animais são vistos como reinos dentro do domínio Eukarya. As células eucarióticas evoluíram cerca de 1,5 bilhão de anos atrás, depois dos primeiros procariotos e 1 bilhão de anos antes dos primeiros animais. A origem dessa linhagem de organismos eucariotos está relacionada com um dos eventos mais fascinantes que ocorreram na evolução da vida na Terra, a endossimbiose, onde ocorre a transformação de células procarióticas simples em organelas de células eucarióticas com organização complexa. A endossimbiose teve uma profunda influência sobre a diversificação dos eucariotos, teorias afirmam que o processo foi responsável pelo surgimento do sistema de endomembranas e origem do núcleo das células eucarióticas. Em geral, as células dos eucariotos são 10 vezes maiores do que as células dos procariotos e com isso exigem outro nível de compartimentação pra funcionarem efetivamente. Tudo teria começado com o surgimento de uma célula hospedeira procariótica em um fagócito primitivo, uma célula capaz de envolver partículas tão grandes quanto bactérias. Essa célula hospedeira ancestral seria heterótrofa, sem parede, e com uma membrana plasmática flexível capaz de envolver grandes partículas alimentares mediante a formação de invaginações. Teorias propõem que mitocôndrias e cloroplastos sejam descendentes de bactérias que foram capturadas e adotadas por uma célula hospedeira ancestral, onde o fagócito passou a não digerir os percursores bacterianos das mitocôndrias (ou cloroplastos), mas adotá-los estabelecendo uma relação simbiótica. Esse processo de estabelecimento de uma célula dentro da outra, para seus benefícios mútuos, é então chamado de endossimbiose. 9 A transformação de um endossimbionte numa organela em geral envolveu a perda da parede celular do endossimbionte, além de outras estruturas desnecessárias. Ao longo da evolução, o DNA do endossimbionte e muitas de suas funções foram gradualmente sendo transferidas para o núcleo do hospedeiro. Por isso, os genomas das mitocôndrias e dos cloroplastos modernos são pequenos se comparados com o genoma nuclear. Embora a mitocôndria ou o cloroplasto não possa viver fora de uma célula eucariótica, ambos são organelas que se autorreplicam e retiveram muitas das características de seus ancestrais procarióticos. O envoltório mitocondrial é composto por duas membranas e a mitocôndria contêm DNA e maquinário para síntese de proteína, incluindo ribossomos. A aquisição de plastídios através de diversos tipos de endossimbiose possui um importante papel na diversificação dos organismos fotossintetizantes e na origem das plantas terrestres. Estudos atuais indicam que a origem dos cloroplastos está associada com a endossimbiose de uma cianobactéria, por um processo chamado de endossimbiose primária. Endossimbiose primária (Figura 1) se dá quando uma célula procariótica (cianobactéria) é fagocitada por uma célula eucariótica, ao longo do tempo, então essa cianobactéria foi “escravizada” pela célula hospedeira e se tornou uma organela semiautônoma, com seu próprio material genético, capacidade de síntese proteica, mas dependente de proteínas providas pela célula hospedeira e incapaz de viver fora dessa associação. Mitocôndrias e cloroplastos possuem um envelope com duas membranas, sendo que a membrana interna seria resquício da membrana plasmática da célula procariótica fagocitada e a membrana exterior resquício do vacúolo digestivo da célula eucariótica hospedeira. Endossimbiose primária caracteriza a origem do cloroplasto de três linhagens de algas: algas vermelhas, verdes e glaucófitas (Figura 3). O número de vezes que a endossimbiose primária ocorreu é controverso, mas cientistas acreditam que a origem do cloroplasto primário é única e que algas vermelhas, verdes e glaucófitas compartilham de um ancestral comum, agrupados no subgrupo dos Archaeplastida. 10 Figura 1. Representação do processo de endossimbiose primária. Figura 2. Teoria da endossimbiose primária. 11 Endossimbiose secundária (Figura 3) é o processo no qual uma célula eucariótica fotossintetizante é fagocitada por outra célula eucariótica, mas heterótrofa. Essa endossimbiose dá origem a um cloroplasto secundário, composto por três a quatro membranas. Os cloroplastos de Haptófitas, Chlorarachniófitas, euglenoides, estramenópilas e dinoflagelados possuem cloroplastos secundários (Tabela 1). As evidências para essas hipóteses surgem de muitas fontes. Uma é que ambas, mitocôndrias e cloroplastos, estão envoltos por duas membranas, sendo a membrana externa representando a membrana da vesícula fagocítica original, e a membrana interna representando a membrana original do procarioto. Além disso, a bioquímica da membrana externa das mitocôndrias e dos cloroplastos remete aquela da membrana celular de eucariotos, enquanto a interna è semelhante com a membrana celular procariota. Como dito anteriormente, essas organelas também apresentam DNA e ribossomos próprios, que são semelhantes aqueles dos procariotos. Há muitos exemplos de endossimbiontes procarióticos (bacterianos) e eucarióticos em outros protistas, assim como nas células de 150 gêneros animais de invertebrados de água doce e salgada. Endossimbiontes algas, inclusive aqueles que ocorrem nos pólipos de corais que formam recifes, aumentam a produtividade e a sobrevivência do hospedeiro. Grupo Origem do Cloroplasto Glaucófitas Primária Cryptomonadas Secundária (vermelhas) Algas Vermelhas Primária Algas Verdes Primária Euglenóides Secundária (verdes) Chloroarachniófitas Secundária (verdes) Haptófitas Secundária (vermelhas) Dinoflagelados Secundária ou terciária (várias fontes) Apicomplexos Secundária (vermelhas) Estramenópilos Secundária (vermelhas) Tabela 1. Origem do cloroplasto dos organismos fotossintetizantes. 12 Figura 3. Representação do processo de endossimbiose secundária. Referências Charrier, B., Bail, A., Reviers, B. (2012). Plant Proteus: Brown Algal Morphological Plasticity And Underlying Developmental Mechanisms. Trends In Plant Science, August 2012, Vol. 17, No. 8 Graham, L.E.; Graham, J.M. & Wilcox, L.W. (2009). Algae. 2. ed. Pearson Benjamin Cummings, 616 p. Guimarães, S.M.P.B. (1990). Rodofíceas marinhas bentônicas do Estado do Espírito Santo: ordem Cryptonemiales. Tese de Doutorado, Universidade de São Paulo,São Paulo, 275 p. Guiry, M.D. (2011). The seaweed site: information on marine algae (Online). Acesso em 02 de junho de 2012. Knoll, A.H. (2011). The Multiple Origins Of Complex Multicellularity. Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 39:217–39 Lee, R.E. (2008). Phycology. 4ª ed. Cambridge University Press, 547 p. 13 Paula, E.J.; Plastino, E.M.; Oliveira, E.C.; Berchez, F.; Chow, F. & Oliveira, M.C. (2007). Introdução à Biologia das Criptógamas. Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo, Departamento de Botânica, São Paulo, SP, 184 p. Spalding, M.D., Fox, H.E., Allen, G.R., Davidson, N., Ferdaña, Z.Z., Finlayson, M., Halpern, B.S., Jorge, M.A., Lombana, A., Lourie, S.A., Martin, K.D., Mcmanus, E., Molnar, J., Recchia, C.A., Robertson, J. (2007). Marine Ecoregions of the World: A Bioregionalization of Coastal and Shelf Areas. BioScience 57(7): 573-583 14 Anotações: 15 CAPÍTULO II Introdução às Macroalgas Marinhas Fabio Nauer Erick Alves Pereira Lopes Filho O termo alga representa um grupo de organismos classificados em grupos distintos, sem valor taxonômico. Esses organismos apresentam uma grande variação de formas e tamanhos, podendo ser uni ou multicelulares, procariotos ou eucariotos e que utilizam o pigmento clorofila a para realizar a fotossíntese. De modo geral, o corpo dessas algas recebe o nome de talo, e não apresenta diferenciação em raiz, caule ou folhas. Com base em sua coloração, as algas são tipicamente divididas em três grandes grupos: algas vermelhas, verdes e pardas. Com base no tamanho do talo, as algas podem ser diferenciadas em dois grupos: micro e macroalgas. As macroalgas são macroscópicas, multicelulares e habitam ambientes aquáticos marinhos e continentais. As algas vermelhas (filo Rhodophyta) são abundantes em águas tropicais e quentes, porém algumas espécies também podem ser encontradas em regiões mais frias do mundo. Existem, aproximadamente, 6.000 espécies descritas, distribuídas em 680 gêneros. Dentre as características apresentadas pelas algas vermelhas, podemos citar: amido das florídeas como produto de reserva, presença dos polissacarídeos ágar ou carragenana na composição da parede celular, presença em grande quantidade do pigmento acessório ficoeritrina, que mascara a coloração da clorofila a e ausência de centríolos ou flagelos em qualquer fase de seu ciclo de vida (Vide Capítulo 4). As algas verdes (filo Chlorophyta) incluem cerca de 3.500 espécies, distribuídas em uma ampla variedade de habitats, aquáticos, terrestres e inclusive em associações simbióticas com fungos, formando líquens. As algas verdes também apresentam uma grande variação de formas e tamanhos, podendo ser unicelulares flageladas, coloniais, filamentosas e cenocíticas. Algas verdes também possuem íntima relação com briófitas e plantas vasculares, sendo os únicos grupos de organismos fotossintetizantes a possuírem clorofilas a e b e armazenarem amido no interior dos plastos. Outros pigmentos acessórios que estão presentes são luteína e beta-caroteno, não possuindo ficobilinas. As algas pardas (filo Ochrophyta) incluem cerca de 1.500 espécies distribuídas em 250 gêneros, sendo predominantemente marinhos e abundantes em regiões mais 16 frias do globo. Com base no tamanho, as algas pardas podem variar de formas microscópicas à formas macroscópicas de até 60 metros de comprimento, conhecidas como kelps. Grandes kelps podem formar verdadeiras florestas subaquáticas, abrigando diversas espécies de organismos marinhos de importância ecológica e econômica. De modo geral, o talo das kelps pode ser subdivido em uma lâmina fotossintetizante, um estipe altamente especializado e um apressorio de ancoramento. A parede celular das algas pardas possuem três componentes: ácido algínico, celulose e polissacarídeos sulfatados. Além da clorofila a, os cloroplastos dessas algas possuem clorofila c, beta- caroteno, violoxantina e grandes quantidades de fucoxantina, que mascara a coloração da clorofila a e confere as algas pardas sua coloração marrom típica. Tabela 1. Principais características dos três grandes grupos de algas, modificado de Graham & Graham (2009). Característica Rhodophyta Chlorophyta Ochrophyta Clorofilas a a, b a, c1, c2 Ficobilinas b-ficocianina b-ficoeritrina c-ficocianina c-aloficocianina c-ficoeritrina Carotenóides β-caroteno β-caroteno β-caroteno Zeaxantina Luteína Fucoxantina Antheraxantina Violaxantina Violaxantina Luteína Zeaxantina Zeaxantina Substância de Amido das florídeas Amido Laminarina reserva Manitol Parede celular Celulose Celulose Celulose Agar Ácido Algínico Carragenana Flagelos Ausentes Presentes em algumas fases; Presente em gametas e/ou esporos; Cloroplastos Número variável; Número variável; Número variável Ovais, Discóides, reticulados, Estrelados, cilíndricos 17 discóides ou ou estrelados; estrelados, laminares, lenticulados. em forma de fita etc. O talo, o corpo vegetativo simples, das algas, variam em complexidade e forma, tais como: Aspecto de rede: talos cujos filamentos se desenvolvem formando estruturas semelhantes a redes. Ex.: Microdyction; Calcário: talos com presença de carbonato de cálcio. Ex.: Corallina e Halimeda; Cenocíticos: talo onde não há divisão de células, ou talo acelular, onde ocorre um aglomerado de núcleos e cloroplastos. Ex.: Codium e Caulerpa. Cilíndricos: talos de forma cilíndrica, com medula e córtex diferenciados. Ex.: Gracilaria e Gelidium; Crostosos: talos com aspecto de crosta, que recobre o substrato. Ex.: Hildenbrandia e Ralfsia; Filamentosos: talos compostos por uma única fileira de células. Ex.: Chaetomorpha e Feldmannia; Filamentosos corticados: talos filamentosos que apresentam córtex diferenciado. Ex.: Ceramium e Centroceras. Foliáceos laminares: constituídos por algumas camadas de células, não há divisão em córtex e medula medula nem córtex. Ex.: Ulva e Porphyra; Foliáceos corticados: apresentam medula e córtex diferenciados. Ex.: Canistrocarpus e Padina; Globosos: talos de formato esférico. Ex.: Ventricaria e Valonia; As macroalgas habitam as zonas costeiras rochosas tanto em ambientes tropicais quanto temperados, e são os principais componentes das comunidades de meso e infralitoral de costões rochosos, manguezais, atóis, bancos arenosos, bancos de rodolitos, bancos de fanerógamas, recifes de coral, recifes de arenito, estuários e 18 substratos artificiais. Na região do mesolitoral, as algas são expostas a diversos fatores que influenciam sua distribuição e sobrevivência, esses fatores, por sua vez, podem ser divididos em fatores abióticos e fatores bióticos. Fatores abióticos são fatores ausentes da presença de seres vivos, mas influenciados pelas propriedades físicas e químicas da biosfera (fatores ambientais). Para as algas marinhas, o fator abiótico mais importante é a variação da maré, bem como a irradiância, a temperatura, o hidrodinamismo e a dessecação. Dessecação: perda de líquidos devido à prolongada exposição ao ar durante a baixa maré; Hidrodinamismo: ação das ondas e o movimento da água; Irradiância: por serem fotossintetizantes, a ocorrência e distribuição das algas está diretamente relacionada com a distribuição de luz; Temperatura: influenciadiretamente no metabolismo das algas, como a fotossíntese e a respiração. Fatores bióticos são fatores ocasionados pela presença de seres vivos ou suas relações. Entre as relações que existem entre os organismos que vivem ou visitam a região do mesolitoral, podemos citar a competição, a herbivoria e as interações simbióticas. Competição: resultado da escassez de algum recurso, como espaço para fixação e crescimento; Herbivoria: por serem organismos sésseis, as algas desenvolveram outras formas de evitar a predação, como viver em locais de maior estresse nas partes superiores de costões rochosos, por exemplo; Interações simbióticas: espécies podem apresentar relações ecológicas como o comensalismo, o mutualismo e o parasitismo. 19 Figuras 1-8: Exemplos de Algas Verdes. Figura 1. Ulva rigida, aspecto geral do talo foliáceo. Figura 2. Detalhe do talo formado por duas camadas de células. Figura 3. Chaetomorpha antennina, aspecto geral do talo filamentoso. Figura 4. Detalhe dos filamentos unisseriados, não ramificados. Figura 5. Caulerpa sertularioides, aspecto geral do talo cenocítico. Figura 6. Detalhe do talo cenocítico, sem divisão de células. Figura 7. Halimeda sp., aspecto geral do talo, evidenciando as porções calcificadas da planta. Figura 8. Detalhe da região de ligação não calcificada das porções articuladas do talo. 1 2 3 4 5 6 7 8 20 Figuras 9-16: Exemplos de Algas Pardas. Figura 9. Padina gymnospora, aspecto geral do talo foliáceo cortiçado, em forma de ventarola. Figura 10. Corte transversal do talo. Figura 11. Spatoglossum schroederi, aspecto geral do talo. Figura 12. Corte transversal do talo, mostrando as células do córtex pigmentadas e as células da medula incolores. Figura 13. Canistrocarpus cervicornis, aspecto geral do talo. Figura 14. Detalhe da ramificação dicotômica do talo. Figura 15. Feldmannia indica, aspecto geral do talo filamentoso. Figura 16. Detalhe do filamento unisseriado, evidenciado os cloroplastos estrelados. 16 15 14 13 12 11 10 9 21 17 18 19 20 1 21 22 23 24 Figuras 17-24: Exemplos de Algas Vermelhas. Figura 17. Vidalia obtusiloba, aspecto geral do talo achatado. Figura 18. Corte transversal do talo, evidenciando o córtex pigmentado e a medula incolor. Figura 19. Ceramium flaccidum, aspecto geral do talo filamentoso. Figura 20. Detalhe dos filamentos, com o córtex formando-se nas regiões dos nós do talo. Figura 21. Gracilaria caudata, aspecto geral do talo cilindrico. Figura 22. Corte transversal do talo, evidenciando o córtex pigmentado e a medula incolor. Figura 23. Corallina officinalis, aspecto geral do calcário articulado. Figura 24. Detalhe das porções do talo com depósito de carbonato de cálcio (intergenículos) e porções de sem depósito (genículos). 22 Assim como as plantas terrestres, as algas possuem grande importância ecológica por serem organismos fotossintetizantes. Além disso, são fontes de alimentos para diversos animais aquáticos, como crustáceos, peixes e tartarugas. Algumas algas ainda servem de hábitat para espécies de animais que utilizam a estrutura do talo, ou mesmo o próprio banco de algas, como locais de abrigo e reprodução. Algas também são largamente utilizadas em diversas atividades humanas. Em muitos países, principalmente no Oriente, as algas fazem parte da alimentação diária. São fontes de proteínas, vitaminas e sais minerais. Dentre as mais conhecidas, destaca- se o nori, utilizado pelos japoneses no preparo do sushi. Além disso, o ágar, os alginatos e os carragenanos presentes na parede celular das algas são largamente utilizados na indústria, nas áreas de biologia molecular e biotecnologia, bem como na fabricação de alimentos, bebidas e cosméticos (Vide Capítulo 24). E por fim, pesquisas vêm sendo realizadas para analisar a eficácia das algas no tratamento de diversas doenças, tais como asma, bronquite, verminoses, artrite e hipertensão. Referências Graham, L.E.; Graham, J.M. & Wilcox, L.W. 2009 Algae. 2. ed. Pearson Benjamin Cummings, 616 p. Guimarães, S.M.P.B. 1990 Rodofíceas marinhas bentônicas do Estado do Espírito Santo: ordem Cryptonemiales. Tese de Doutorado, Universidade de São Paulo, São Paulo, 275 p. Guiry, M.D. 2011 The seaweed site: information on marine algae (Online). Acesso em 02 de junho de 2012. Lee, R.E. 2008 Phycology. 4ª ed. Cambridge University Press, 547 p. Paula, E.J.; Plastino, E.M.; Oliveira, E.C.; Berchez, F.; Chow, F. & Oliveira, M.C. 2007 Introdução à Biologia das Criptógamas. Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo, Departamento de Botânica, São Paulo, SP, 184 p. Pedrini, 2010 Pedrini, A.G. (Org.) 2010 Macroalgas – Uma Introdução à Taxonomia. Série Flora Marinha do Brasil, vol 1, 1ª ed. Technical Books Editora, Rio de Janeiro, Rio de Janeiro. Santelices, B.; Bolton, J.J. & Meneses, I. 2009 Marine Algal Communities. In : Witman, J.D. & Roy, K. (Eds). Marine Macroecology. Chicago: The University of Chicago Press, p. 153-192. 23 Anotações: 24 Histórico de vida em macroalgas Mario Celso Machado Yeh 1- Renovação da vida Os elementos abióticos presentes na natureza se renovam ciclicamente, tais como a água, o carbono e o enxofre. Para os seres vivos não é diferente: as características contidas no genoma de um organismo são transmitidas de geração para geração. Este processo não consiste apenas na divisão de células e na reprodução dos organismos, mas também nos processos capazes de transmitir as informações contidas em um indivíduo para as gerações seguintes. 2- Históricos de vida O conjunto dos eventos de desenvolvimento e reprodução que são contemplados durante a vida de um indivíduo, população ou espécie é conhecido como histórico de vida. Ciclo de vida é o termo mais conhecido quando nos referimos ao conjunto destes processos, entretanto é conveniente salientar que histórico pode ser um termo mais apropriado, pois nem sempre é possível a observação de um ciclo completo. Os processos de meiose e fecundação são essenciais para compreensão dos históricos de vida. As algas se reproduzem por uma variedade de métodos, assexuadamente e sexuadamente. Enquanto a reprodução sexuada envolve fusão de gametas, cariogamia e meiose, esses processos não ocorrem na reprodução assexuada. Alguns organismos podem se reproduzir exclusivamente de maneira assexuada, entretanto a maioria das algas se reproduz de maneira sexuada e assexuada. A reprodução assexuada permite crescimento populacional rápido em condições favoráveis, uma vez que não existe o custo energético associado a produção de gametas e a necessidade de se encontrar parceiros. Em contraste, a reprodução sexuada pode conferir como vantagem o aumento da variabilidade genética de uma população, fomentando a habilidade de resposta a mudanças ambientais por processos evolutivos. Além disso, muitas algas que realizam reprodução sexuada possuem mecanismos de resistência no histórico de vida, que podem permitir a sobrevivência em condições desfavoráveis ao crescimento. CAPITULO III 25 Os históricos de vida são classificados de acordo com o número de gerações (fases) e a ploidia dessas fases. Os históricos de vida haplobiontes apresentam apenas uma geração duradoura. Nesse caso, os organismos podem ser haplóides (n) ou diplóides (2n), dependendo da espécie. O histórico de vida diplobionte apresenta duas gerações duradouras distintas, uma diplóide e outra haplóide.3- Reprodução assexuada Muitas espécies de algas que podem se reproduzir assexuadamente, o fazem por esporulação. A partir do citoplasma de uma célula, uma ou mais células reprodutivas são produzidas, e estas são capazes de originar novos indivíduos uni ou pluricelulares. Estas células reprodutivas (esporos) diferem em mobilidade e capacidade de produzir flagelos, ainda que sejam capazes de serem dispersadas além da célula parental: Zoósporos: possuem flagelos que os conferem mobilidade em ambientes aquáticos. Aplanósporos: Não possuem flagelos. Outras mecanismos de reprodução assexuada ou vegetativa são também encontrados em algas. Espécies coloniais de forma e número de células definido são capazes de se reproduzir por autocolonização, onde cada célula da colônia se divide e dá origem a uma versão miniaturizada do organismo. Algas filamentosas ou parenquimatosas podem se reproduzir assexuadamente por fragmentação do talo. Acinetos são estruturas especiais de resistência de cianobactérias, que podem se formar quando as condições do meio em que se encontram não são favoráveis à reprodução vegetativa. 4- Reprodução sexuada A reprodução sexual é encontrada na maioria das linhagens de algas. Ainda que as cianobactérias (algas azuis) apresente alguns mecanismos de troca de genes, muitos dos processos típicos da reprodução das linhagens eucarióticas estão ausentes. A reprodução sexuada em eucariotos envolve a produção de gametas, a fusão de gametas e a meiose. Os gametas são haploides e têm como função principal a fecundação. Os indivíduos que, os produzem são denominados de gametófitos, e as estruturas onde são diferenciados são chamadas gametângios. Os gametas produzidos podem ser mais ou menos diferenciados entre si: 26 Isogamia: os gametas são estruturalmente semelhantes, entretanto podem ser distintos bioquimicamente. Os símbolos + ou – podem ser atribuídos para cada um dos gametas. Heterogamia - anisogamia: os gametas são diferentes em tamanho. O feminino é ligeiramente maior que o masculino e ambos podem apresentar mobilidade. Heterogamia - oogamia: um gameta masculino (flagelado ou aflagelado) e um gameta feminino maior e imóvel. Tabela 1. Ilustrações representando gametas encontrados em alguns dos históricos de vida presentes em macroalgas. Três principais históricos de vida são contemplados na reprodução sexual das algas: Haplobionte diplonte (meiose gamética): os gametas masculinos e femininos são haploides, enquanto o estádio vegetativo é diploide. Os gametas se fundem para formar um zigoto, que por diversas divisões mitóticas forma um corpo multicelular diploide. A possibilidade de mascarar mutações deletérias é uma das possíveis vantagens do histórico de vida em que a fase diploide é a dominante. A geração dominante carrega também duas vezes as mutações benéficas. Entretanto, o genoma da fase diploide, pode mascarar mutações benéficas, o que pode comprometer a eficácia de resposta a mudanças ambientais. 27 Figura 1. Histórico de vida incluindo meiose gamética. As fases representadas no fundo rosa são haploides (n), enquanto as fases representadas no fundo azul são diploides (2n). Células reprodutivas no estádio vegetativo dão origem a gametas femininos ou masculinos, haploides. Estes se fundem na fecundação e formam o zigoto (diploide) que por sucessivas divisões mitóticas dá origem ao estádio vegetativo duradouro. Modificado de Graham et al., 2009 Haplobionte haplonte (meiose zigótica): apenas as células zigóticas são diploides, e a fase vegetativa é, portanto, haploide. Durante a meiose do zigoto, genes relacionados à reprodução dão origem a dois tipos de fases vegetativas, um positivo e um negativo. Estas por sua vez dão origem a gametas + e – (também referidos por x e y) que formarão o zigoto. A expressão do tipo (+ ou −) é controlada pelo ambiente. No histórico de vida em que a fase haploide é a dominante, mutações deletérias tendem a sumir nas populações, enquanto as benéficas respondem de maneira mais eficiente às mudanças do ambiente. 28 Figura 2. Histórico de vida incluindo meiose zigótica. As fases representadas no fundo rosa são haploides (n), enquanto as fases representadas no fundo azul são diploides (2n). O zigoto (diploide) dá origem a gametas + ou – , que originam fases vegetativas + ou –, respectivamente. A geração dominante, + ou –, dará origem a gametas + ou –, respectivamente, que se fundem, originando o zigoto, fechando o histórico. Modificado de Graham et al., 2009 Diplobionte (meiose espórica): o histórico de vida que contempla a meiose espórica é conhecido pela alternância de gerações. Essa característica evoluiu independemente em várias linhagens de algas e no ancestral comum das plantas terrestres. Este histórico contempla duas fases multicelulares: os gametófitos (haploides) e os esporófitos (diploides). Os gametófitos, em condições favoráveis, produzem gametas que quando fundidos formam um zigoto, diploide. Este zigoto sofre divisões mitóticas e origina o esporófito, multicelular. Nessa geração, ocorre a produção de esporângios, nos quais ocorre a meiose, Após a liberação, esses esporos podem germinar e dar origem aos gametófitos, restaurando o ciclo. A alternância de gerações pode ser dividida em duas categorias, baseadas nas diferenças morfológicas entre as fases gametofíticas e esporofíticas: o Alternância de gerações isomórfica: os estádios gametofíticos e esporofíticos são morfologicamente semelhantes. o Alternância de gerações heteromórfica: os estádios gametofíticos e esporofíticos são morfologicamente diferentes. No passado, diferentes estádios do histórico de vida de uma mesma espécie já foram 29 classificados como espécies ou gêneros distintos. Atualmente, o cultivo em laboratório e testes de biologia molecular, por exemplo, permitem entender melhor a alternância de gerações heteromórfica. Figura 3. Histórico de vida incluindo meiose espórica e alternância de gerações. As fases representadas no fundo rosa são haploides (n), enquanto as fases representadas no fundo azul são diploides (2n). O zigoto (diploide) dá origem a um esporófito. Células reprodutivas do esporófito, por meiose, dão origem à gametas + ou –. Estes dão origem a gametófitos + ou –, respectivamente. Os gametófitos + ou – dão origem a gametas + ou –, respectivamente que se fundem dando origem ao zigoto, fechando o histórico. Modificado de Graham et al., 2009 5- Exemplos de ciclos em algas multicelulares Na natureza nem sempre o que está contemplado no histórico de vida acontecerá com os indivíduos de forma cíclica, seguindo as setas propostas em um esquema simplificado. Muitas vezes mais um modo de reprodução poderá ocorrer: algas que são capazes de se reproduzir sexuadamente, também podem se reproduzir por fragmentação, por exemplo. Para contextualização, abaixo temos alguns exemplos de históricos de vida dos principais grupos de algas verdes, pardas e vermelhas, todos multicelulares: 5.1 - Algas verdes Neste grupo ocorrem reprodução vegetativa, espórica e gamética. A reprodução vegetativa ocorre por divisão celular simples ou fragmentação e também podem se reproduzir pela formação de esporos. O histórico de vida pode ser do tipo haplobionte 30 diplonte, haplobionte haplonte ou diplobionte com gerações isomórficas ou heteromóficas: Spirogyra sp. Esta é uma alga comum em lagos e poças temporárias, que apresenta o citoplasma espiralado. Uma das maneiras pelas quais Sporogyra sp. pode se reproduzir envolve um tubo de conjugação (conjugaçãolateral). Figura 4. Histórico de vida simplificado de Spirogyra sp. As gerações ou estádios que caracterizam este ciclo de vida estão em negrito; haploides em vermelho e diploides em azul As gerações duradouras apresentam suas respectivas ploidias entre parênteses. Modificado de Lee (1989) Ulva sp. Também conhecida como alface do mar, esta alga apresenta alternância de gerações onde os estádios adultos são isomórficos 31 Figura 5. Histórico de vida simplificado de Ulva sp. As gerações que caracterizam este ciclo de vida estão em negrito; haploides em vermelho e diploides em azul. Modificado de Raven et al. (2007) 5.2 - Algas pardas Neste grupo é possível observar reprodução do tipo vegetativa, espórica e gamética. As algas pardas possuem uma nomenclatura específica para as células reprodutivas: Órgão plurilocular: produz células por mitose. As células produzidas por esta estrutura apresentam mobilidade. É possível observar o aparecimento do órgão plurilocular tanto no gametófito quanto no esporófito. No gametófito (n), o órgão funciona como um gametângio, produzindo gametas (que podem se desenvolver por partenogênese também). No esporófito (2n), o órgão funciona como um esporângio, produzindo esporos. Órgão unilocular: produz células por meiose e ocorre apenas no esporófito. É uma célula grande e esférica que após a meiose forma esporos em múltiplos de quatro. Fucus sp. É um gênero de algas pardas de distribuição cosmopolita. O histórico de vida apresenta reprodução sexuada com meiose gamética que se assemelha à encontrada nos seres humanos. 32 Figura 6. Histórico de vida simplificado de Fucus sp. As gerações que caracterizam este ciclo de vida estão em negrito; haploides em vermelho e diploides em azul. Modificado de Graham et al. (2009) Ectocarpus sp. É um gênero de alga filamentosa que tem sido utilizada como modelo de estudos para a genômica. Os esporângios pluricelulares deste órgão permitem restaurar a geração esporofítica. Figura 7. Hisórico de vida simplificado de Ectocarpus sp. As gerações que caracterizam este ciclo de vida estão em negrito; haploides em vermelho e diploides em azul. Modificado de Graham et al. (2009) 33 5.3 - Algas vermelhas Apresentam reprodução vegetativa, espórica e gamética. Enquanto a reprodução vegetativa ocorre através da fragmentação do talo, a reprodução sexuada envolve a formação de esporos. Os esporos formados pela meiose são sempre em número de 4, de onde deriva o nome tetrasporângio. Os esporos produzidos dentro dos tetrasporângios são chamados de tetrásporos e se desenvolvem em três arranjos distintos: cruciados, zonados ou tetraédricos O gameta masculino não apresenta flagelos e é denominado de espermácio, enquanto o feminino é denominado de carpogônio. Gracilaria sp. Neste gênero o histórico de vida é trifásico, com duas fases diploides e uma haploide. As três fases contempladas nesse histórico de vida são a gametofítica (n), a carposporofítica (2n) e tetrasporofítica (2n). A alternância de gerações encontrada é do tipo isomórfica: o tetrasporófito e o gametófito são semelhantes. A geração carposporofítica é parasita do gametófito feminino. Os espermácios produzidos pelo gametófito masculino são carregados pela água até as estruturas de reprodução dos gametófitos femininos, os carpogônios. A fusão destes gametas forma a geração carposporofítica, no talo do gametófito feminino. Esta geração é protegida por uma série de camada de células do gametófito feminino. O conjunto formado pelas células do gametófito feminino e o carposporófito é chamado de cistocarpo. Os esporos produzidos pelo carposporófito são chamados de carpósporos (2n) e dão origem a geração tetrasporofítica, também diploide. Os tetrasporófitos adultos dão origem a tetrásporos (n), por meiose, que restauram a geração gametofítica (n). 34 Figura 8. Histórico de vida trifásico de Gracilaria sp. As gerações que caracterizam este ciclo de vida estão em negrito; haploides em vermelho e diploides em azul ou roxo. Note o carposporófito, diploide, característica das Rhodophytas. Modificado de Graham et al. (2009) 6- Referências Graham, L.E.; Lee, W.W.; Graham, J. (2009). Algae. 2. Ed. Pearson Education Inc., San Francisco. Lee, R.E. (1989). Phycology. 2. Ed. Cambridge University Press, Cambridge. Paula, E.J.; Plastino, E.M.; Oliveira, E.C.; Berchez, F.; Chow, F.; Oliveira, M. C. (2007). Introdução à biologia das criptógamas. São Paulo : Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo, Departamento de Botânica. Raven, P. H., Evert, R. F. & Eichhorn, S. E. (2007). Biologia Vegetal. 7. Ed. Guanabara Koogan, Rio de Janeiro. Santos, D. Y. A. C., Chow, F. & Furlan, C. M. (2012). A botânica no cotidiano. 1. Ed. Holos Editora, Ribeirão Preto. 35 Anotações: 36 Diversidade intraespecífica: modificações da cor do talo em algas vermelhas (Rhodophyta) Fabiana Marchi As algas vermelhas partilham entre si uma série de características, como por exemplo: células eucarióticas, ausência de flagelos, amido das florídeas armazenado no citoplasma, tilacóides livres no cloroplasto, ficocolóides (agar ou carragenana) presentes na perede celular, ficobiliproteínas (ficoeritrina, ficocianina e aloficocianina) dispostas em agregados chamados ficobilissomos, localizados nas membranas dos tilacoides, associados ao fotossistema II. As ficobiliproteínas são pigmentos solúveis em água, de coloração azul ou vermelha que possuem um cromóforo (ficobilina) e uma parte proteica, tais pigmentos marcaram a presença da clorofila a, proporcionando colorações azuladas ou avermelhadas as algas. A clorofila a é considerada o principal pigmento fotossintetizante, e os carotenoides juntamente com as ficobiliproteínas funcionam como pigmentos acessórios capazes de ampliar o espectro de absorção da energia luminosa em comprimentos de onda em que a absorção da clorofila a é baixa. O histórico de vida na maioria das espécies é constituído por três fases, caracterizado por uma alternância de fases haploide (gametofítica) e diploide (tetrasporofitica e carposporofítica). O gametófito é dióico e isomórfico ao tetrasporófito, ambos são de vida livre, enquanto que o carposporófíto é microscópico e parasita do gametófito feminino (Figura 1). O gametófito masculino libera na coluna d’ água numerosos espermácios (gametas masculinos não flagelados) produzidos nos espermatângios. Esses são conduzidos pela coluna d’água até o gametófito feminino, aderindo-se a tricogine, que é uma porção alongada do carpogônio (gameta feminino) projetada para o meio. Após a fertilização, o zigoto resultante passa por sucessivas divisões mitóticas, que dão origem a uma nova fase do histórico de vida, o carposporófito (2n), que se desenvolve superficialmente ao talo do gametófito feminino. Esse é protegido por células do próprio gametófito, chamada pericarpo, formando uma estrutura denominada de cistocarpo. Nas porções apicais do carposporófito são produzidos espóros diploides, denominados de carpósporos, e após a sua liberação e germinação dão origem aos tetrasporófitos (2n). Nesses desenvolvem-se tetrasporângios que por meio de meiose dão origem a espóros haploides, em número de quatro, CAPÍTULO IV 37 denominados de tetrásporos. Após serem liberados na coluna d’água, esses tetrásporos germiname originam os gametófitos (n) (vide Capítulo 3). Figura 1. Esquema representativo de um historico de vida trifásico de Gracilaria sp. As algas vermelhas possuem muitos representantes de importância econômica tendo em vista a presença de ficocoloides como ágar e carragenana na parede celular. Estes ficocoloides são de muita valia para a indústria alimentícia, têxtil e biotecnológica, pois possuem propriedades estabilizante, emulsificante e gelificante. No Brasil, a exploração dos recursos naturais para a exploração de ágar teve início na década de 60, no entanto, as populações naturais exploradas se mostraram insuficientes para atender as demandas comerciais. Sendo assim, foi possível a observação de um declínio populacional, resultante da super-exploração. A decisão de como preservar ou manejar uma espécie depende, dentre outros aspectos, do conhecimento da diversidade intraespecífica (vide Capítulo 8). A diversidade intraespecífica pode ser caracterizada por alterações fenotípicas dentro de uma mesma espécie (plasticidade fenotípica), que por sua vez pode ter diferentes expressões dependendo do ambiente onde a população ou o indivíduo ocorra. Essa plasticidade fenotípica pode ser decorrente de processos de aclimatação e adaptação. Processos de aclimatação correspondem a diferentes expressões de ajustamento ao ambiente que um organismo pode sofrer dentro dos limites do seu 38 genótipo, proporcionando plasticidade fenotípica. Já os processos adaptativos correspondem à expressão de ajustamento ao ambiente decorrente de alteração no genótipo. Em algas vermelhas é muito comum à ocorrência de variações cromáticas intraespecíficas, a coloração pode variar de vermelho escuro até esverdeada, passando pelos tons vináceos, rosados, alaranjados e amarelados. Esse fenômeno é muitas vezes decorrente da capacidade de aclimatação do organismo frente a diferentes fatores ambientais, promovendo um rearranjo e/ou alterações nas concentrações dos pigmentos em quantidades variáveis, possibilitando dessa forma, numerosas combinações de cores. Os processos de adaptação decorrentes de alterações no genótipo também podem ser responsáveis pela variação cromática intraespecífica. Em campo é possível obter indícios para diferenciação entre os dois processos, como por exemplo, quando indivíduos de colorações distintas pertencentes a uma mesma espécie crescem em locais diferentes, sendo por exemplo, um sombreado e outro iluminado. Nessa situação, a coloração distinta poderia ser apenas uma resposta às condições ambientais e representam um indicativo de processo aclimatativo. No entanto, a ocorrência de algas com colorações distintas crescendo lado a lado na natureza é um indicativo da existência de variantes pigmentares genotípicas, especialmente se as condições do local forem muito homogêneas. De qualquer forma, em ambas situações, é necessário levar essas algas para um laboratório e mante-las sob condições controladas e semelhantes, a fim de verificar a estabilidade do carácter cor. Caso as algas sofram modificações na coloração do talo após algumas semanas de cultivo em laboratório, e adquiram colorações semelhantes, o resultado será interpretado como uma consequência da aclimatação às condições de laboratório, e as diferentes colorações em campo seriam resultantes de um processo de aclimatação as condições ambientais. Caso as diferentes colorações sejam mantidas, mesmo após um longo período de cultivo, se interpretará a cor como uma característica determinada geneticamente (Figura 2). 39 Figura 2. Ápices em estado vegetativo de gametófitos femininos de coloração vermelha (a esquerda) e de coloração marrom-esverdeada (a direita) de Gracilaria caudata cultivados in vivo, sob condições semelhantes. O modo como o caracter cor é transmitido pode ser conhecido por meio do acompanhamento de sua herança em condições de laboratório. No entanto, a herança de cor somente poderá ser estudada quando houver um conhecimento prévio do histórico de vida da espécie selecionada. Em algas vermelhas a segregação genética ocorre geralmente na fase gametofítica (haploide), em que mutações recessivas não são mascaradas por alelos dominantes, assim simplificam a análise genética. Entretanto, para tetrasporófitos (diploides), é necessário induzir a fertilidade e somente após a liberação de espóros e formação dos gametófitos, é possível realizar testes de cruzamentos adicionais para determinar se um indivíduo em particular apresenta genes dominantes ou carrega mutações recessivas. Os estudos de herança de cor em uma espécie são iniciados a partir da seleção de indivíduos femininos e masculinos das diferentes colorações. Essas algas podem ser obtidas do campo com posterior isolamento unialgáceo ou a partir do cultivo de esporos provenientes de algas de diferentes colorações coletadas do ambiente. O experimento consiste na manutenção de ápices femininos: i) cultivados isoladamente, para assegurar a ausência de partenogênese ou hermafroditismo; ii) cultivados em conjunto com ápices masculinos de mesma coloração, e iii) cultivados em conjunto com ápices masculinos de coloração diferente. Esse experimento deverá ser realizado respeitando um número mínimo de repetições para cada cruzamento (Figura 3). 40 Figura 3. Esquema básico para ensaios de cruzamento entre variantes de cor de uma mesma espécie, utilizando indivíduos dioicos. vm = vermelho, me = marrom-esverdeado. O padrão de herança de cor varia de acordo com a espécie ou de acordo com as linhagens dentro de uma mesma espécie. Na maioria dos casos, as variantes de cor naturais (obtidas em campo ou espontaneamente em laboratório) apresentam uma herança nuclear recessiva (mendeliana), sendo o fenótipo selvagem dominante, ou herança citoplasmática (materna) em que a coloração variante só é passada aos descendesntes quando o gametófito feminino possui o fenótipo alterado. No Brasil, o estudo de variantes cor naturais tem sido realizado principalmente nas espécies pertencentes ao gênero Gracilaria. Dentre essas destacam-se G. birdiae e G. dominguensis, que são espécies exploradas no nordeste do país como fonte de ágar. A caracterização genética das variantes indicou que G. birdiae apresenta herança nuclear recessiva para os fenótipos marrom esverdeado e verde claro, e herança citoplasmática para o fenótipo verde. Gracilaria dominguensis apresenta herança nuclear codominante para o fenótipo verde, que quando em heterozigose com o fenótipo selvagem (vermelho) expressa o fenótipo marrom (Figura 4). 41 Figura 4. Esquema representativo de cruzamentos com herança nuclear (dominante, recessiva e codominante) e herança citoplasmática. É importante salientar que variantes de cor também podem ser induzidas em laboratório com o auxílio de agentes mutagênicos, podendo ser estáveis ou não, quando estáveis a sua herança também pode ser estudada. A indução de variantes de cor tem sido realizada tendo em vista o potencial que essas, assim como variantes naturais, podem ter em estudos genéticos funcionando como marcadores visuais por apresentarem um fenótipo facilmente detectável. E dessa forma, os padrões de herdabilidade dos fenótipos alterados podem possibilitar o rastreamento da transmissão de gens nucleares e/ou organelares. Alguns autores, com auxílio de variantes de cor das mais diferentes espécies puderam realizar a distinção entre processos de autofecundação e fecundação cruzadas em espécies monóicas (Gelidium sp.), distinção entre processos 42 sexuados e assexuados (Gracilaria tikvahie), elucidar aspectos desconhecidosno histórico de vida de algumas algas, como por exemplo: i, inexistência de gametófitos femininos em Palmaria palmata; ii, identificação da germinação de tetrásporos in situ ou sobre o tetrasporófito parental e iii, falhas durante a citocinese de tetrasporângios como observado para Gracilaria sp. O estudo de variantes de cor evidenciou que essas podem apresentar desempenho fisiológico distinto das algas com fenótipo selvagem. Na maioria dos estudos vem sendo observado um desempenho superior quanto ao crescimento por parte das algas selvagens, em contrapartida, variantes pigmentares têm apresentado um desempenho fotossintetizante ligeiramente superior. Essas divergências fisiológicas podem trazer benefícios para a espécie em ambiente natural e contribuir para a seleção de linhagens mais adequadas à maricultura. Com relação aos pigmentos, variantes de cor apresentam conteúdo pigementar diferente às algas da mesma espécie com fenótipo selvagem, como por exemplo, em Gracilaria caudata a variante natural marrom- esverdeada possui maiores quantidades do pigmento aloficianina. Tal pigmento possui aplicações biotecnológicas, e pode ser utilizado como marcador fluorescente em estudos que utilizam citometria de fluxo. Dessa forma, o conhecimento da composição pigmentar é fundamental em estudos de variantes pigmentares, pois permite caracterizar quantitativa e qualitativamente esses compostos que denotam as diferentes colorações. A quantificação desses pigmentos possibilita a determinação das extensões das colorações alcançadas por cada tipo de variante. Essa diversidade pigmentar, entre outros aspectos, confere à espécie diferentes estratégias de captação e aproveitamento da energia luminosa, bem como representa uma vantagem para a espécie na ocupação de ambientes onde a radiação é qualitativa e quantitativamente heterogênea, como a região do entre-marés. Portanto, se faz necessário uma melhor compreensão das causas que levam plasticidade fenotípica em uma espécie. Tais esclarecimentos podem evidenciar uma diversidade ainda não estimada, chamando atenção para a sua preservação. Além disso, o estudo da diversidade intraespecífica fornece subsideos para a compreensão de como ocorre a manutenção de uma determinada espécie na natureza. Referências Câmara-Neto (1987). Seaweed culture in Rio Grande do Norte, Brazil. Hydrobiologia 151/152: 363– 367. 43 Carneiro M.A.A.; Marinho-Soriano E.; Plastino. E.M. (2011). Phenology of an agarophyte Gracilaria birdiae Plastino and E.C. Oliveira (Gracilariales, Rhodophyta) in Northeastern Brazil. 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Canadian Journal of Botany 58: 1250-1256 Woelkerling W.J. (1990). An introduction (Cole, K. M., Sheath, R. G., Eds), Biology of the red algae. Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK, 1-6. 45 Anotações: 46 Espécies exóticas de algas marinhas com enfoque em macroalgas invasoras Fabio Nauer Erick Alves Pereira Lopes Filho 1- O que são espécies exóticas? As espécies exóticas são uma das principais ameaças à biodiversidade marinha, após a destruição de habitat e a poluição. Estimativas indicam que cerca de 7.000 espécies marinhas são transportadas por hora, mas, infelizmente, as pesquisas estão ainda bastante aquém. A maioria dos trabalhos sobre espécies exóticas são da América do Norte, Europa Ocidental e Austrália, permanecendo outras regiões, como a do Atlântico sudoeste, mal estudadas quanto à sua biota, por razões que variam desde sua pouca documentação até a inadequação taxonômica de diversos grupos, gerandogrande incerteza quanto às invasões biológicas. Espécies invasoras marinhas foram registradas para pelo menos 84% das 232 eco- regiões marinhas do mundo. Mead et al (2011) em sua revisão para a África do Sul, contabilizaram 86 espécies introduzidas e 39 criptogênicas. Além disso, observaram que a proporção de espécies exóticas era muito maior na costa sudoeste em comparação com as outras regiões costeiras do país e, sobretudo, eram provenientes principalmente do hemisfério norte (65%). Na Argentina, Schwindt et al. (2014) amostraram seis dos dez principais portos do país e constataram a presença de 32 táxons não-indígenas (exóticos e criptogênicos), incluindo dez macroalgas. A introdução e a invasão de macroalgas marinhas têm sido relatadas em todos os oceanos nas últimas décadas, como Codium fragile ssp. fragile (Suringar) Hariot, Caulerpa taxifolia (M. Vahl) C. Agardh, Fucus serratus Linnaeus, Sargassum muticum (Yendo) Fensholt, Schizymenia dubyi (Chauvin ex Duby) J. Agardh e Undaria pinnatifida (Harvey) Suringar. Williams & Smith (2007) compilaram 277 espécies de macroalgas marinhas introduzidas em todo o mundo. No caso das algas (exceto as ocorrências óbvias de algas não características de uma determinada região), as introduções podem ser de natureza críptica, principalmente em grupos de dificil identificação apenas por sua morfologia. Como consequência, a introdução de espécies exóticas pode ser negligenciada por décadas, especialmente quando (i) um grupo não foi formalmente revisto ou (ii) um extenso litoral como o CAPÍTULO V 47 Brasil possui trabalhos de levantamentos bastante recentes. É importante salientar que, apesar recente conhecimento da biota da costa brasileiramesmo, é registrado até o momento cerca de 1247 algas, sendo 809 macroalgas marinhas. Além do trabalho de Schwindt et al (2014), para o Atlântico sudeste houve poucos trabalhos especificamente com o objetivo de compilar possíveis espécies não indígenas de macroalgas, como Oliveira et al (2009), que considerou 5 espécies como exóticas e 4 como criptogênicas, e Torrano da Silva et al (2010), com 5 como exóticas e 6 como criptogênicas. Ambos os trabalhos classificaram as algas exóticas nas categorias de detectada, estabelecida e invasora. Mais recentemente, Milstein et al (2015), ao realizar análises filogenéticas para as cinco espécies confirmadas de Pyropia J. Agardh na costa brasileira e de outras partes do mundo, observou que as seqüências brasileiras formavam dois clados diferentes e fortemente suportados: 1) Brasil + Indo-pacífico e 2) Brasil + costa pacífica do México. Os autores consideraram que apenas uma única espécie seria nativa. Entretanto, carecem de estudos como este a costa Atlântica da América do Sul, de modo que poucas espécies estão sob status de não-indígenas (Tabela 1). Tabela 1: Listagem provisória das espécies exóticas ou criptogênicas de macroalgas citadas para o Atlântico sudoeste Espécie Localização na América do Sul Status Referências Bangia fuscopurpurea (Dillwyn) Lyngbye Argentina Criptogênica Schwindt et al 2014 Blidingia marginata (J. Agardh) P.J.L. Dangeard ex Bliding Argentina Criptogênica Schwindt et al 2014 Cladophora corallicola Børgesen Brasil Criptogênica Torrano da Silva et al 2010 Ectocarpus siliculosus (Dillwyn) Lyngbye Argentina Criptogênica Schwindt et al 2014 Laurencia venusta Yamada Brasil Criptogênica Torrano da Silva et al 2010 Pedobesia ryukyuensis (Yamada & Tanaka) Kobara & Chihara Brasil Criptogênica Torrano da Silva et al 2010 Porphyra rizzinii J. Coll & E.C. Oliveira Brasil Criptogênica (não encontrada desde o primeiro registro) Torrano da Silva et al 2010; Milstein et al 2015 Pyropia leucosticta (Thuret) Neefus &J. Brodie Brasil Criptogênica (não encontrada desde o primeiro registro) Torrano da Silva et al 2010; Milstein et al 2015 Anotrichium furcellatum (J. Agardh) Baldock Argentina Exótica Schwindt et al 2014 Anotrichium yagii (Okamura) Baldock Brasil Exótica Torrano da Silva et al 2010 48 Cutleria multifida (Turner) Greville Argentina Exótica Schwindt et al 2014 Dasya brasiliensis E.C. Oliveira & Braga Brasil Exótica Torrano da Silva et al 2010 Dictyota dichotoma (Hudson) J.V. Lamouroux Argentina Exótica Lopes-Filho et al 2017 Laurencia caduciramulosa Madusa & Kawaguchi Brasil Exótica Torrano da Silva et al 2010 Lomentaria clavellosa (Lightfoot ex Turner) Gaillon Argentina Exótica Schwindt et al 2014 Neosiphonia harveyi (Bailey) M.-S. Kim, H.- G.Choi, Guiry & G.W.Saunders Argentina Exótica Schwindt et al 2014 Pyropia acanthophora (E.C. Oliveira & Coll) M.C. Oliveira, D. Milstein & E. C. Oliveira Brasil Exótica Milstein et al 2015 Pyropia suborbiculata (Kjellman) J.E. Sutherland, H.G. Choi, M.S. Hwang & W.A. Nelson Brasil Exótica Torrano da Silva et al 2010; Milstein et al 2015 Pyropia tanegashimensis (Shinmura) N. Kikuchi & E. Fujiyoshi Brasil Exótica Milstein et al 2015 Pyropia vietnamensis (Tak. Tanaka & P. H. Ho) J.E. Sutherland & Monotilla Brasil Exótica Milstein et al 2015 Rosenvingiella polyrhiza (Rosenvinge) P.C. Silva Argentina Exótica Schwindt et al 2014 Kappaphycus striatum (Schmitz) Doty ex P.C. Silva Brasil Exótica (erradicada) Torrano da Silva et al 2010 Kappaphycus alvarezii (Doty) Doty ex P.C. Silva Brasil Exótica (controlada) Torrano da Silva et al 2010 Undaria pinnatifida (Harvey) Suringar Argentina Invasora Schwindt et al 2014 Contudo, à despeito dos casos mais conhecidos de macroalgas invasoras, nem todas as espécies exóticas se tornam invasoras (e, portanto, tornam-se parte da flora e fauna de fundo) e nem todas as invasoras têm qualquer impacto ecológico, de modo que há várias categorias de espécies exóticas. Para precisamos entender a terminologia: i) Espécie nativa, indígena ou autóctone: ocorre naturalmente em um local ou região, estando presente porque evoluiu ali ou por sua própria capacidade dispersiva e competência ecológica, sem interferência humana. Para espécies nativas que ampliam sua distribuição geográfica, deve-se utilizar os termos expansiva, migrante ou colonizadora. ii) Espécie exótica, alienígena, alóctone, introduzida, não-nativa e não- indígena: espécie que não ocorreria naturalmente em uma determinada região 49 geográfica sem o transporte humano, quer seja intencional ou acidental, e sem qualquer efeito conhecido sobre a biodiversidade. a) Espécie exótica casual ou transiente: espécie exóticas que, ao chegar a uma nova região, consegue se tornar reprodutiva e eventualmente produzir descendentes. Entretanto, nem sempre mantêm uma população viável a longo prazo nessa região sem a intervenção humana direta, podendo extinguir-se localmente. b) Espécie naturalizada: espécie exótica que consegue se reproduzir no local onde foi introduzida e manter uma população estável sem a necessidade da intervenção humana direta, mas que não se dispersa para fora deste local, seja por limitações na dispersão ou pela competência ecológica. Espécies naturalizadas nunca se tornam invasoras de fato. c) Espécie invasora: espécie exótics que, ao contrário das espécies naturalizadas, consegue dispersar-se para áreas distantes do local original da introdução, estabelecer-se e invadir uma nova região geográfica. Espécies invasoras são um notório problema ambiental e/ou econômico (principalmente ao atingir altas densidades e passam a dominar a flora e fauna nativas), porém nem todas geram danos realmente apreciáveis, restringindo-se aocupar áreas degradadas por não serem capazes de competir com espécies nativas em áreas bem conservadas. 2- Como se espalham? As introduções marinhas, intencionais e acidentais, são resultado de inúmeras atividades humanas, como o transporte marítimo (através de água de lastro ou incrustações de embarcações e estruturas como plataformas de petróleo), a aquicultura, a aquariofilia, turismo e atividades esportivas. Mead et al (2011) verificaram que as incrustações de embarcações e a água de lastro foram os vetores de maior importância nas introduções de espécies exóticas na África do Sul. No caso das macroalgas, no entanto, Williams & Smith (2007) consideraram que os vetores mais importantes para a introdução de macroalgas marinhas são a incrustação de casco (e outras estruturas marítimas que se deslocam) e a aquicultura (tanto quando a espécie-alvo é uma macroalga como também quando as macroalgas estão associadas às espécies-alvos, como mariscos). Torrano-Silva et al (2013) se mostraram preocupados sobre o risco de 50 introdução involuntária de espécies não-nativas em águas brasileiras através da aquariofilia. A dipersão de organismos de um local para outro é um processo natural (e lento) que os permite expandir e/ou regredir sua distribuição de acordo com eventos climáticos, geológicos, dentre outros. Entretanto, o avanço nos transportes humanos acelerou esse processo de tal forma que centenas de espécies são hoje cosmopolitas. O processo de bioinvasões aquáticas, principalmente no Brasil, está relacionada aos avanços tecnológicos. Dessa forma, Souza et al (2009) divide o histórico das bioinvasões aquáticas no Brasil em três fases: a) primeira fase (do Descobrimento até o final do século XIX): Nessa época a incrustação em cascos de navios já era responsável por um grande número de introduções marinhas no litoral brasileiro. b) segunda fase (século XX): A partir de 1880 o risco de transporte de espécies exóticas aumentou com o advento do uso da água como lastro para os navios, que passou a ser largamente agravando o transporte de espécies que já era efetuado via incrustação. Essa fase é marcada por grandes avanços econômicos e tecnológicos a nível global. c) terceira fase (meados do século XXI): A partir da década de 1990, o lixo (que inclui uma gama de materiais industrializados flutuantes) também começou a assumir um papel importante na mediação de bioinvasões marinhas em escala global, somado à incrustação e à água de lastro, sendo capaz de cruzar oceanos, rios e províncias biogeográficas. Além isso, o tráfego marítimo aumentou bastante devido também ao aumento do comércio mundial. Nessa fase se intensificam as pesquisas científicas A maioria dos organismos transportados não sobrevivem, principalmente nos ambientes escuros e sujos do tanque de lastro. Entretanto, os que sobrevivem podem ou não ter sucesso em se estabelecer em sua nova área ou co-existir harmoniosamente com a biota local ou se tornar invasores. As áreas portuárias oferecem estruturas artificiais que favorecem o estabelecimento de espécies exóticas (recrutamento, sobrevivência e dispersão). Mead et al (2011), por exemplo, verificaram que na África do Sul a maioria das introduções foram concentradas em áreas portuárias, enquanto apenas 4 invasores foram detectados em áreas de oceano aberto. Segundo Valentine et al (2007), uma invasão bem-sucedida de algas marinhas é um processo complexo de várias fases, incluindo a chegada, o estabelecimento 51 (desenvolvimento de uma população de talos macroscópicos), a propagação (envolvendo a dispersão natural ou não para um novo local, o estabelecimento e a expansão subsequente) e a persistência. A persistência refere-se ao turnover de mais de uma geração de talo macroscópico. As características de dispersão das algas introduzidas também têm uma influência importante em sua capacidade de propagação. Embora os mecanismos variem entre as espécies, todas possuem estratégias eficientes de dispersão a curta e/ou longa distância, como propágulos microscópicos, flutuabilidade do talo, rafting e fragmentação. Essas características as tornam particularmente suscetíveis à dispersão auxiliada pela atividade humana. De modo geral, os estudos de algas marinhas invasoras revelam que são oportunistas, tolerantes ao estresse, competitivas, e muitas possuem ciclo de vida heteromórfico. No estudo de Williams & Smith (2007) a maior parte das 277 espécies exóticas compiladas pertencia aos filos Chlorophyta (46) e Rhodophyta (165). As famílias com maior número de espécies mais exóticas foram: Caulerpaceae, Codiaceae, Derbesiaceae, Ulvaceae, Areschougiaceae, Ceramiaceae, Cystocloniaceae, Gracilariaceae, Solieriaceae, Rhodomelaceae, Alariaceae, Chordariaceae e Fucaceae. As características de uma da comunidade podem ser de grande importância para determinar o sucesso de uma invasão, como, por exemplo, nichos ecológicos vagos, subutilizados ou não utilizados são particularmente vulneráveis à invasão, além da disponibilidade e na variabilidade na disponibilidade de recursos. Outros atributos das comunidades que podem influenciar a vulnerabilidade à invasão incluem os que criam uma alta probabilidade de escape de restrições bióticas da espécie exótica, isto é, restrições físico-químicas (ex: temperatura, oxigênio, salinidade, etc), bióticas (ex: predação, competição, doenças, parasitas, etc) e estrutura do habitat (ex: tipo de substrato, abrigo, etc). Além disso, também é sugerido que as comunidades com baixa riqueza de espécies tendem a ser invadidas mais prontamente do que as áreas com alta riqueza de espécies. Por fim, freqüentemente citados como importantes no sucesso da invasão, sobretudo em sistemas terrestres, são o estado de depauperamento do ambiente invadido, como ambientes poluídos (provavelmente porque o ambiente oferece menor competição) e a perturbação, que age para liberar recursos. Segundo Valentine et al (2007), poucos estudos analisaram criticamente o papel da perturbação no processo de invasão de algas, dos quais se observou que a destruição da cobertura de algas nativa demonstrou ser um fator chave para facilitar o 52 estabelecimento de algas introduzidas e, se a perturbação for necessária para o estabelecimento, a propagação também dependerá da frequência e intensidade da perturbação. 3- Quais são os impactos econômicos e ecológicos? A introdução de espécies exóticas pode afetar tanto a biodiversidade quanto as atividades econômicas. Uma vez que uma espécie exótica marinha chegue à um novo ambiente, o mais provável é que lá permanecará para sempre, interagindo com as comunidades existentes e, no processo, poderá se misturar ao novo ambiente, modificar os habitats nativos e alterar o equilíbrio ecológico da área receptora. Isto pode ocorrer aumentando favorecendo a predação em organismos nativos, modificando o habitat por sufocação ou competição, reduzindo a diversidade de espécies, fornecendo novo habitat estrutural ou favorecer a invasão do local por outras espécies exóticas. Embora em alguns casos haja um aumento na diversidade estrutural e funcional causado pelas espécies não-ativas e pelas atividades humanas, é possível observar que a biota de todo o mundo está sofrendo um processo de “homogeneização”. No caso das algas marinhas, a maioria dos estudos tem procurado identificar a fonte das mesmas, com maior interesse em invasões crípticas, porém pouco trabalho tem sido dirigido para examinar as consequências das invasões de algas marinhas. Numa comunidade a mudança da dominância espécies nativas por espécies introduzidas é motivo de preocupação pois
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