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PRODUÇÃO E TECNOLOGIA DE SEMENTES FISIOLOGIA DE SEMENTES Renato Mendes Guimarães UFLA - Universidade Federal de Lavras FAEPE - Fundação de Apoio ao Ensino, Pesquisa e Extensão Lavras - MG 1999 Ficha Catalográfica preparada pela Seção de Classificação e Catalogação da Biblioteca Central da UFLA Guimarães, Renato Mendes Fisiologia de sementes / Renato Mendes Guimarães. -- Lavras : UFLA/FAEPE, 1999. 132p. Il. -- (Curso de Especialização Pós-Graduação “Lato Senso”por Tutoria à Distância: Produção e Tecnologia de Sementes).) Bibliografia 1. Semente. 2. Fisiologia. 3. Dormência 4. Germinação. I. Universidade Federal de Lavras III. Fundação de Apoio ao Ensino Pesquisa e Extensão. IV Título. CDD - ????.????? TEXTO REVISADO PELOS AUTORES 1999 - FAEPE - Fundação de Apoio ao Ensino, Pesquisa e Extensão PROIBIDA A REPRODUÇÃO DO TODO OU PARTE, POR QUALQUER MEIO, SEM AUTORIZAÇÃO EXPRESSA DA FAEPE. CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO PÓS-GRADUAÇÃO “LATO SENSU” POR TUTORIA À DISTÂNCIA PRODUÇÃO E TECNOLOGIA DE SEMENTES Convênio UFLA - Universidade Federal de Lavras FAEPE - Fundação de Apoio ao Ensino, Pesquisa e Extensão Reitor da UFLA FABIANO RIBEIRO DO VALE Presidente do Conselho Deliberativo da FAEPE ANTÔNIO NAZARENO GUIMARÃES MENDES Chefe do Departamento de Agricultura CARLOS RAMIREZ DE RESENDE E SILVA Coordenador do Curso MARIA DAS GRAÇAS GUIMARÃES CARVALHO VIEIRA Editoração Eletrônica CENTRO DE EDITORAÇÃO ELETRÔNICA - FAEPE Impressão UFLA - GRÁFICA UNIVERSITÁRIA SUMÁRIO 1 DESENVOLVIMENTO DE SEMENTES ............................................................. 1 1.1 Tamanho da semente ................................................................... 4 1.2 Teor de umidade das sementes .................................................... 4 1.3 Conteúdo de matéria seca das sementes ..................................... 6 1.4 Germinação .................................................................................. 7 1.5 Vigor ............................................................................................ 9 1.6 Discussão geral .......................................................................... 10 2 COMPOSIÇÃO QUIMICA DE SEMENTES ...................................................... 13 2.1 Influência de fatores genéticos ................................................... 15 2.2 Influências ambientais ................................................................ 17 2.3 Influência da água ...................................................................... 17 2.4 Influência da temperatura ........................................................... 18 2.5 Influência da fertilidade do solo ................................................... 19 2.6 Influência de práticas culturais .................................................... 21 3 CARBOIDRATO ARMAZENADO EM SEMENTES ......................................... 23 3.1 Amido ......................................................................................... 23 3.2 Hemicelulose .............................................................................. 29 3.3 Outros carboidratos em sementes .............................................. 29 4 LIPÍDIOS DE RESERVA SEMENTES ............................................................. 31 4.1 Classificação dos lipídios ............................................................ 37 5 FOSFOLIPÍDEOS ........................................................................................... 37 5.1 Hidrólise de lipídios .................................................................... 39 6 PROTEÍNAS DE RESERVA NA SEMENTE ................................................... 41 6.1 Proteínas ........................................ Erro! Indicador não definido. 7 OUTROS COMPOSTOS QUÍMICOS ENCONTRADOS EM SEMENTES. ........ 49 7.1 Taninos ...................................................................................... 49 7.2 Alcalóides ................................................................................... 50 7.3 Glicosídeos ................................................................................ 50 7.4 Fitinina ....................................................................................... 51 7.5 Hormônios .................................................................................. 51 7.6 Giberelina ................................................................................... 52 7.7 Citocininas.................................................................................. 52 7.8 Inibidores ................................................................................... 53 7.9 Vitaminas ................................................................................... 53 8 ÁGUA E TOLERÂNCIA À DESSECAÇÃO ................................................. 55 9 GERMINAÇÃO E DORMÊNCIA ...................................................................... 61 9.1 Fase I - Reativação .................................................................... 63 9.1.1 Embebição ........................................................................ 63 9.1.2 Reativação do metabolismo .............................................. 68 9.2 Fase II - Indução de crescimento ................................................ 72 9.2.1 Fase lag ............................................................................ 72 9.2.2 Preparação para o crescimento......................................... 73 9.3 Fase III - Crescimento ................................................................ 76 9.3.1 Introdução......................................................................... 76 9.4 Influência de fatores externos na germinação e dormência ......... 79 9.4.1 Luz ................................................................................... 84 9.4.2 Nitrato ............................................................................... 89 10 REGULAÇÃO ENDÓGENA DA GERMINÇÃO E DORMÊNCIA ....................... 97 10.1 O mecanismo de germinação ................................................... 109 10.2 Mobilização de reservas ........................................................... 113 10.3 Lipídios..................................................................................... 113 10.4 Proteínas .................................................................................. 115 10.5 CARBOIDRATO ....................................................................... 117 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 123 Página vazia (verso) 1 1 DESENVOLVIMENTO DE SEMENTES De uma maneira geral, durante a formação da semente, observa- se inicialmente, um acumulo de açúcares tais como sacarose, frutose e glicose, bem como de aminoácidos e amidas. Estas substancias drenadas da planta mãe, são os principais metabolitos para a formação dos tecidos da semente e das substancias de reserva que serão acumuladas para fornecimento de energia e substancias básicas para o desenvolvimento do processo de germinação. Desta forma a medida que a semente vai se desenvolvendo há uma diminuição na quantidade destas substancias mais simples e, ao mesmo tempo, um acumulo de moléculas maiores e mais complexas como as proteínas, amido, lipídeos, celulose etc.. UFLA/FAEPE - Fisiologiade Sementes 2 Em algumas espécies de dicotiledoneas, o endosperma funciona como um órgão de reserva transitório de açúcares e aminoácidos. O crescimento do embrião no inicio é lento, mas acelera-se posteriormente. O número final de células é atingido na fase inicial da formação da semente e é seguido da expansão celular e do acumulo do amido e demais substancias de reserva, que acontece nos cotilédones, que funcionam como os grandes armazenadores definitivos das reservas, pelo consumo total do endosperma. Em outros casos os cotilédones não são armazenadores e a síntese das reservas ocorre mesmo no endosperma. Nos cereais, os embriões não armazenam reservas, a não ser uma pequena quantidade de lipídeos no escutelo. Entretanto as reservas de carboidratos são polimerizadas no endosperma e as reservas de proteínas acumuladas nas camadas de aleurona. O estudo do desenvolvimento de sementes visa determinar o ponto no qual a semente pode ser desligada da planta mãe, sem prejuízo para sua qualidade fisiológica. Desta forma o conhecimento do chamado "ponto de maturidade fisiológico" é de grande importância para a determinação da melhor época de colheita de sementes, embora não seja muitas vezes o determinante exato do melhor momento para o início da colheita. Muitas vezes as sementes apresentam percentuais de umidade relativamente altos no ponto de maturidade fisiológico impedindo que a colheita seja realizada, neste momento, principalmente Desenvolvimento de Sementes 3 quando os equipamentos utilizados possuem sistemas de trilha, separação e transporte incompatíveis com estas condições de umidade do material. Entretanto, deve ser considerado um referencial importante da independência da semente em ralação a planta mãe, se constituindo no marco a partir do qual o monitoramento da umidade é importante para a realização da colheita na época correta. O importante é ter em mente que a partir do momento em que a semente deixa de receber nutrientes da planta mãe ela inicia o processo de armazenamento e que o armazenamento ao ar livre pode representar um enorme perigo para sua qualidade, já que, fica exposta às intempéries, além do ataque de pragas e doenças, o que se torna especialmente grave em regiões onde o período chuvoso é muito prolongado. Algumas características físicas e fisiológicas como: tamanho, teor de umidade, conteúdo de matéria seca, germinação e vigor, são importantes para o entendimento do desenvolvimento da semente durante sua formação, sendo o acompanhamento das mudanças observadas nestas características desde a fecundação do óvulo até a completa maturação fisiológica, uma boa ferramenta para o estudo desta fase da vida da semente. A seguir o comportamento de cada uma dessas características durante o processo da maturação é analisado. UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 4 Ta m an ho d a se m en te 1.1 TAMANHO DA SEMENTE As sementes crescem em tamanho rapidamente após a fecundação até um máximo que é mantido por certo tempo para, no final do período, ser um pouco reduzido. Esta redução é devido à desidratação e é mais ou menos acentuada dependendo da espécie. Por exemplo em soja é muito mais acentuada que em milho. A Figura-1 indica as alterações no do tamanho da semente durante a maturação. zigoto semente madura FIGURA 1: Alterações no tamanho das sementes durante o desenvolvimento. Carvalho e Nakagawa, 1980. 1.2 TEOR DE UMIDADE DAS SEMENTES Logo após a formação do zigoto o teor de umidade é alto, oscilando entre 70 a 80%. Poucos dias depois , observa-se uma Desenvolvimento de Sementes 5 Te or d e um id ad e (% ) pequena elevação, geralmente chegando a uns 5% no máximo, começando em seguida uma fase de lento decréscimo. A duração desta fase é variável com a espécie, cultivar e condições climáticas. Em seguida a semente experimenta uma rápida desidratação, também muito influenciada pelas condições climáticas. O teor de umidade decresce então até o equilíbrio higrostático com o ambiente e passa a sofrer oscilações com as variações da umidade relativa do ar. A Figura 2 esquematiza as variações de umidade durante a formação da semente. Zigoto semente madura FIGURA 2: Alterações no teor de umidade durante o desenvolvimento de sementes. Carvalho e Nakagawa, 1980. UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 6 1.3 CONTEÚDO DE MATÉRIA SECA DAS SEMENTES A semente é um forte dreno na planta, que necessita de acumular reservas para cumprir seu papel de perpetuar a espécie. A acumulação de matéria seca começa de forma lenta mas em curto espaço de tempo este acumulo passa a ser rápido e constante até atingir um máximo. Este peso seco é estável por algum tempo e pode sofrer um pequeno decréscimo no final do processo. A Figura 3 ilustra este comportamento. Zigoto Semente madura FIGURA 3: Acúmulo de matéria seca durante o desenvolvimento de sementes. Carvalho e Nakagawa, 1980. O máximo de matéria seca tem sido mencionado como o ponto indicador mais seguro da maturidade fisiológica da semente. Isto é razoável desde que se entenda por maturidade fisiológica como aquele M at ér ia s ec a (g ) Desenvolvimento de Sementes 7 ponto após o qual a semente recebe nada, ou quase nada, da planta mãe. Em outras palavras, a maturidade fisiológica não significa, necessariamente, capacidade máxima de germinação, não obstante isto coincide com notável freqüência. 1.4 GERMINAÇÃO De uma maneira geral a capacidade de germinação aparece nos primeiros estágios de formação da semente. O Quadro abaixo ilustra alguns exemplos. QUADRO 1: Números de dias, após antese, exigidos por algumas espécies para que as sementes apresentem alguma germinação (In TOLEDO & MARCOS FILHO, 1977). Espécie No de dias após a antese Cevada 5 Centeio 5 Trigo 5 Sorgo 5-10 Trevo 10 Algodão 22 Soja 38 Esta capacidade precoce de germinar, contudo, só ocorre numa pequena porcentagem das sementes. Freqüentemente, depois desse UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 8 ponto, observa-se uma redução acentuada na capacidade de germinação, atingindo níveis próximos de zero. Pouco tempo depois a capacidade de germinação volta a aumentar, atingindo o ponto máximo. Desse ponto em diante, a capacidade de germinar passa a depender de como atuam sobre ela os fatores ambientais, bem como das características intrínsecas da própria semente. A intervenção do homem, procedendo a colheita, também pode concorrer acentuadamente para preservar, ou reduzir, drasticamente, o nível de germinação. A Figura 4, ilustra o que foi dito acima. Zigoto semente madura FIGURA 4: Alterações na capacidade germinativa durante o desenvolvimento de sementes. Carvalho e Nakagawa, 1980. G er m in aç ão (% ) Desenvolvimento de Sementes 9 1.5 VIGOR O vigor de uma semente, durante a maturação, é uma característica que acompanha, na mesma proporção o acúmulo de matéria seca. Assim uma semente atinge seu máximo vigor quando se apresentasse com seu máximo peso de matéria seca. Desse ponto em diante, a evolução da característica se faz de maneira semelhantea germinação, isto é, tenderia a se manter no mesmo nível, ou decrescer, na dependências de fatores ambientais e do modo e momento da colheita. Zigoto semente madura FIGURA 5: Alterações no vigor durante o desenvolvimento de sementes. Carvalho e Nakagawa, 1980. V ig or UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 10 In di ce s de M at ur aç ão (g . % ) 1.6 DISCUSSÃO GERAL Teor de umidade Tamanho Vigor Matéria seca Germinação Zigoto semente madura FIGURA 6: Alterações no tamanho, conteúdo de matéria seca, teor de umidade, germinação e vigor durante o desenvolvimento de sementes. Carvalho e Nakagawa, 1980. A Figura 6 mostra o processo de maturação da semente como um todo de uma forma generalizada. Existem particularidades em função da espécie, da cultivar e das condições ambientais predominantes durante a formação da sementes, mas não diferem muito do esquema apresentado. Pode-se observar que o ponto máximo da matéria seca, da germinação e do vigor acontecem quase no mesmo tempo e coincidem com o momento em que o teor de umidade começa a decrescer acentuadamente. A semente é um órgão reservatório da planta. Os produtos formados nas folhas através da fotossíntese são Desenvolvimento de Sementes 11 carreados para a semente onde são utilizados tanto como materiais de construção como para materiais de reserva. Para que o material que chega na semente seja metabolizado é necessário que o meio onde estão ocorrendo as reações seja bastante aquoso. Assim é que, como mostra o esquema, durante todo o processo de acumulo de matéria seca o teor de umidade é mantido em níveis altos, havendo inclusive no início da maturação, um leve acréscimo no teor de unidade. Quando a semente atinge o máximo conteúdo de matéria seca para o qual está programada geneticamente ela não recebe mais os fotos sintetizados e pelo menos para efeitos práticos pode ser considerada desligada da planta mãe. Neste ponto o teor de umidade oscila entre 30 e 50% dependendo da espécie e inicia-se um processo de desidratação mais ou menos rápido, variando com o mecanismo que cada espécie utiliza para reduzir a umidade das sementes (deiscência do fruto, final do ciclo, etc.). A medida que perde água, as reações metabólicas dentro da semente vão diminuindo, até o ponto em que o metabolismo é baixíssimo e a respiração é quase zero. Nesta condição as sementes (ortodoxas) podem ser armazenadas por períodos longos. Por outro lado existem sementes (recalcitrantes), que não dispõe de mecanismos naturais para sobreviver com teores de umidade tão baixos e perdem a viabilidade quando secas. Nos dois casos a permanência da alta umidade prejudica sua qualidade fisiológica já que a taxa respiratória nesta condição é alta e um rápido processo de deterioração ocorre. UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 12 Assim a colheita deve ser sempre realizada o mais breve possível a partir do ponto de maturidade fisiológico e no caso de sementes ortodoxas o processo de secagem iniciado imediatamente após a colheita. No caso de sementes recalcitrantes, os processos de secagem e conservação devem ser estudados para cada espécie, visando ativar os mecanismos de tolerância à dessecação ou estabelecer técnicas de armazenamento das sementes com alto teor de umidade ou ainda em casos extremos realizar o plantio logo após a colheita. 13 2 COMPOSIÇÃO QUIMICA DE SEMENTES O conhecimento da composição química da semente é essencial por diversas razões: (1) as sementes são fontes básicas de alimento tanto para o homem como para os animais, (2) são importante fonte de produtos medicinais, (3) contêm vários produtos tóxicos que afetam homens e animais, (4) contêm suprimento de alimentos de reserva e substâncias de crescimento que influenciam na germinação das sementes e vigor das plântulas, no armazenamento e longevidade das sementes e nos seus usos industriais e agriculturais. A maioria dos nossos conhecimentos relativos à composição química de sementes são concernentes a espécies cultivadas, UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 14 destinadas a alimentação ou a industria. Informações relativas à espécies selvagens são relativamente escassas, embora novas pesquisas estejam gradualmente aumentando as informações sobre estas espécies. Além dos constituintes químicos encontrados em todos os tecidos de plantas, as sementes contém quantidades extras de substâncias químicas armazenadas como reserva de alimentos para sustentar a germinação. Estas reservas são acumuladas principalmente como carboidratos, óleos, e proteínas. Além disso as sementes contém também outras substancias químicas, muitas das quais de menor importância como reservas, mas muito importantes como substâncias controladoras do crescimento e do metabolismo. Em comparação com outras partes da planta, o conteúdo de minerais da maioria das sementes é marcadamente mais baixo e tende a se concentrar no tegumento e tecidos estruturais. Relativamente altas concentrações de minerais são encontradas em sementes de espécies como feijão, algodão, girassol, soja e grãos de cereais intactos. A composição química das sementes varia com a espécie e entre cultivares, por fatores genéticos e até mesmo dentro de cultivares, influenciada por fatores ambientais. Composição Química de Sementes 15 INFLUENCIA DE FATORES GENÉTICOS A composição química das sementes é basicamente determinada por fatores genéticos e varia entre diferentes espécies e partes da semente (Quadro 2), embora seja influenciada pelo ambiente e práticas culturais. QUADRO 2: Composição química média de sementes de algumas espécies (100g). UFLA – Lavras – MG - 1998 Espécie Água (%) Proteín as Lipídeo s Carboidratos Total (g) Fibra (g) Cinzas (g) Feijão Branco 10.9 22.3 1.6 61.3 4.3 3.9 Feijão vermelho 10.4 22.5 1.5 61.9 4.2 3.7 Feijão preto 11.2 22.3 1.5 61.2 4.4 3.8 Milho 13.8 8.9 3.9 72.2 2.0 1.2 Amendoim 5.6 26.0 47.5 18.6 2.4 2.3 Arroz(não brunido) 12.0 7.5 1.9 77.4 0.9 1.2 Centeio 11.0 12.1 1.7 73.4 2.0 1.8 Açafroa 5.0 19.1 59.5 12.4 - 4.0 Gergelim 5.4 18.6 49.1 21.6 6.3 5.3 Sorgo 11.0 11.0 3.3 73.0 1.7 1.7 Soja 10.0 34.1 17.7 33.5 4.9 4.7 Girassol 4.8 24.0 47.3 19.9 3.8 4.0 Trigo 12.5 12.3 1.8 71.7 2.3 1.7 UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 16 Composição química de diferentes partes de sementes de milho Semente inteira Endosperma Embrião Pericarpo Amido 74.0 87.8 9.0 7.0 Açúcar 1.8 0.8 10.4 0.5 Lipídeos 3.9 0.8 31.1 1.2 Proteína 8.2 7.2 18.9 3.8 Cinzas 1.5 0.5 11.3 1.0 Através de cruzamentos e seleções os melhoristas de plantas podem manipular a composição química de sementes de muitas espécies cultivadas, melhorando suas qualidades como alimento, fibras e matéria prima. Variedades modernas de soja, milho, sorgo, e trigo tem sido melhoradas e desenvolvidas para alto teor de óleos, proteínas ou carboidratos, com avanços significativos para as variedades. Tais modificações geralmente afetam o comportamento das sementes, mudando o padrão básico da espécie comrelação a aspectos tais como: germinação, vigor, armazenabilidade e interação com patógenos, sendo necessário portanto que os trabalhos de melhoramento considerem estes aspectos, quando do lançamento de novas cultivares. Composição Química de Sementes 17 INFLUENCIAS AMBIENTAIS Muitos fatores ambientais influenciam a composição química das sementes e por causa das interrelações entre estes fatores, algumas vezes torna-se difícil determinar as causas das variações. Um estudo de dois anos em oito híbridos de milho em três localidades de Michigan, revelou uma diferença no conteúdo de proteína de 7.44 a 12.88% dentro de híbridos (Norden et al. 1952). Semelhante influencia ambiental no conteúdo de proteína de grão de bico foi relatado na Rússia(Ivanov 1933). O conteúdo de proteína do trigo varia dependendo da localização geográfica da cultura(Baenziger et al. 1985). Condições ambientais de ano para ano também influenciam a composição química de sementes de amendoim(Ketring et al.1978) e ervilha(Glubbels 1981). Entre os fatores ambientais que influenciam a composição química estão a disponibilidade de água, temperatura, fertilidade do solo, e práticas culturais. INFLUENCIA DA ÁGUA Disponibilidade de água influencia a composição química de sementes. Por exemplo, é sabido que o conteúdo de nitrogênio protéico e qualidade das sementes são mais baixos em anos com poucas chuvas que em anos chuvosos e em terras irrigadas comparadas com culturas de sequeiro. Por outro lado altas taxas de irrigação reduz o conteúdo de nitrogênio nas plantas. Esta redução ocorre paralelamente a um UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 18 acréscimo em fósforo, potássio, cálcio, e magnésio visto que não são lixiviados pela água. Semelhantemente estudos com trigo e sorgo mostram que o conteúdo de nitrogênio de sementes maduras decresce linearmente com o aumento do suprimento de água durante o desenvolvimento da semente(Stone e Tucker 1968; Stone et al. 1964; Mathers et al. 1960). Estes estudos servem como exemplos claros de como os meios de alta umidade, os climas secos e a irrigação podem influenciar a composição mineral das sementes INFLUÊNCIA DATEMPERATURA Estudos tem demonstrado a influencia da temperatura na estrutura e composição química das sementes. O conteúdo de óleo em sementes de soja, por exemplo, depende da temperatura durante o desenvolvimento da vagem. Sementes desenvolvidas em temperaturas de 21oC apresentaram um conteúdo de óleos de 19,5%, enquanto aquelas desenvolvidas a 30oC apresentaram 22,3% de óleo. Em girassol, baixas temperaturas durante a formação das sementes favorece a produção de acido linoléico e altas temperaturas aumenta a quantidade de ácido oléico no óleo. Unger (1986) mostrou que a melhor qualidade do óleo de girassol era produzida durante as condições de frio do final do verão. Respostas semelhantes foram relatadas para qualidade de proteína e carboidratos em sementes de linho. Temperaturas altas aumentam o conteúdo de proteínas em trigo e Composição Química de Sementes 19 temperaturas baixas reduzem o conteúdo de proteínas em sementes de soja. Outros resultados tem mostrado que altas temperaturas noturnas aceleram o desenvolvimento e maturação em sementes de arroz, produzindo grãos gessados. Em baixas temperaturas noturnas, as sementes desenvolveram o grão branco leitoso. INFLUÊNCIA DA FERTILIDADE DO SOLO Talvez o parâmetro do meio de mais fácil controle entre aqueles que afetam a composição química da sementes seja a nutrição mineral que a planta mãe recebe. Na maioria dos casos, sementes que são deficientes em mineral terão performance pior quando comparadas com sementes normais, a não ser que sejam plantadas em solos que são nutricionalmente adequados e provido do conjunto essencial de elementos. Muitos estudos tem sido conduzidos para avaliar a influência do nitrogênio, fósforo e potássio sobre a qualidade da semente. Plantas de milho desenvolvidos sobre alta fertilização de nitrogênio ou baixa população produzem sementes com um conteúdo de proteínas mais alto que aquelas produzidas com baixo nitrogênio disponível ou altas populações (Wolfson and Sheaver 1981). Resultados similares com arroz indicam que quando estandes mais baixos são usados, cada planta de arroz tem maior acesso ao nitrogênio disponível, e podem absorver mais para suprir as sementes (Dedattar et al. 1972). Em solo rico em nitrogênio também observa-se o aumento no conteúdo UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 20 de proteína em sementes de trigo (Gele et al. 1985), arroz (Allem e Terman 1978) e algodão (Elmore et al. 1979). A aplicação de uréia foliar em plantas de trigo aumenta o conteúdo de proteína da semente. Por outro lado, Altman et al. 1983 e Scott 1969 mostraram que a aplicação de excesso de nitrogênio teve uma influência negativa indireta sobre a qualidade das sementes de beterraba. Quando o excesso de nitrogênio foi aplicado, a colheita da cultura era atrasada, as sementes das parcelas fertilizadas com nitrogênio estavam menos maduras que das parcelas que não receberam nitrogênio. Neste caso, a redução da germinação foi devido ao efeito do nitrogênio na maturação das sementes. Outros estudos indicam a importância do fósforo para produção de sementes de alta qualidade. Austin (1866) mostrou que sementes recém colhidas de plantas de agrião deficientes em fósforo tinham menor germinação que sementes de plantas não deficientes. Outros estudos têm mostrado que a adição de fósforo na planta mãe aumenta o conteúdo de fósforo na semente da ervilha (Pecti et al. 1880), soja (Cassman et al. 1981), e trigo (Poster and Paulsen 1983) e que sementes com baixo fósforo produzem plantas menores que sementes não deficientes. Poucos estudos têm sido conduzidos sobre a influência de potássio na qualidade e composição das sementes. Harringotn (1960) relatou que plantas de pimentão deficientes em potássio deram alta Composição Química de Sementes 21 proporção de sementes anormais com embriões e tegumentos de coloração escura. Tanto as sementes que apresentavam coloração normal como aquelas com coloração anormal originadas daquelas plantas tinham uma porcentagem de germinação mais baixa que as sementes controle, e sua qualidade declinou mais rapidamente no armazenamento. Outros elementos essenciais adicionados à planta mãe também serão encontrados em maiores concentrações nas sementes. Isto é verdadeiro para cálcio em amendoim (Coffelt & Hallock 1986); magnésio, zinco e boro em soja (Paker et al 1981; Ralioy e Deckinson 1984; Touchton e Boswell 1975), cobre em trigo (Soneragan et al 1980), e cádmio e selênio em alface e trigo (Cary 1881). INFLUÊNCIA DE PRÁTICAS CULTURAIS Ainda outros fatores ambientais associados com morfologia da planta e praticas de produção modificam o conteúdo químico da sementes. A proporção relativa de sete ácidos graxos varia dependendo da posição da sementes na planta (Diependrock e Geisler 1979). A primeira e segunda semente em uma espigueta de trigo tem concentração de nitrogênio mais alta que a terceira e a quarta. (Simmons e Moss 1978). O clima durante o desenvolvimento da sementes também influencia sua composição química (Auld et al. 1984). Semente de soja que tem maturação no final da estação de plantio tem UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 22 níveis de proteínas mais alto (Chikpi e Crookston 1881). A competição dentro do campo de produção também pode modificar o conteúdo químico da sementes, desde que haja maior concorrência entre plantas por quantidades limitadorasde nutrientes. Com o aumento da competição, o conteúdo de proteína diminui enquanto o conteúdo de óleo aumenta, em girassol (Rolunson et al 1980; Majiol e Schneiter 1987), arroz (Nandisha e Mahadenafppa 1889) e trigo e cevada (Read e Warder 1982). Interessante é que parece haver uma relação inversa em sementes oleaginosas entre o conteúdo de óleo e proteína. Quando o conteúdo de proteína aumenta, o de óleo diminui. Isto é provado em soja (Poole et a 1983); girassol (Mathers e Stewart 1982). Embora hajam grandes variações quantitativas entre os compostos constituintes das sementes, qualitativamente eles se apresentam mais estáveis, pelo menos considerando-os em seus grupos e funções nas sementes. 23 2.1 CARBOIDRATO ARMAZENADO EM SEMENTES Os carboidratos são as substâncias de reservas em maior quantidade nas sementes da maioria das espécies de cereais cultivadas, que são especialmente ricos destes compostos e pobres em óleos e proteínas. Por outro lado, as dicotiledôneas, de uma maneira geral, tem conteúdo de carboidrato moderadamente alto, com médio teor de proteínas e baixo conteúdo de óleo. Amido e hemicelulose são as principais formas de carboidratos de reserva em sementes. Outros carboidratos que ocorrem são pectinas e mucilagens mas não são reservas. 2.1.1. AMIDO O amido é o principal carboidrato de reserva dos cereais, embora seja também encontrado em outras sementes. É sintetizado a partir de açúcares mais simples, principalmente da sacarose que é o principal carboidrato transportado na planta. UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 24 CONVERSÃO DE SACAROSE EM AMIDO EM SEMENTES EM DESENVOLVIMENTO Sacarose Glicólise VIA HMP UDP 1 ATP ADP F F.6.P G.6.P 6 7 UDP.G PPi 2 8 UTP G.1.P G.1.P ATP 3 5 3 PPi ATP ADP.G PPi PRIMER ADP 4 AMIDO Enzimas Envolvidas 1. Sacarase Sintase; 2. Udp-G Pirofosforilase ; 4. Amido Sintase; 5. Nucleoside Bp Cinase; 6. Hexocinase; 7. Glicose 6-P Isomerase; 8. P Glicomutase. Carboidrato Armazenado em Sementes 25 O amido é, portanto, um polímero de glicose , unidas por ligações glicosídicas. LIGAÇÃO GLICOSÍDICA 6 CH2OH 5 CH2OH CH2OH 4 1 3 2 OHHO GLICOSE Encontra-se na forma de amilose, de cadeia reta com ligações 1,4 CH2OH CH2OH CH2OH O O AMILOSE Ou de amilopectina de cadeia ramificada com ligações 1,4 e 1,6 UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 26 CH2OH CH2OH CH2OH O O O CH2OH CH2OH CH2 O O AMILOPECTINA O amido é armazenado nas duas formas, amilose e amilopectina, que são dois pelimeros de D-glicose, um linear e o outro ramificado. É o principal e mais encontrado carboidrato de reserva em sementes. Amilose é composta de 200 a 1000 unidades de glicose, com um peso molecular na faixa de 10.000 a 100.000. A molécula tem uma estrutura helicoidal com seis anéis de glicose por hélice. Amilose adquire coloração azul quando em presença de iodo. Amilopectina, é uma molécula muito maior, formada de 20 a 25 unidades de glicose por ramo, com peso molecular variando de 50.000 a 1.000.000 e torna-se avermelhada quando exposta a iodo. Tanto a amilose quanto a amilopectina são hidrolisadas pelas enzimas e amilase durante o metabolismo normal de germinação. A amilase Carboidrato Armazenado em Sementes 27 possui um peso molecular de 60000 e requer o cation Ca++ para ativação e estabilização contra destruição proteolítica e desnaturação térmica. Esta enzima ataca amilose e amilopectina aleatoriamente, quebrando as ligações 1,4. As moléculas de amilose são quebrada em maltose (2 glicoses) e por ação de uma outra enzima, a Maltase, estas moléculas de maltose são quebradas em glicose. Sobre a amilopectina, a ação é semelhante, mas como a enzima não quebra ligação do tipo 1,6 a hidrólise é paralisada a medida se aproxima deste tipo de ligação, resultando em maltose, e dextrina chamadas dextrina limite. A enzima é sintetizada “de novo” na camada de aleurona de cevada e no escutelo do milho e nos cotilédones das dicotiledôneas. Em milho a amilase realiza 90% da atividade amilolítica e a amilase 10%. A amilase, também hidrolisa amilose e amilopectina a partir da extremidade não reduzida das moléculas quebrando as ligações 1,4 e produzindo maltose. No caso de amilose acontece uma hidrólise quase completa. Já no caso de amilopectina, como a enzima também não quebra ligações 1,6, a molécula é apenas parcialmente hidrolisadas, produzindo maltose e dextrina limite. As dextrinas resultantes da hidrólise da amilopectina através da e amilase são quebradas pela ação da enzima “R” ou oligo 1,6 glicosidase em maltose, que pela ação da maltase é transformadaem glicose. UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 28 Resumo da degradação amilolítica Amido Amilose - Amilopectina amilase Água Dextrina + Maltose Dextrina R ou oligo -1,6 glicosidase Água Maltose Maltose Maltase Água (2) glicose A amilase é pré existente em semente seca. Em grãos de trigo. Esta enzima está presente na forma ativa latente, aparentemente ligada à glutelina do trigo por ligações dissulfídrícas. Durante a germinação, uma substância capaz de desligar a ponte com a glutelina é secretada, liberando a enzima ativa. Em sementes a maior parte do amido é depositada no endosperma em corpos subcelulares chamados grãos de amido, que medem entre 2 a 100 de tamanho. Muitos grãos de amido parecem formar ao redor de um ponto central, o lumem, ao redor do qual coberturas de polissacarídios são depositados. Estas coberturas provavelmente refletem uma Carboidrato Armazenado em Sementes 29 periodicidade diurna na síntese e deposição de amido, porque em sementes desenvolvidas em regime de luz continua em condições experimentais estas placas são ausentes. A forma do grão de amido parece depender do conteúdo de amilose os menos irregulares, grãos redondos tem nível relativamente alta de amilose. 2.1.2. HEMICELULOSE Além do amido, uma outra forma de carboidradto armazenado em sementes é a hemicelulose. Hemicelulose é uma classe de polissacarideos encontrados nas paredes celulares das plantas, embora em certas sementes sejam encontrado como material de reserva. Esta definição inclue xilanas, mananas e galactanas, e mais um número de polissacarideos parecidos mas menos comuns. Eles são usualmente encontrados na camada espessada da parede celular do endosperma ou nos cotilédones. Muitas himiceluloses são mananas, ou seja, polímeros de cadeia longa de manose com ramificações de pequena e variáveis quantidades de açúcares (ex. glicose, galactose, aralunose). São particularmente características de sementes de muitas espécies palmaceas. 2.1.3 OUTROS CARBOIDRATOS EM SEMENTES Mucilagens – com exceção do amido e hemicelulose, a UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 30 quantidade de outros carboideratos encontrados em sementes é similar àquela encontrada em outras partes da planta, embora as mucilagens, freqüentemente podem ser encontradas em quantidade relativamente alta em sementes. São carboidratos complexos consistindo principalmente de polieuroides e galacturoides que quimicamente assemelha-se a compostos pepticos e hemicelulose. Fisicamente são semelhantes a goma encontradas na casca e troncos de muitas plantas. Compostos pepticos - São compostos que ocorrem em sementes e em outras partes da planta principalmente como componentes da parede celular e da lamela média. Os três principais compostos pepticos são acido peptico, pectina e protopectina. Ácido pectico é uma substância de cadeia longa e reta composta de 100 moléculas de acido galactunonies. Pectina difere de ácido pectico pela esterificação de muitos dos grupos carboxílicos e tem um maior número de resíduos de galacturonicos por cadeia. 31 2.2 LIPÍDIOS DE RESERVA SEMENTES Os lipídeos são constituintes encontrados em todas as partes das sementes, ocorrendo em maior percentagem no embrião (cotilédones) e, em alguns casos, no endosperma. Estão geralmente na forma de triglicerideos de ácidos graxos, sendo que nos vegetais predominam os ácidos graxos insaturados. Os triacilglicerois constituem as reservas de óleos das sementes, principalmente nas oleaginosas e os fosfolipídeos são os mais importantes componentes das membranas celulares. Os lipídios mais abundantes são os triacilglicerois que são formados do glicerol, (álcool) e ácidos graxos (acido), UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 32 O valor dos lipídios originários das sementes (tabela) para uso na alimentação e indústria tem contribuído muito para nosso conhecimento sobre a composição de sementes de oleaginosas. Óleos das sementes tem enorme versatilidade para usos industriais. Ao contrário das gorduras animais, sua natureza química altamente insaturada tem causado interesse crescente para a área da saúde. A ocorrência de altas concentrações de lipídios diferencia a sementes dos outros órgãos da planta, exceto de alguns frutos. O alto conteúdo de lipídio é usualmente associados com diminuição do conteúdo de proteína (por exemplo em soja, e algodão). Entretanto em algumas espécies, podem ser associados com altos níveis de carboidratos. Os lipídios são substâncias vegetais ou animais que são insolúveis em água, mas solúveis em éter, clorofórmio, ou outros solventes orgânicos. São ésteres de glicerol e ácido graxos e são conhecidos como glicerideos ou mais especificamente triglicerídeos, porque cada molécula de glicerol é combinada com 3 moléculas de acido graxo. Fosfolipídios 33 O C C C R C OH OH OH OH GLICEROL ACIDO GRAXO C C C C C C OH OH OH O O O OH OH OH Ligações Ester C=O C=O C=O C=O C=O C=O R1 R2 R3 R1 R2 R3 TRIACILGLICEROL Os radicais R representam os hidrocarbonetos que completam as moléculas dos ácidos graxos. Eles podem ser saturados quando não apresentam nenhuma dupla ligação ou insaturados quando apresentam pelo menos uma dupla ligação na cadeia. Os ácidos graxos de ocorrência mais comum nos vegetais são: UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 34 Insaturados: Acido oléico Acido linoléico Acido linolênico CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH HO O \ // C | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH || CH | CH2 | CH || CH | CH2 | CH || CH | CH2 | CH3 HO O \ // C | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH || CH | CH2 | CH || CH | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH3HO O \ // C | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH || CH | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH3 Fosfolipídios 35 Saturados: Acido Palmítico Acido Esteárico CH3(CH2)14COOH CH3(CH2)16COOH HO O \ // C | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH3 HO O \ // C | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH2 | CH3 UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 36 O termo lipídio é usado indiscriminadamente para gordura e óleo, como um termo genérico. Óleos (lipídeos com ácidos graxos insaturados) são diferenciados de gordura (lipídeo com ácidos graxos saturados) somente porque permanecem na forma líquida a temperatura ambiente, enquanto as gorduras permanecem sólidas. Os ácidos graxos são assim chamados porque são constituintes de gorduras naturais e em estado livre eles assemelham-se as gorduras nas propriedades físicas. São raramente encontrados, em estado livre, em outra parte da planta que não seja sementes germinando ou deterioradas, como resultado de hidrólise de gordura. Os ácidos graxos são saturados ou insaturados, dependendo do tipo de ligação de carbono na molécula. Os ácidos graxos insaturados contém uma ou mais duplas ligações que dispõe o composto a receber átomos de hidrogênio para formar o complexo saturado. Os ácidos graxos insaturados como ácido oleico (uma dupla ligação) e ácido linoléico (duas duplas ligação) são mais comuns em sementes, respondendo por 60% do peso de todos os lipídios presentes na maioria das sementes oleaginosas. Ácidos graxos saturados estão também presentes e contem um variado número de átomos de carbono (usualmente entre 4 e 24). Ácido Palmítico (16 carbonos) é o ácido graxo saturado mais comum em sementes. Fosfolipídios 37 2.2.1 CLASSIFICAÇÃO DOS LIPÍDIOS Os lipídios podem ser classificados como: a) simples; b) compostos,; c) derivados. Os lipídios simples são formados por ácidos graxos e glicerol ou outros álcoois e são representados pelos óleos e gorduras. Os lipídios compostos são esteres de ácidos graxos contendo grupos químicos adicionais. Os fosfolipídios são lipídeos compostos nos quais uma das 3 unidades de ácidos graxos é substituída por ácido fosfórico combinado com um álcool e as vezes um açúcar. Lipídios derivados são aqueles originados por hidrólise dos lipídios simples e compostos, e são solúveis em solventes orgânicos. As ceras são menos solúveis nos solventes usuais de lipídios que os gordurosos e óleos. Elas podem ser saponificadas, mas com maior dificuldade. São encontradas visualmente como revestimento de folhas frutos e sementes de muitas plantas. FOSFOLIPÍDEOS Os fosfolipídeos diferem dos triacilglicerois por possuírem um grupamento polar "cabeça", alem de suas caudas hidrocarbonadas e por isso são chamados de lipídeos polares. Servem primariamente como elementos estruturais das membranas e nunca são armazenados em grandes quantidades. UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 38 FOSFOLIPÍDEOS FOSFATIDILETANOLAMINA + NH3 CH2 ETANOLAMINA CH2 O ÁCIDO O P O- FOSFÓRICO O H CH2 H C C H O O C O C O CH 2 CH2 | | CH 2 CH2 | | CH 2 CH2 | | CH 2 CH2 | | CH 2 CH2 | | CH 2 CH2 | | CH 2 CH2 | | CH 2 CH | || CH 2 CH | | CH 2 CH2 | | CH 2 CH2 | | CH 2 CH2 | | CH 2 CH2 | | CH 2 CH2 | | CH 3 CH3 GLICEROL ÁCIDOS GRAXOS Fosfolipídios 39 Como seus nomes sugerem, este grupo de lipídeo contem em suas moléculas fósforo na forma de acido fosfórico. Os dois primeiros carbonos do glicerol são esterificados com duas moléculas de ácidos graxos e o terceiro carbono forma uma ligação Ester com o acido fosfórico. O fosfolipídeo contem ainda mais uma molécula geralmente um álcool, e as vezes um açúcar, ligada ao acido fosfórico formando a parte polar ou hidrofílica da molécula. A molécula de fosfolipídeo tem característica anfipática, ou seja, uma parte hidrofílica, a "cabeça" polar e outra parte hidrofóbica, a cauda hidrocarbonada. A característica anfipática dos fosfolipídeos (parte hidrofílica e parte hidrofóbica), faz com que suas moléculas se dispersem em meio aquoso formando camadas, onde as caudas hidrofóbicas ficam protegidas do ambiente aquoso e as cabeças hidrofilicas, eletricamente carregadas, são expostas na superfície, voltadas para o meio aquoso. 2.2.4 HIDRÓLISE DE LIPÍDIOS Quando sementes oleaginosas com alto conteúdo de lipídio estão germinando, há um rápido desaparecimento de lipídios com um concomitante aumento no conteúdo de sacarose. Ao mesmo tempo, há um aumento da atividade das lipases para promover uma gradual hidrólise dos triglicerídios para diglicerídios, monoglicerideos e finalmente glicerol livre e ácido graxo livre. Os ácidos graxos são a seguir oxidados pela e oxidação durante o curso da germinação. UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 40 Estes processos são descritos no capítulo de germinação de sementes. A maior parte dos lipídios são armazenados em estruturas armazenadoras chamadas esferossomas que tem tamanho de 0,2 a 0,6 de diâmetro. Muitas das enzimas essenciais para a biossintese de ácido graxo ou para hidrólise de triglicerideos estão presentes nos esferossomas. 41 H O | // R — C — C | \ N H 2 O H H N H O | // R — C — C | \ H O H 2.3 PROTEÍNAS DE RESERVA NA SEMENTEProteínas são moléculas nitrogenadas de tamanho muito grande e excepcional complexidade estrutural, a maior parte das quais produzem amino ácidos pela hidrólise das ligações peptidicas. H O | // R — C — C | \ NH2 OH AMINO ÁCIDO LIGAÇÃO PEPTIDICA UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 42 R H H O R H H O R H H O H C N C C N C C N C N C C N C C N C C OH H O R H H O R H H O R H POLIPEPTIDIO As proteínas, cujo nome significa "primeiro" ou o mais importante" são realmente as macromoléculas mais importantes encontradas nos seres vivos. São componentes básicos de toda célula viva e funcionam como enzimas, componentes estruturais e materiais de reserva. As sementes caracterizam-se por apresentarem uma parte das proteínas metabolicamente ativas, como enzimas e as nucleoproteínas, e outra metabolicamente inativas, as proteínas de reserva. De uma maneira geral, as proteínas, estão em menor proporção que os carboidratos e lipídeos, exceção feita a semente de soja. São encontradas em todos os tecidos da semente, ocorrendo em maiores concentrações no embrião e na camada de aleurona dos cereais. As sementes de cereais apresentam em geral, menor teor de proteínas que as sementes de leguminosas e oleaginosas. Os aminoácidos podem ser classificados segundo a polaridade do resíduo "R", porque esta característica é de grande importância na possível função que ele terá na molécula de proteína. Assim teremos: Proteínas de Reserva na Semente 43 1- Aminoácidos com grupos "R" não polares ou hidrofóbicos: Alanina; Isoleucina; Leucina; Metionina; Fenilalanina; Prolina; Triptofano; Valina. 2- Aminoácidos com grupos "R" polares, mas sem carga: Asparagina; Cisteína; Glutamina; Glicina; Serina; Treonina; Tirosina. 3- Aminoácidos com grupos "R" carregados positivamente: Arginina; Histidina; Lisina. 4- Aminoácidos com grupos "R" carregados negativamente: Acido aspártico; Ácido glutâmico. Conforme a natureza dos aminoácidos que participam de uma molécula de proteína, podem ser formadas as seguintes estruturas: 1- Estrutura primária: É aquela formada pela união dos aminoácidos por ligações peptídicas. 2- Estrutura secundária: Estrutura geralmente helicoidal resultante da ligação por pontes de hidrogênio entre as carbonilas e os grupamentos anino das ligações peptídicas. 3- Estrutura terciária: Refere-se a tendência da cadeia polipeptídica enrolar-se ou dobrar-se, formando uma estrutura complexa. São estabilizadas por ligações definidas pela polaridade dos radicais "R", dos aminoácidos que compõem a UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 44 cadeia polipeptídica. 4- Define a associação de uma unidade protéica com outra, atraídas por cargas dos radicais "R", dos aminoácidos de cada unidade. Proteínas são muito importantes para a vida de animais e plantas já que todas as reações fisiológicas das células vivas se processam através de suas propriedades físicas e químicas e de seus compostos correlatos. Ao lado da água, elas são os principais componente de todo protoplasma de células animais e vegetais. Soja é uma das poucas espécies conhecidas na qual proteínas como substância de reserva estão em maior quantidade que lipídios e carboidratos. A maiorais das plantas conhecidas com alto teor de proteína são as leguminosas com capacidade para fixar nitrogênio. As proteínas de armazenamento são menos complexas que as proteínas do protoplasma e provavelmente menos ligadas a lipídios e a outros grupos protéicos, embora sejam estruturalmente semelhantes. A grande maioria das proteínas de reserva em sementes são metabolicamente inativas e servem apenas para serem usada no crescimento de embrião durante a germinação. Proteínas metabolicamente ativas constituem uma pequena quantidade em relação ao total, mas são extremamente importantes para o desenvolvimento e germinação das sementes. Como enzimas, Proteínas de Reserva na Semente 45 elas catalisam todo o processo metabólico de digestão, transporte e utilização das reservas da semente, nenhum crescimento pode ocorrer sem elas. As nucleoproteínas são outras formas extremamente importantes de proteínas ativas e são moléculas de enorme tamanho. Elas são formadas por proteínas ligadas aos ácidos nucléicos e são um enorme conglomerado de moléculas compostas de uma proteína, uma pentose, um composto nitrogenado cíclico (purina ou purimidina) e um ácido fosfórico. Se a pentose é a desoxoribose, a nucleoproteína é chamada ácido desoxiribonucleico (DNA) se a pentose é D-ribose, a nueleoproteína é chamada acido ribonucleico (RNA). As duas formas são importantes por suas funções na síntese de proteína e seus cruciais papéis na estrutura e função dos cromossomas, genes e na própria vida. Proteínas são armazenadas na semente em unidades conhecidas como corpos protéicos que medem 1 a 20 de diâmetro delimitados por uma membrana lipoprotéica. Existe alguma semelhança com um grão de amido em tamanho e forma e são usualmente uma mistura de diferentes proteínas. Podem ser vistos como um tipo de unidades depositadas na camadas de aleurona das sementes de cereais e que durante a germinação, desempenham importantes papéis como fontes de nutrientes e como enzimas hidrolíticas que ajudam a quebra das reservas. Uma classificação de proteínas proposta num trabalho de Osborne (1924) em sementes de trigo, tem sido adotada. Ele purificou quatro UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 46 formas de proteínas e classificou com base na solubilidade, sendo duas delas metabolicamente ativas (globulinas e albuminas) e duas metabolicamente não ativas (Glutelinas e Prolaminas). Orhorne considerou ser estas as únicas proteínas que ocorrem em sementes Crockes e Barton (1957) descreveu-as da seguinte forma. Albuiminas - são solúveis em águas neutras ou ligeiramente ácida e são coaguladas pelo calor. Exemplo são as leocosinas dos grãos de cereais, legumelina de várias sementes de leguminosas, e ricina de arroz. São principalmente enzimas. Globulinas - são solúveis em soluções salinas mais não em água e são geralmente de coagulação mais difícil pelo calor. As gloluilinas são encontradas predominantemente em dicotiledoneas tais como leguminosas. São exemplos as leguminas, ligninas, glicinina e vacilina. Glutelinas - São insolúveis em soluções aquosas ou salinas ou em álcool etílico, mas podem ser extraídas com fortes soluções ácidas ou alcalinas. Glutelinas são encontradas na maioria das sementes de cereais. São exemplos as glutelinas do trigo e orizenina do arroz. Prolaminas- São solúveis em álcool etílico 70 a 90%, mas não em água. Elas são encontradas somente em sementes Proteínas de Reserva na Semente 47 de cereais: gliadinas do trigo e arroz e zeína no milho são exemplos. Sob hidrólise elas produzem prolina, ácido glutâmico e amônia. Em geral, glutelinas e prolaminas formam a maior parte da proteína da semente que são metabolicamente inativas, estão associadas com parte estrutural da semente. As proteínas das sementes em geral têm um alto conteúdo de nitrogênioe prolina e são pobres em lisina, treptofano e Metionina. UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 48 Página vazia (verso) 49 2.4 OUTROS COMPOSTOS QUÍMICOS ENCONTRADOS EM SEMENTES. 2.4.1 TANINOS Embora sejam encontrados em outras fontes da planta , como em cascas, eles também ocorrem em sementes, particularmente na estrutura do tegumrnto. Eles são encontrados na testa de sementes de feijão e cacau. (Bonner e Varner 1965). Taninos são compostos de alto peso molecular (500-3000), contendo fenólicos, hidroxilas, ou outros grupos macromoleculares. Esta característica dá a eles uma propriedade única de ligar com proteínas e UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 50 inibir suas atividades enzimáticas, e isto, é a base do seu uso no processo de curtume. 2.4.2 ALCALÓIDES Os alcalóides mais conhecidos que ocorrem em plantas e suas sementes são morfina de frutos da papoula, estricnina de sementes de Strychnos mux nomica, atropina da beladona e colchicina do açafrão do prado. Outros alcalóides extremamente comuns são a cafeína do café e do chá, nicotina das folhas do tabaco, e teobromina do cacau. Os alcalóides mais comuns, são compostos cíclicos complexos que contém nitrogênio. A maioria são brancos sólidos; Embora, a nicotina seja um líquido à temperatura ambiente. 2.4.3. GLICOSÍDEOS Embora a maioria dos glicosídeos sejam encontrados nos órgãos vegetativos das plantas, alguns aparecem em sementes. Os glicosídeos são formados pela reação entre um açúcar (usualmente glicose) e um ou mais compostos não açúcar. Em seu estado puro, eles são na maioria das vezes incolores, cristalinos, amargos, e solúveis em água ou álcool. Alguns dos glicosídeos, tais como, Saponina são altamente venenosos para homens e animais. Outros Compostos Químicos Encontrados em Semente 51 2.4.4 FITINA Fitina são compostos derivados de sais de potássio, magnésio e cálcio ligados ao ácido mioinozitol hexafosfórico. São as maiores reservas de fósforo nas sementes. Em cereais, a fitina é geralmente, associada com corpos de proteína na camada de aleurona e mais ou menos ausente dos corpos proteicos dos cotilédones. Durante a germinação de sementes, fosfatases que hidrolisam fitina aumentam diversas vezes. A atividade da fitase é mais alta na camada de aleurona e escutelo. Uma grande fonte de fosfato, magnésio e potássio das sementes está presente na fitina e muito do metabolismo da germinação nas sementes são dependentes da hidrólise da fitina e concomitante liberação de íons de magnésio e potássio. Em sementes de alface 50% do total de fósforo está ligado na fitina. 2.4.5. HORMÔNIOS O termo hormônio é utilizado para designar certos compostos orgânicos que quando presentes em quantidades muito pequenas, exercem importantes efeitos regulatórios no metabolismo de plantas e animais. Eles são de enorme importância para os seres vivos. Um hormônio bem conhecido em animais é a adrenalina, que exerce uma destacada influência no coração e sistema vascular. Muitos hormônios de plantas também ocorrem em sementes. Eles são designados como UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 52 fitohormônios , hormônios de crescimento , substâncias de crescimento e reguladores de crescimento. . GIBERELINA A presença de giberelina nas plantas superiores foi demonstrada por Radley (1956), mostrando ser capaz de induzir o crescimento em altura em ervilha anã, dando a ela uma altura de planta normal. As gliberelinas são componentes naturais de plantas e sementes. Elas têm papel importante tanto no desenvolvimento, como na germinação das sementes. A giberelina mais conhecida é o ácido giberélico(G A3), embora mais de cem já tenham sido identificados. . CITOCININAS Um outro grupo de compostos que ocorrem nas sementes e exercem influências hormonais são as citocininas. Elas foram descobertas inicialmente na água de coco ( Van Averbeek et al. 1941) . Quinze anos depois, a citocinina foi purificada e identificada sua estrutura química. A primeira citocinina de ocorrência natural a ser extraída de sementes foi a zeatina. Citocininas são necessárias para o crescimento e diferenciação celular; talvez esta seja a base de sua influência na promoção da Outros Compostos Químicos Encontrados em Semente 53 germinação. Elas têm efeito inibitórios da senescência de folhas e regulam o fluxo de compostos através dos sistemas das plantas. . INIBIDORES Existe crescente convicção entre os fisiologistas que dormência de sementes, gemas, tubérculos e outras partes da planta, é regulada por um balanço ou interação entre inibidores e promotores de crescimento endógeno. O ácido abscísico e a cumarina são inibidores que influenciam na germinação de sementes. O gás etileno pode inibir ou promover a germinação e é também considerado um hormônio. . VITAMINAS Quimicamente as vitaminas representam um grupo muito heterogêneo . Todas as vitaminas conhecidas e seus precursores imediatos são sintetizados pelas plantas superiores, embora não seja certo que todas sejam necessárias ao metabolismo das plantas. Entretanto, o papel específico de certas vitaminas tem sido determinado. Tiamina parece ser necessária para o desenvolvimento do embrião e endosperma de sementes de algumas espécies. Ela é também necessária para o desenvolvimento normal da raiz. Biotina e ácido ascórbico estão envolvidos nos processos respiratórios das sementes. UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 54 Página vazia (verso) 55 3 ÁGUA E TOLERÂNCIA À DESSECAÇÃO A água é a substância mais abundante nos sistemas vivos e perfaz até 70% ou mais do peso da maioria das formas de vida. É o meio onde ocorrem o transporte de nutrientes, as reações do metabolismo e a transferência da energia química. As sementes podem apresentar-se com diferentes teores de água, e na maioria das vezes se mantêm vivas mesmo com teores de água muito baixos. A água contida nas sementes pode ser classificada em 5 níveis de hidratação: a) Nível 1 ( de 0 a 10% g de H20/MS)- Neste nível a água tem sua moléculas fortemente associadas com a superfície das UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 56 macromoléculas por ligações iónicas e age mais como um elemento ligante do que como um solvente. b) Nível 2 ( de 10 a 22% g de H20/MS)- Neste nível a água estabelece uma ligação fraca com a superfície das macromoléculas. c) Nível 3 ( de 22 a 33% g de H20/MS)- Nesta faixa a água ganha sua propriedade de solvente e algumas reações metabólicas são desenvolvidas. O nível de hidratação assemelha-se a uma solução concentrada e a taxa de respiração aumenta a ponto de poder ser mensurável. d) Nível 4 ( de 33 a 55% g de H20/MS)- Neste nível a água exibe propriedades de uma solução diluída. A taxa de respiração é alta, muitas reações metabólicas ocorrem, e é nesta faixa que, para a maioria das espécies, a umidade é suficiente para promover a germinação das sementes. e) Nível 5 (acima de 55% g de H20/MS)- Neste nível os tecidos são considerados completamente hidratados e o metabolismo se desenvolve normalmente. Durante a fase inicial de formação da semente, os tecidos estão no nível de hidratação 5, e o metabolismo é possível, permitindo a formação das partes constituintes da semente e o acumulo das substancias de reserva. A medida que o teor de matéria seca vaiÁgua e Tolerância à Dessecação 57 crescendo, o grau de umidade da semente tende a diminuir. Na maturidade fisiológica a semente se encontra no nível de hidratação 4, no qual a germinação normalmente é impedida ou por deficiência de hidratação ou por algum fator endógeno à semente(dormência). Nesta fase há o desligamento da semente com a planta mãe e acentua-se a perda de água, com a tendência natural da semente estabelecer o equilíbrio higroscópico com o ambiente. Apesar da redução das atividades metabólicas com a diminuição do teor de água, no nível 3 a respiração ainda acontece em um nível relativamente alto. É nesta fase que normalmente se inicia a colheita. O teor de umidade no qual a semente atinge o equilíbrio higroscópico, logicamente varia com uma série de fatores inerentes à semente e às condições do ambiente, entretanto, naturalmente e na maioria das espécies este equilíbrio acontece no nível 2 e as sementes são armazenadas com grau de umidade entre 10 e 13%. Com esta umidade o metabolismo é praticamente nulo e a respiração é baixíssima (não mensurável). No nível 1, principalmente nos limites inferiores ou seja abaixo de 4% de umidade os danos provocados pela dessecação são irreversíveis. O estado de quiescência, no qual as sementes permanecem durante o armazenamento é altamente vantajoso do ponto de vista agronômico, porque permite a conservação das mesmas por longos períodos, já que praticamente não há consumo das reservas pela respiração. Entretanto nem todas as espécies conseguem se manter UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 58 vivas com um grau de umidade tão baixo. Algumas espécies, ditas recalcitrantes, não dispõem de mecanismos de proteção contra a dessecação e quando são secas abaixo de determinado nível de hidratação, perdem o poder germinativo. Por outro lado as sementes que toleram a dessecação, chamadas de ortodoxas, dispõem de alguns mecanismos de proteção capazes de manter os sistemas de membranas das células, as estruturas das macromoléculas e as substâncias de reserva em condições de readquirirem suas funções fisiológicas quando as sementes são reembebidas. Estes mecanismos de proteção contra danos por dessecação têm sido bastante estudados com o objetivo de estabelecer metodologias para preservar qualidade de sementes durante o armazenamento e principalmente para aumentar a logevidade de sementes recalcitrantes e semi recalcitrantes. Os principais danos que acontecem nas sementes em decorrência da dessecação são relativos as membranas fosfolipídicas das células, a desestruturação de macromoléculas e a oxidação de lipídeos. As membranas celulares são sítios primários de danos por dessecação. Um indicador deste tipo de dano é a lixiviação de várias soluções citoplasmáticas ( íons, açucares e proteínas) que ocorrem durante a reidratação dos tecidos das sementes secas. A taxa de lixiviação citoplasmática é positivamente correlacionada com o grau de sensibilidade à dessecação, isto é, sementes mais sensíveis à dessecação lixiviam mais que sementes menos sensíveis. Tal fato Água e Tolerância à Dessecação 59 indica que a lixiviação reflete uma perda parcial da semi-permeabilidade das membranas, sugerindo que as injúrias por dessecação são estreitamente associadas com disfunção das membranas. As membranas biológicas de células hidratadas tem a bicamada lipídica num estado liquido cristalino em temperaturas biológicas, com movimentos rotacionais e laterais das cadeias de ácidos graxos dos fosfolipídeos dentro da bicamada. Com a secagem a disposição dos fosfolipídeos na membrana muda da configuração lamelar para uma configuração hexagonal, causando disfunção desta membrana, que pode ser reversível ou irreversível dependendo do grau de dessecação e da natureza dos fosfolipídeos que a compõem. Esta transformação na membrana, bem como outras danificações tais como: - oxidação de lipídeos; perda de proteínas associadas às membranas; desnaturação de proteínas, acontecem com mais ou menos intensidade em função dos mecanismos de proteção desenvolvidos na semente durante a segunda metade do processo de sua formação. O desenvolvimento destes mecanismos depende de características genéticas das espécies que determinam a presença de substâncias como: - açucares solúveis; ante- oxidantes; enzimas que atuam contra o sistema de oxidação lipídica; proteínas especificas (late embriogenesis abundant proteins - LEA proteínas). Estes mecanismos apesar de serem determinados geneticamente podem ter suas presenças intensificadas ou reduzidas de UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 60 acordo com a taxa de secagem da semente ou o meio ambiente no qual a semente desenvolveu a fase final do seu desenvolvimento. SECAGEM REIDRATAÇÃO 25% ÁGUA 25% ÁGUA SECAGEM REIDRATAÇÃO CONFIGURAÇÃO LAMELAR CONFIGURAÇÃO HEXAGONAL FIGURA 7: (A) Orientação de menbranas fosfolipídicas em relação aos graus de hidratação.(Esquerda) Configuração lamelar com as cabeças polares em contato com o meio aquoso em ambos os lados da membrana. (Direita) Configuração hexagonal adquirida em baixos níveis de hidratação. (Abaixo) Destaca a presença e a desorganização das proteínas de membranas durante a secagem. UFLA - Lavras-MG, 1998. 61 4 GERMINAÇÃO E DORMÊNCIA Evidentemente, boa germinação é fundamental quando trabalhamos com sementes para o plantio e boa germinação significa, rapidez, uniformidade e alta porcentagem. Além disso, a plântula precisa possuir alta qualidade para gerar uma planta vigorosa. Uma semente é considerada germinada quando acontece a protusão da radícula. Todos os processos que antecedem esta protusão, são processos germinativos, e começam bem antes da germinação visível - sementes que não germinam sob condições favoráveis ou estão mortas ou dormentes. A dormência pode ser algum bloqueio morfológico ou fisiológico da semente que impede a germinação. UFLA/FAEPE - Fisiologia de Sementes 62 4.1 FASES DA GERMINAÇÃO Paralelamente a entrada de água na semente, a germinação se processa podendo ser dividida em 3 fases: INÍCIO DA GERMINAÇÃO VIÍVEL TEMPO FASE I FASE II FASE III E M BE B IÇ Ã O (A U M EN TO E M P ES O F R ES C O ) FIGURA 8: Padrão Trifásico de embebição durante as germinação de sementes. Bewley e Black, 1978 I - Reativação: Embebição, ativação de respiração e de meios metabólicos importantes. II - Indução do crescimento - fase lag, preparação para o crescimento III - Crescimento - Protusão de radícula Germinação e Dormência 63 4.1.1 FASE I - REATIVAÇÃO Embebição A semente seca apresenta atividade metabólica muito baixa. A reativação do metabolismo somente começa com a embebição. A entrada de água é primeiramente determinada pela diferença entre o potencial hídrico da semente e do meio no qual ela se encontra. Este potencial hídrico pode ser expresso pela seguinte fórmula: semente = + m + P onde: = Potencial osmótico m = potencial matricial P = potencial de pressão ou turgor A umidade geralmente é dada em MPa (mega Pascal) 1MPa = 9,87atm Assim, o potencial hídrico da célula na semente é determinado por 3 componentes: 1. - Potencial osmótico - Depende do número de moléculas dissolvidas na célula. Esta concentração de solutos influência a entrada de água. Quanto mais alta a concentração menor é o potencial hídrico e maior
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