Etileno - (LTC) de NUTES

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
PÓLO AVANÇADO DE XERÉM
GRADUAÇÃO EM BIOTECNOLOGIA
CURSO FISIOLOGIA VEGETAL(XBT355)
TURMA 2015/2
Hormônios vegetais – Parte II
Prof. Dr. Silas Pessini Rodrigues
Rio de Janeiro,
24 de novembro de 2015
Citocinas
Processos associados:
• Controle da divisão celular
• Crontrole da distribuição de
nutrientes
• Desenvolvimento de
nódulos da raíz
• Manutenção de células
embrionárias
• Regulação dos efeitos da
auxina
trans-zeatina, Ex. de uma citocina
Citocinas formam uma família de compostos
relacionados à adenina
Isopentenyl adenine
trans-zeatin
dihydrozeatin
cis-zeatin
Hirose, N., Takei, K., Kuroha, T., Kamada-Nobusada, T., Hayashi, H., and Sakakibara, H. (2008). Regulation of cytokinin biosynthesis, compartmentalization and translocation. J. Exp. Bot. 59: 75–83.
Citocinas são antagônicas aos efeitos de
auxinas
CT
Auxina
Promove
manutenção
do meristema
apical do caule
Promove a
iniciação da
organogênese
no ápice do
caule
Promove
organogênese
no meristema
apical da raíz
Mantêm
células
meristemáticas
do ápice
radicular
Promove
formação
de ramos
Inibe a
formação
de ramos
no caule
Inibe
Promove ramificações
ramos na na raíz
raíz
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE Wolters, H., and Jürgens, G. (2009). Survival of the flexible: Hormonal growth control and adaptation in plant development. Nat. Rev. Genet. 10: 305–
317. Copyright 2009.
O ápice radicular é regulado por auxinas
e citocinas
Área de
direnciação
celular
Área de
divisão
celular
Transporte
de auxina
Os efeitos da auxina sobre a síntese,
transporte e resposta da citocina (e vice versa)
coordenam as atividades celulares do ápice
radicular.
Citocina
Transporte e
resposta a auxina
Síntese de
citocína
Auxina
Auxina, citocina e estrigolactonas
controlam a formação de ramos laterais
Raízes laterais são
induzidas por
auxina e inibidas
por citocinas
Ramos são
induzídos por
citocinas e inibidos
por auxina e
estrigolactonas
Coleus shoot image by Judy Jernstedt, BSA ; lateral root image from Casimiro, I., et al. (2001) Auxin transport promotes Arabidopsis lateral root initiation. Plant Cell 13: 843-852.
A sinalização mediada por citocinas
envolve um sistema de dois componentes
Domínio
receptor
Domínio
transmissor
Domínio
receptor
H
D
Histidina Kinase
Domínio
transmissor
Proteína reguladora
Sistema de dois componentes: via de sinalização curta
em que a informação é transmitida de um receptor para um
transmissor.
Em bactérias, é formado por duas proteínas 1) histidina
kinase (com um resíduo de histidina conservado, H), e 2)
proteína reguladora (com um resíduo de aspartato
conservado, D).
Os dois componentes “trocam” o
grupo fosfato
ATP
ADP
P
H
Histidina Kinase
P
D
Proteína reguladora
O estímulo ativa a função histidina kinase 
fosforila o resíduo de histidina  grupo fosfato
transferido para a proteína reguladora
Sistema de dois componentes em plantas
H
Histidina kinase híbrida
D
H
Histidina fosfotransferase
(HPt)
D
Proteína
reguladora
Muitas histidina kinase de planta são híbridas (possuem tanto o domínio
transmissor (H) quando o domínio receptor (D)  o grupo fosfato é transferido de
do resíduo de aspartato para uma histidina fosfotransferase (HPt)  a HPt
transfere fosfato para um aspartato em uma proteína regulatória.
Citocinas controla a expressão gênica
em Arabidopsis
Receptor
H
H
D
D
HPt
D
A-ARR or CARR
ARR: Reguladores de resposta
de Arabidopsis
B-ARR: fatores de trasncrição
A- e C-ARR: intermediários de
sinalização de citocinas  vias
desconhecidas
H
D
B-ARR
Transcrição
Giberelinas
•Crescimento vegetativo
•Germinação de sementes
•Promove o florescimento
•Determina o sexo em
algumas espécies
•Promove o crescimento de
frutos
Giberelina (GA4)
As giberelinas formam uma
família de compostos
GA4 é a GA mais ativa
em Arabidopsis
Somente algumas GAs são
ativas biologicamente. As
principais GAs ativas estão
demonstradas aqui.
Sun T (2008) Gibberellin metabolism, perception and signaling pathways in Arabidopsis: September 24, 2008. The Arabidopsis Book. Rockville, MD: American Society of Plant Biologists. doi: 10.1199/tab.0103
Giberelinas regulam o crescimento vegetal
O mutante de ervilha (le) estudado
por Mendel codifica uma GA3
oxidase, que produz GA ativa. A
perda de função no mutante le reduz
os níveis de GA ativa e causam
nanismo.
Ativo
Inativato
selvagem
Mutante le
Lester, D.R., Ross, J.J., Davies, P.J., and Reid, J.B. (1997) Mendel’s stem length gene (Le) encodes a gibberellin
3-hydroxylase. Plant Cell 9: 1435-1443.
Muitos dos “genes da revolução verde”
controlam a síntese de GAs
Durante a “Revolução Verde” no
século XX, o uso de plantas semianãs e de fertilizantes permitiram
um aumento substancial na
produção de grãos.
As plantas anãs investem mais
energia na produção de sementes
do que na produção de ramos.
Elas são também mais rígidas e
menos passíveis de tombamento.
Melhorista vegetal
Nobel Laureate
Norman Borlaug (1914-2009)
Photos courtesy of S. Harrison, LSU Ag center and The World Food Prize.
Sinalização induzida por GAs
Proteínas DELLA
inibem o crescimento,
em parte através do
bloqueio da
transcrição. GAs
induzem a degradação
de DELLA pela via do
proteassoma.
Reprinted from Davière, J.-M., de Lucas, M., and Prat, S. (2008) Transcription factor interaction: a central step in DELLA function. Curr. Opin. Genet. Devel. 18: 295–303.with permission from Elsevier
Brassinosteróides
•Alongamento celular
•Crescimento do tubo
polínico
•Germinação de
sementes
•Diferenciação de tecidos
vasculares e raízes
•Tolerância a estress
Brassinolide, o
brassinoesteróide
mais ativo
Mutantes para síntese de brassinosteróide
(BR) são anãos
Arabidopsis
BRs promoverem afrouxamento
de paredes celulares
Tomato
Pea
Paredes mais
fexíveis
Menor resistência para expansão
celular
Bishop, G. J., and Koncz, C. Brassinosteroids and plant steroid hormone signaling. (2002) Plant Cell14: S97-S110.
O bloqueio da via de sinalização de
BRs promove nanismo em cevada
H
H
Wild-type
uzu
Cell
elongation
Less cell
elongation
As plantas uzu possuem
uma mutação no receptor
de BRs, tornando-as
menos sensíveis à BRs.
Esta é a primeira planta
produtora de grão obtida
através da manipulação da
via de sinalização por BRs.
Chono, M., et al., (2003) A semidwarf phenotype of barley uzu results from a nucleotide substitution in the gene encoding a putative brassinosteroid receptor Plant Physiology 133:1209-1219.
Hormônios principalmente envolvidos
no crescimento reprodutivo
• Giberelinas
• Etileno
Controle hormonal do desenvolvimento
reprodutivo
Em angiospermas:
• Transição do crescimento
vegetativo para o
reprodutivo  marcado pelo
desenvolvimento da flor 
seguido pelo
desenvolvimento e
maturação do fruto 
seguido do
desenvolvimento,
maturação e germinação da
semente
Photo courtesy of Tom Donald
O meristema do ápice caulinar vegetativo versus
meristema reprodutivo
Juvenil
Mudança de fase para o
Zona central
Juvenil  Células centrais  divisão lenta
Adulto  células centrais  divisão rápida
Adulto
O papel de GAs na iniciação do florescimento varia de
acordo com a espécie e com o hábito de crescimento
Lolium temulentum
Gramínea anual de
região temperada
SIM!
Beta vulgaris
Bi-anual
SIM!
Malus domestica
Perene
NÃO!
Arabidopsis thaliana
Anual
Dias curtos Dias longos
SIM!
NÃO!
Photos courtesy of Plate 271 from Anne Pratt's Flowering Plants, Grasses, Sedges and Ferns of Great Britain c.1878, by permission of Shrewsbury Museums Service; David Kuykendall ARS; Vincent Martinez; Takato
Imaizumi.
Giberelinas induzem o florescimento em algumas plantas
por induzirem a expressão de genes florais
AP1-AP3 --- APETALA 1 E 3
PI ---- PISTILLATA
AG --- AGAMOUS
M: tratado com etanol
GA: tratado com 100 μM GA
Proc Natl Acad Sci U S A. 2004 May 18;101(20):7827-32.
Etileno promove o florescimento em
gramíneas
A parte comestível do
abacaxí se desenvolve
à partir de flores de
abacaxizeiro. As
plantas são tratadas
com etileno para
sincronizar o
florescimento.
Images couresy of Dave McShaffrey, Marietta College, ©2009, used by permission.
Desenvolvimento floral
Os hormônios contribuem
para o desenvolvimento floral
de diversas formas:
• Estruturação do meristema
floral
• Desenvolvimento de órgãos
florais
• Desenvolvimento de
estruturas masculinas e
femininas de reprodução
• Alongamento celular
Etileno e giberelinas estão envolvidos na
determinação sexual
Hermafrodita
Masculina
Feminina
Image courtesy of Abdelhafid Bendahmane, URGV - Plant Genomics Research INRA
Desenvolvimento e maturação de frutos
também estão sob controle hormonal
A polinização inicia a
senecência de pétalas,
divisão e expansão celular
no ovário  seguidos de
desenvolvimento e
maturação do fruto
Auxinas e giberelinas promovem a
divisão celular e crescimento de frutos
Variedades de uva sem sementes
 requerem GAs exógenas
Receptáculos de morango 
respondem à aplicação de
auxinas
Auxina + GA
GA
Auxina
Photo credits: Grape flowers by Bruce Reisch; Strawberry flower by Shizhao
O amadurescimento de frutos é
induzido por etileno
Auxina +
GA
O gás etileno o amolecimento
de frutos bem como o
desenvolvimento de cor e sabor
Etileno
Etileno
•Controle do
amadurescimento
•Controle da senescência
de folhas e pétalas
•Controle da divisão e
alongamento celular
•Determinação sexual
•Controle do crescimento
de raízes
•Repostas a estresse
H
H
C
C
H
H
C2H4
C2H4
Resposta tripla de plântulas de ervilha
etioladas ao etileno
O etileno unduz a resposta triplice:
•Reduz alongamento
•Inchaço do hipocótilo
•Encurvamento do ápice caulinar
Etileno promove senescência de
folhas e pétalas
Ar livre (controle) 7 dias com Et
Plantas de algodão
Etileno promove a
senescência de folhas
e pétalas.
Em casas aquecidas à
gás, as plantas eram
projudicadas pela
produção de etileno.
Aspidistra é uma
planta resistente à Et
 planta popular em
áreas frias.
Beyer, Jr., E.M. (1976) A potent inhibitor of ethylene action in plants. Plant Physiol. 58: 268-271.
Etileno diminui a longevidade de
frutos e flores
Os níveis de etileno
podem ser modulados
para manter os frutos
frescos, tanto
comercialmente
quanto em casa.
Estratégia para o controle dos níveis de etileno
Limitar a produção  alto CO2 ou baixo O2
Remoção de Et do ar  reação com KMnO4, absorção por zeolite
Uso de interferentes do receptor de etileno  tiosulfato de sódio
(STS), diazociclopentadieno (DACP), etc.
Reprinted from Serek, M., Woltering, E.J., Sisler, E.C., Frello, S., and Sriskandarajah, S. (2006) Controlling ethylene responses in flowers at the receptor level. Biotech. Adv. 24: 368-381 with permission from Elsevier.
Frutos climatéricos: aumento na respiração é
precedido por um pico de síntese de etileno
Modificação genéticas podem limitar a síntese
de etileno
ACC
synthase
S-adenosil
metionina
ACC
oxidase
ACC
(Ácido carboxílico 1aminociclopropano)
ACC sintase
“antisense”
Controle
H
H
H
C
C
H
Etileno
A introdução de um gene antisense para interferir na síntese
de etileno é uma estratégia
efetiva no controle da síntese de
etileno.
Theologis, A., Zarembinski, T.I., Oeller, P.W., Liang, X., and Abel, S. (1992) Modification of fruit ripening by suppressing gene expression. Plant Phys. 100: 549-551.
Mutante para a percepção de etileno
apresentam distúrbios de amadurescimento
Ar ou
Etileno
Wild type
Receptor
CTR
Diversas mutações
que afetam a
percepção e a
sinalização interferem
com o
amadurescimento do
fruto.
Green-ripe
Never-ripe2
Never-ripe
Barry, C. S., et al. (2005) Ethylene insensitivity conferred by the Green-ripe and Never-ripe 2 ripening mutants of tomato. Plant Physiol. 138: 267-275.
Ácido abscísico (ABA)
Processos associados
•Maturação e dormência
de sementes
•Tolerância à discecação
•Resposta à estresse
•Controle da abertura de
estômatos
ABA
ABA é acumulado em sementes em
maturação
Desenvolvimento
do embrião
Acúmulo de
reservas
Tolerância à
discecação
A maturação de sementes requer a
síntese de ABA e o acúmulo de
proteínas específicas para conferir
tolerância à discecação.
ABA: aspectos estruturais
Aonde ABA é encontrado na planta?
Tempo (h) de exposição de plantas à seca.
ABA aparece primeiro no hipocótilo
Na raiz  só aparece depois de 10 h
Receptores de ABA: existem algumas classes de
receptores
1. PYR/PYL/RCAR – presentes no
citoplasma e núcleo
2. CHLH – localizado no plastídeo 
controla expressão gênica
3. Proteína G (GTG1 e GTG2) – presente
na membrana plasmática
A dormência de sementes envolve a
síntese e sinalização por ABA
ABA
Proteína
kinase
Fator de
transcrição
A perda da função
sinalizadora do
ABA (proteína
kinase ou fatores
de transcrição) 
interferem com a
dormência
induzida por ABA
 causa
germinação
precoce.
Transcrição
Nakashima, K., et al. (2009) Three Arabidopsis SnRK2 protein kinases, SRK2D/SnRK2.2, SRK2E/SnRK2.6/OST1 and SRK2I/SnRK2.3, involved in ABA signaling are essential for the control of seed development and
Dormancy. Plant Cell Physiol. 50: 1345–1363. Copyright (c) 2009 by the the Japanese Society of Plant Physiologists with permission from Oxford University Press. McCarty, D.R., Carson, C.B., Stinard, P.S., and
Robertson, D.S. (1989) Molecular analysis of viviparous-1: An abscisic acid-insensitive mutant of maize. Plant Cell 1: 523-532.
Uma vez dormentes e secas, as sementes podem
permanecer viáveis por períodos muito longos
Sementes de plantas de lotus de 500
anos de idade  germinadas com
sucesso
Palmeira proveniente
de sementes de 2,000
anos de idade.
A existência de uma casca dura e
espessa  mantêm a viabilidade de
algumas espécies
From Sallon, S., et al. (2008). Germination, genetics, and growth of an ancient date seed. Science 320: 1464, with permission from AAAS Lotus picture by Peripitus
GA é requerida para a germinação de
sementes
A germinação
requer a
eliminação de
ABA e produção
de GAs 
promove o início do
desenvolvimento e
a quebra de
substâncias
armazenadas
Mobilização
de reservas
Expansão
celular
GA
ABA
GAs são utilizados na indústria de bebidas para
promover a germinação de grãos de cevada
A quebra do amido do endosperma
amilífero é induzida por GAs
produzidos pelo endosperma ou
adicionado durante o processo de
maltagem.
GA
GA
sugars
amylase
starch
Embryo
Endosperm
Aleurone
Images by Prof. Dr. Otto Wilhelm Thomé Flora von Deutschland, Österreich und der Schweiz 1885 and Chrisdesign.
Desenvolvimento vegetal versus
desenvolvimento animal
Em plantas  desenvolvimento continua ao
longo do ciclo de vida  não existe um carácter
do desenvolvimento que seja pré-determinado 
o desenvolvimento se desdobra em resposta à
fatores ambientais (comprimento do dia,
temperatura, competição, nutrients, etc.)
Em animais  desenvolvimento é completado ao
final da embriogênese