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Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro Instituto de Ciências Biológicas e da Saúde Departamento de Ciências Fisiológicas Área de Fisiologia Vegetal Hormônios Vegetais Ácido Abscísico e Etileno Profa. Dra. Cássia Pereira Coelho Profa. Dra. Silvia Martim Ácido Abscísico ABAubiquitousubiquitous Ainda que seja associado como o hormônio do estresse, por estar diretamente envolvido em distintas respostas que os vegetais apresentam a adversidades abióticas, como baixa disponibilidade hídrica, baixas temperaturas e altas salinidades, o ácido abscísico controla processos fisiológicos relevantes para os vegetais tais como a dormência de gemas e sementes. O ácido abscísico (ABA) é encontrado em todas as plantas vasculares, em alguns musgos, algas verdes e fungos. Nos vegetais é detectado em uma grande maioria das células vivas do ápice caulinar ao radicular, seiva xilemática, exsudados do floema e até em nectários. Contudo, a concentração endógena deste hormônio à semelhança do que ocorre com os outros, é muito baixa e determinada pelo balanço entre biossíntese, degradação, compartimentalização, conjugação e transporte. A biossíntese e a concentração do ABA pode flutuar dramaticamente em um único tecido em um estágio fisiológico específico ou em resposta a uma alteração ambiental. Citando como exemplo uma semente em desenvolvimento, os níveis endógenos de ABA podem incrementar 100 vezes e declinar a níveis indetectáveis em poucos dias com o decorrer da maturação da semente. Sob baixa disponibilidade hídrica, os níveis de ABA foliares podem incrementar em 50 vezes dentro de 4 a 8 horas, declinando aos níveis normais no mesmo tempo quando ocorrer a re-hidratação. Introdução O ácido abscísico é um sesquiterpeno (15 carbonos) composto por três unidades de isopreno, que possui atividade ótica (capacidade para desviar a luz polarizada) por apresentar um carbono assimétrico na posição 1 do anel. Lembre-se que os terpenos são considerados a unidade básica de substâncias como terpenos, óleos essenciais, carotenoides e esteroides. A forma natural do ABA é a positiva (+) devido ao fato do desvio da luz ocorrer no sentido horário, sendo o S (+)-ácido abscísico a única forma natural e ativa do hormônio. Sintetizado em quase todas as células que contém plastídios e principalmente por uma via denominada de indireta que se inicia com a clivagem oxidativa de carotenoides oxigenados precursores de 40C, como por ex. as Xantofilas. Os carotenoides requeridos para a biossíntese do ABA encontram-se nos cloroplastos, cromoplastos, leucoplastos e proplastídeos distribuídos em frutos, embriões, raízes bem como em outros órgãos das plantas. O sinal que desencadeia a biossíntese de ABA nas folhas e nas raízes é proveniente da pressão de turgescência, e nas sementes são outros processos do desenvolvimento. Quanto à inativação do ABA, essa pode ocorrer via conjugação com uma molécula de glicose e degradação a outros compostos. Estrutura química, Biossíntese, Inativação O ácido abscísico é transportado em ambos tecidos vasculares, Xilema e Floema, porém, normalmente é encontrado em quantidades mais abundantes na seiva do floema. Nas folhas ocorre a distribuição do ABA pelos seus diversos compartimentos, i.e., apoplasto, citossol, cloroplasto e vacúolo. Devido sua característica química de ácido fraco, a sua distribuição é em função do conceito de aprisionamento de ânions no meio alcalino. Quando está protonado (ABAH) a molécula atravessa livremente a membrana da célula-guarda, a qual em sequência será dissociada a um ânion permeável (ABA-) que será “aprisionado” no meio mais alcalino no citossol. Portanto, o gradiente de pH através membrana é crucial para determinar a distribuição de ABA na folha. Em uma condição de déficit hídrico, o aumento da concentração de ABA na folha que desencadeará o fechamento estomático para reduzir a perda de água pela transpiração, é em grande parte atribuído a síntese ocorrida nas raízes e seu transporte para a parte aérea via xilema. Essa é uma estratégia muito ágil que as plantas utilizam para evitar a perda de água pelas folhas, uma vez que as raízes em contato com o solo seco enviam o sinal às folhas muito antes que ocorra uma redução mensurável do potencial hídrico foliar. Ainda que uma concentração de apenas 3,0 mmol de ABA no apoplasto seja suficiente para fechar o estômato, nem todo o hormônio presente na seiva do xilema chegará até as células guardas, pois grande parte será absorvido e metabolizado no mesofilo. Então qual a estratégia complementar para otimizar a chegada do ABA até as células-guardas???? Transporte O déficit hídrico ocasiona uma alcalinização da seiva do xilema e do fluído do apoplasto ocasionando assim uma diminuição do gradiente de pH entre apoplasto e simplasto. Isto favorecerá a liberação e retenção do ABA no apoplasto para que o mesmo desempenhe sua ação no fechamento estomático. Mecanismo de Ação Não diferente dos outros hormônios o ABA exerce alguns efeitos fisiológicos nos vegetais, os quais apresentam distintos mecanismos de ação para cada tecido vegetal. Todavia, em relação ao tempo necessário para que aconteça a resposta fisiológica à elevação dos teores endógenos de ABA, há dois tipos: 1) Resposta rápida: Ocorre minutos após o aumento da concentração endógena de ABA e envolve fluxo iônico e distúrbios no balanço hídrico (ex. fechamento estomático); 2) Resposta lenta: Ocorre algumas horas após o aumento da concentração endógena de ABA e envolve modificações na expressão de genes. Efeitos Fisiológicos Fechamento estomático; Dormência: Antagonista da giberelina no controle da germinação; Tolerância das sementes à dessecação; Tolerância à seca, salinidade e baixas temperaturas. - ABA + ABA Potencial hídrico, re e ABA em milho Fechamento Estomático A ação do ácido abscísico nas células-guardas para o controle do fechamento estomático é um dos mecanismos mais estudados. O mecanismo que desencadeia a abertura e o fechamento dos estômatos é atrelado às alterações que ocorrem na turgescência dessas células as quais serão responsáveis pelo grau de abertura do ostíolo. O controle da turgescência das células-guardas é exercido pelo fluxo de íons K+ e Cl- (e/ou o ácido orgânico malato) através da membrana plasmática e do tonoplasto. Para que aconteça o fechamento do ostíolo é necessário que os canais de influxo de K+ sejam inibidos e os canais de efluxo de K+ sejam ativados, ambos contribuirão para a redução desse cátion nas células-guardas. Com a saída de K+ das células-guardas ocorre simultaneamente a saída da água diminuindo assim a turgescência e ocasionando o fechamento do ostíolo. A inibição do canal de influxo de K+ é comandada pelo aumento do Ca2+ citosólico, e a ativação do canal de efluxo de K+ é comandada pela despolarização da membrana plasmática. A despolarização da membrana pode ser alcançada de duas formas: 1) o aumento de ca2+ citosólico estimula a abertura do canal de efluxo de Cl- localizado na MP ou 2) o aumento de Ca2+ citosólico torna o pH mais alcalino e inibe a atividade da H+-ATPase. E como é a participação do ABA neste processo??? A ligação do ABA ao receptor que está localizado na MP é responsável pelo aumento de Ca2+ citosólico e isto ocorre por duas vias distintas: Fechamento Estomático 1) ABA+Receptor: forma peróxido de hidrogênio (H2O2) que ativa os canais de influxo de cálcio localizados na membrana plasmática e por conseguinte o cálcio citosólico estimula canal de efluxo de cálcio do vacúolo; 2) ABA+Receptor: aumenta os níveis de ADPRc + IP3 os quais vão estimular abertura do canal de efluxo de cálcio do vacúolo. Fazendo um resumobem generalizado: a saída de K+ da célula-guarda é dependente do aumento do Ca2+ citosólico que é dependente do sinal oriundo da ligação do hormônio ÁCIDO ABSCÍSICO + RECEPTOR. Analise o esquema simplificado do mecanismo de fechamento estomático comandado pelo ABA na figura seguinte retirada do livro Taiz and Zeiger, 2010. Fechamento Estomático Deficiente na produção de ABA Deficiente na produção de ABA e percepção ao etileno Deficiente na percepção ao etileno Normal Foto cedida por Inga Gonçalves, 2009 Em condições de deficiencia hídrica (baixos w), as plantas precisam apresentar diversas alterações em seu metabolismo e crescimento para superar o estresse e conseguir sobreviver. Uma resposta bem evidente e essencial à manutenção do status hídrico e metabólico é a redução na razão parte aérea/raíz, i.e, diminuição do crescimento da parte aérea e aumento do crescimento radicular. Para comprovar que essa resposta é comandada pelo Ácido Abscísico foi feito um estudo comparativo com plantas de milho deficiente na produção de ABA e plantas de milho com produção normal de ABA submetidas a duas condições de hidratação, alto e baixo potencial hídrico (veja a figura abaixo retirada do livro Taiz and Zeiger, 2010). R az ão R aí z/ P ar te A ér ea Horas Após Transplante Observe que de acordo com maior exposição á baixa disponibilidade hídrica as plantas que produziam ABA incrementaram significativamente a razão Raíz/Parte Aérea, e as plantas que não produziam ABA não apresentaram nenhuma alteração dessa razão. Comprovando assim que o comando para essa alteração advém do ácido abscísico. O ácido abscísico desempenha papéis importantíssimos para as sementes, e seus níveis variam de muito baixos no inicio da embriogênese, muito alto na metade da embriogênese e caem novamente a muito baixos no final da embriogênese (maturação da semente). Um papel importantíssimo que o ABA desempenha em uma semente em desenvolvimento é promover a tolerância à dessecação por induzir a síntese de proteínas específicas denominadas de LEA (late-embryogenesis-abundant). Outro papel de suma relevância é a promoção do acúmulo de proteínas de reserva e a translocação de açúcares e aminoácidos durante a embriogênese. O ABA não só regula o acúmulo de proteínas de reserva como também mantém o embrião em estado dormente até que as condições para a germinação sejam as ótimas. Vale destacar aqui que a dormência de sementes é uma estratégia extremamente relevante para a adaptação das plantas à condições desfavoráveis. Dormência: definida como a incapacidade de uma semente germinar mesmo que todas as condições ambientais requeridas sejam impostas. Sob um ponto de vista ecofisiológico, a dormência impõe um retardo na germinação que favorecerá uma dispersão da semente a uma maior distância geográfica, além de maximizar a sobrevivência da nova plântula por impedir uma germinação sob condições desfavoráveis. Basicamente são reconhecidos dois tipos de dormência: Exógena (imposta pela casca, basta danificá-la para proporcionar absorção de água que haverá germinação) e Endógena (intrínseca do embrião e imposta pela presença de ABA e ausência de giberelina). É importante destacar o controle da dormência é feito pelo balanço hormonal ABA/Giberelina, que possuem ações antagônicas no processo. Lembre-se que a Giberelina promove a germinação por induzir a síntese de enzimas que degradam amido (alfa e beta-amilases) e liberam açúcar para ser consumido na respiração e gerar energia. A manutenção da dormência (supressão da germinação) exercida pelo ácido abscísico é devida a repressão dos fatores de transcrição das referidas enzimas. A presença do ácido abscísico na semente em formação é muito importante para impedir um fenômeno chamado de viviparidade, ou seja, a germinação da semente ainda ligada à planta mãe (vide figura retirada do livro Taiz and Zeiger, 2010). Mutante deficiente na produção de ABA Etileno Histórico O estímulo da produção de etileno através de incisões nos frutos para acelerar o amadurecimento já era uma técnica utilizada no início da civilização egípcia, apesar do total desconhecimento desse mecanismo na época. Em 1858 ainda não se sabia que o etileno era um dos componentes do gás de iluminação, e foi verificado que esse gás causava senescência e abscisão foliar após danos a uma coleção de plantas mantidas em casa de vegetação na Filadélfia. Em 1893 verificou-se que a fumaça gerada na queima serragem induzia floração em abacaxi. Após 40 anos produtores de abacaxi de Porto Rico começaram a utilizar fumaça para induzir floração nessa cultura. Somente em 1901 Dimitry Nikolayevich, um estudante de botânica da Universidade de São Petersburgo, identificou o etileno como um componente biologicamente ativo do gás de iluminação. Também nesse ano Neljubow verificou que a aplicação de 0,06 μM de etileno em plantas de ervilha crescidas no escuro produzia uma tríplice resposta, que incluía inibição do alongamento, aumento radial (intumescimento) e orientação horizontal desse órgão. Cousins (1910) registrou a primeira indicação do etileno como produto natural de tecidos vegetais; Atualmente o etileno continua sendo empregado na manipulação de várias culturas e na pós-colheita, seja estimulando sua produção pelas plantas ou através de sua exposição ao gás. Estrutura – o etileno é um hidrocarboneto insaturado (C2H4) e constitui uma das moléculas orgânicas mais simples com atividade biológica. É um hormônio gasoso, estando entre os vários composto voláteis produzidos pelas plantas. O etileno é inflamável, incolor e possui odor adocicado similar ao éter. Fórmula química do etileno: O etileno pode ser produzido por vários organismos, desde fungos, bactérias, algas e musgos até as plantas vasculares. É encontrado na atmosfera não poluída em baixas concentrações (0,001-0,005 μl L-1) e pode ser acumulado em maiores concentrações em locais fechados. •Síntese do etileno em plantas O etileno é produzido por todas as partes das plantas superiores, sendo a taxa de produção dependente do tecido e estágio de desenvolvimento. Os tecidos meristemáticos e regiões nodais apresentam elevada produção do gás. Durante os processos de abscisão foliar, senescência de flores e amadurecimento de frutos também é observada uma alta produção de etileno. Algumas substâncias com atividade biológica similar à do etileno, como propileno e acetileno, são consideradas análogas a esse gás. A via biossintética do etileno nas plantas vasculares é hoje bem conhecida, e fou elucidada por Adams e Yang (1979). Um esquema dessa via é mostrado na próxima figura. Estudar a biossíntese do etileno com as principais enzimas envolvidas nesse processo é importante para compreender a regulação desse hormônio, sendo a atividade da ACC sintase ( enzima responsável pela conversão de AdoMet a ACC e MTA) é o ponto regulatório mais importante na produção de etileno. Os teores da ACC sintase são afetados por mudanças ambientais, hormonais e por diversos eventos fisiológicos. O ACC é um percussor do etileno, que é convertido pela ACC oxidase. Atente para os pontos limitantes da biossíntese de etileno, pois estes serão de extrema importância para a aplicação prática do armazenamento e comercialização de produtos agrícolas. Rota Biossintética do Etileno • Transporte do etileno Por se tratar de um gás o transporte do etileno não depende de tecidos vasculares e células. O etileno difunde-se facilmente no interior dos tecidos, através dos espaços intercelulares. O coeficiente de difusão do etileno é 10.000 vezes inferior na água e solutos do citoplasma,o que dificulta seu movimento. Seu precursor pode ser transportado de um local a outro. • Controle dos níveis endógenos – Catabolismo do Etileno – Conjugação do ACC – Expressão de genes para biossíntese da ACC sintase • Mecanismo de ação do etileno Assim como os demais hormônios o mecanismo de ação do etileno envolve a ligação a um receptor específico e ativação de uma via de transdução de sinais, desencadeando então uma resposta celular. Um fenótipo altamente reprodutível em plantas expostas ao etileno é a tríplice resposta, que tem sido utilizada para detectar mutantes e plantas com respostas anormais ao etileno. 1. Inibição do alongamento do hipocótilo 2. Inibição do alongamento da raiz 3. Aumento da curvatura do gancho plumular Figura 1. Representação esquemática de plântulas estioladas de ervilhas. (1) Plântula em água; (2) Plântula tratada com etileno, apresentando no epicótilo: a) inibição do alongamento; b) aumento de expansão radial; c) orientação horizontal de crescimento. Fonte: Kerbauy (2004). Efeitos Fisiológicos • Relacionado aos processos de maturação, abscisão e senescência. • Sua formação é estimulada por auxinas, injúrias e patógenos. • A produção e ação do etileno podem ser inibidas Inibidores da biossíntese • AVG – aminoetóxi-vinil-glicina • AOA – ácido aminoacético Inibidores da ação • CO2 • Íon Ag+2 • MCP – 1-aminociclopropano O etileno exerce vários efeitos comercialmente interessantes na agricultura. No entanto, sua aplicação no campo é dificultada por se tratar de um hormônio gasoso. Para contornar a dificuldade de aplicação do etileno é utilizado como substituto o ácido 2- cloroetilfosfônico – CEPA, também conhecido como Ethephon ou Ethel, que quando misturado com água é absorvido pela planta e libera etileno em pH fisiológico. O Ethel é facilmente pulverizado nas plantas e pode ser utilizado para estimular amadurecimento de frutos como maçã e tomate e para sincronização da floração em abacaxi. Efeitos do etileno sobre a senescência e morte celular programada (MCP) A senescência é um conjunto de processos que leva à morte, e pode ser visualizado a olho nu. Sendo assim, o termo senescência pode ser aplicado à células, tecidos, órgãos e planta inteira. A senescência é um processo geneticamente programado controlado pelo antagonismo entre etileno e citocinina, ou seja, enquanto etileno aciona a senescência a citocinina retarda. A senescência envolve tanto processos citológicos quanto bioquímicos, sendo que os cloroplastos são as primeiras organelas a entrar no processo de deterioramento e senescência em uma folha. As flores são órgãos de senescência simultânea e a limitação do tempo de vida das flores é importante por serem drenos de energia, representarem importantes vias de entrada para o sistema vascular das plantas e pela necessidade de redução da concorrência por polinizadores. O etileno é um dos reguladores mais claramente envolvidos com a senescência, dos órgãos florais. Flores tratadas com etileno rapidamente entram em senescência. Em algumas espécies após a polinização há um aumento da síntese de etileno, induzindo a senescência. No entanto, flores plenamente desenvolvidas são mais sensíveis a etileno que as imaturas. O tratamento de flores com inibidores da ação do etileno, como 1- metilciclopropeno, ou inibidores de sua síntese, como a aminoetoxivinilglicina (AVG) e íons cobalto, atrasam a senescência (observe a figura do próximo slide). O tiossulfato de prata é um potente inibidor da ação do etileno • Efeitos do etileno sobre a formação de raízes e pêlos radiculares O etileno é capaz de induzir formação de raízes adventícias em folhas, caules, hastes de flores e até mesmo em raízes. É um regulador positivo da formação de raízes em várias espécies. Plantas crescidas na presença de inibidores de etileno, como Ag+ e mutantes insensíveis a etileno mostram uma redução na formação de pêlos radiculares em resposta a etileno, comprovando assim que o etileno é um indutor da diferenciação dos pelos radiculares. A formação de pêlos em raízes de ervilha, feijão, alface, milho e orquídeas é promovida pela aplicação do etileno. A formação de raízes adventícias em estacas tem sido relacionada tanto à presença de auxinas quanto de etileno. O etileno atua aumentando a sensibilidade dos tecidos à auxina. Aumento no teor de etileno resulta em maior formação de raízes adventícias, porém com um comprimento reduzido. Em algumas plantas de espécies de mono e eudicotiledôneas submetidas a alagamento apresentam maior concentração de etileno, o que aumenta a sensibilidade dos tecidos à auxinas, promovendo o desenvolvimento de raízes adventícias possuidoras de aerênquimas. Esse mecanismo permite a sobrevivência dessas plantas em ambientes com baixos teores de O2 no solo. Formação de pelos radiculares (Taiz & Zeiger, 2013) • Efeitos do etileno sobre o amadurecimento dos frutos Um dos processos pelo qual o etileno está mais intimamente ligado é o amadurecimento de frutos, sendo esse o motivo desse hormônio ser denominado “hormônio do amadurecimento”. O processo de maturação se inicia quando o fruto e suas células adquirem o tamanho máximo. Há dois sistemas atuando na regulação do amadurecimento pelo etileno, que diferem pela forma de controle da síntese desse hormônio: Sistema 1 – opera em baixas concentrações de etileno e atua durante o crescimento de frutos verdes, climatéricos e não-climatéricos, e durante o desenvolvimento vegetativo normal da planta. É caracterizado por uma ação auto-inibitória do etileno sobre sua própria síntese. Sistema 2 – funciona em condições de níveis elevados de etileno durante o amadurecimento de frutos climatéricos e na senescência floral. A produção de etileno nesse sistema é autocatalítica, onde a presença de etileno, endógena ou exógena, estimula sua própria síntese (feedback positivo). A exposição ao etileno resulta em aumento na produção desse hormônio em consequência da indução das enzimas ACS e ACO, envolvidas na via de biossíntese do etileno. Quando a maturação é iniciada em determinado região do fruto ela se propaga às regiões vizinhas na medida que o etileno se difunde. Dependendo dos teores de etileno produzidos durante o amadurecimento os frutos são divididos em: Climatéricos – apresentam um pico de produção de etileno imediatamente antes de um pico respiratório. Não-climatéricos – não apresentam pico de produção de etileno na taxa respiratória. O amadurecimento só acontece quando o fruto ainda está ligado à planta. Frutos climatéricos Banana Kiwi Maçã Manga Maracujá Melão Mamão Pêra Pêssego Tomate Abacate Frutos não-climatéricos Laranja Abacaxi Cereja Framboesa Limão Uva Morango Melancia Plantas submetidas a estresses físicos ou biológicos, como ferimentos, alagamento, doenças, temperaturas inadequadas ou períodos de seca também apresentam a produção de etileno elevada. Pico climatérico O Etileno promove o alongamento de espécies vegetais aquáticas submersas A ausência de Oxigênio leva à redução da síntese de etileno mas retarda sua perda por difusão. Sendo assim, o crescimento de plantas submersas é estimulado devido ao acúmulo de etileno em seus tecidos. Além disso quantidades suficientes de oxigênio para a síntese de etileno podem ser fornecidas pelo aerênquima. Os teores elevados de etileno nos tecidos levam a uma diminuição do hormônio inibidor do crescimento ácido abscísico (ABA) e a um aumento no teor do hormônio promotor de crescimento ácido giberélico (AG). Ex: Cultivares de arroz Etileno ABA GA = Alongamento do caule Aumento da sensibilidade a giberelina nas célulasdo meristema intercalar Abscisão Foliar Planta mutante insensível à etileno Etileno fumigado durante três dias A abscisão compreende a liberação de folhas, flores e frutos e ocorre na zona de abscisão, que é formada por células diferenciadas morfológicas e fisiologicamente. Os hormônios etileno e auxina controlam a abscisão foliar. O etileno tem efeito desencadeador na abscisão e a auxina é envolvida com a redução da sensibilidade das células ao etileno, prevenindo ou retardando a queda do órgão. Abscisão foliar Fase de manutenção foliar: altos teores de auxina sintetizados nas folhas reduzem a sensibilidade a etileno na zona de abscisão celular e previnem a queda das folhas. Indução da fase de queda: A redução dos níveis de auxinas transportados a partir das folhas leva a um aumento na produção e sensibilidade ao etileno na zona de abscisão, o que marca o início da fase de queda Fase de queda: a síntese de enzimas que hidrolisam polissacarídeos da parede celular resultam em separação das células e abscisão foliar Taiz & Zeiger (2013) A abscisão depende do estabelecimento de uma fina camada transversal de células, cujas ligações das paredes, originalmente fortes, tornam- se enfraquecidas pela atividade de celulases e poligalactunorases. A abscisão depende da ativação de genes que codificam enzimas hidrolíticas das paredes celulares. Genes que codificam para celulases, como β-1,4-glucanase, são induzidos preferencialmente nas zonas de abscisão. Poligalacturonase, ou pectinase, também está associada a separação de células na zona de abscisão.
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