O Fitocromo: Um Pigmento Sensor de Luz que Regula o Desenvolvimento das Plantas

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O FITOCROMO E O CONTROLE DO DESENVOLVIMENTO DAS PLANTAS PELA LUZ 1 Curso: Agronomia Disciplina: Fisiologia Vegetal • Quais são as Características das plantas que crescem na sombra? • O processo é reversível? • Como as plantas percebem que estão na sombra? • O fitocromo é um pigmento Proteico solúvel que absorve luz nas regiões do vermelho, vermelho-distante e Também luz azul.  O tamanho da semente Interfere na germinação? Todas as sementes precisam de luz pára germinar? 3 4 Figura 16.3 Fotografia em sequência temporal (time lapse) de um coleóptilo de Milho (Zea mays) crescendo em direção a uma fonte unilateral de luz azul Aplicada do lado direito. Na primeira imagem à esquerda, o coleóptilo tem ±3 cm De comprimento. As exposições consecutivas foram feitas com intervalos de 30 Minutos. Observe o ângulo crescente de curvatura à medida que o coleóptilo Dobra. (Cortesia de M. A. Quiñones.) 5 Figura 16.4 As plantas podem usar luz Visível e radiações UV-A e UV-B como sinais de desenvolvimento (todos os Comprimentos de onda em nm). PROPRIEDADES FOTOQUÍMICAS E BIOQUÍMICAS DO FITOCROMO Fitocromos? • Fotorreceptores absorvem luz vermelha e Vermelho-distante (600- 750 nm), luz azul (350-500 nm) e radiação UV-A (320-400 Nm). • Em 1930, o papel do fitocromo se resumia a respostas morfogênicas Induzidas pela luz vermelha na germinação de sementes. • Atualmente, sabe-se Que atua praticamente em todos os estádios de muitas plantas. 6 1 2 3 4 5 6 27/09/2019 2 7 • Um avanço na história do fitocromo foi a descoberta que os Efeitos da luz vermelho sobre a morfogênese poderiam ser revertidos por meio da Radiação com a luz vermelho-distante. • O fenômeno foi visto na germinação de Sementes, no crescimento de caules, folhas e na indução floral. • A germinação De sementes de alface é estimulada pela luz vermelho e inibida pela luz Vermelho-distante. • O que acontece quando sementes de alface são expostas de Forma alternada a luz vermelho e vermelho-distante? • Sementes que recebem luz Vermelho como tratamento final germinam; • As que recebem vermelho-distante Como tratamento final não germinam. 8 9 Figura 16.5 A germinação de sementes de Alface é uma resposta fotorreversível típica controlada pelo fitocromo. A luz Vermelha promove a germinação das sementes, porém seu efeito é revertido pela Luz vermelho-distante. Sementes embebidas (umedecidas) foram submetidas a Tratamentos alternados de luz vermelha seguida de luz vermelho-distante. O Efeito do tratamento de luz depende do último tratamento aplicado. Pouquíssimas Sementes germinaram pós o último tratamento com luz vermelho-distante. O Fitocromo pode se interconverter entre as formas Pr e Pfr • Em plantas Cultivadas no escuro, o fitocromo está presente na forma que absorve a luz Vermelha (Pr). • O Pr é convertido pela luz vermelha pára uma forma que absorve A luz vermelho-distante (Pfr). • O Pfr pode ser convertido de volta a Pr pela Luz vermelho-distante. • A propriedade de conversão/reconversão (Pr/Pfr) é Conhecida como fotorreversibilidade. 10 Quando moléculas Pr são expostas à luz Vermelha, a maior parte absorve esta luz e é convertida a Pfr; Alguns Pfr Também absorvem luz vermelha e são convertidos de volta a Pr, pois ambos (Pr e Pfr) absorvem luz vermelha. A proporção de fitocromo na forma Pfr, após Saturação com luz vermelha é de 85%. A pouca quantidade de luz Vermelho-distante absorvida pelo Pr não possibilita a conversão completa do Pfr A Pr pela luz vermelho-distante. Ocorre equilíbrio na proporção 97% Pr e 3% Pfr. Além da absorção da luz vermelha, ambas as formas de fitocromo absorvem Luz na região azul. Por isso, os efeitos podem ser induzidos pela luz azul, que Pode converter Pr a Pfr e vice-versa. 11 Intermediários de vida curta do Fitocromo • A fotoconversão de Pr a Pfr e Pfr a Pr não são processos de um Único passo; • A luz solar é uma mistura de comprimentos de onda. • Sob Taís Condições de luz branca, tanto Pr e Pfr são excitados, e o fitocromo percorre Um ciclo contínuo entre as duas formas; • Nesta situação, as formas Intermediárias do fitocromo se acumulam e perfazem uma fração significativa da Quantidade total de fitocromo. O Pfr é a forma fisiologicamente ativa do Fitocromo • As respostas do fitocromo são induzidas pela luz vermelha, que em Teoria poderiam ser em função do aparecimento da forma Pfr ou do Desaparecimento da forma Pr. • Há uma relação entre a resposta fisiológica e a Quantidade de Pfr gerado pela luz; • Essas evidências levaram a conclusão de Que o Pfr é a forma fisiologicamente ativa do fitocromo;  O fitocromo é um dímero composto por dois Polipeptídeos 14 Figura 16.8 Estrutura das formas Pr e Pfr do cromóforo (fitocromobilina) e a região do peptídeo ligada ao cromóforo por meio de uma Ligação tioéter. O cromóforo é submetido a uma isomerização cis-trans no Carbono  em resposta às luzes vermelha e Vermelho-distante. (Cortesia de Clark Lagarias.) • Fitocromo: dímero composto por Duas subunidades, a molécula de pigmento que absorve luz (cromóforo) e uma Cadeia polipeptídica (apoproteína). • Cromóforo + Apoproteína formam a Holoproteína (aa + não aa). • Há somente um cromóforo por monômero de Apoproteína e este é ligado à proteína através de uma ligação tio éster a um Resíduo de cisteína. Estrutura do dímero do fitocromo.  A fitocromobilina (cromóforo de plantas Superiores) é sintetizada dentro de plastídios e derivada da rota que ramifica Da clorofila. Vai do plastídio pára o citosol por um processo passivo. Existem Dois tipos de fitocromo • O fitocromo é mais abundante em plantas estioladas, é Constituído por uma mistura de proteínas, codificadas por diferentes genes. Existem 2 classes de fitocromo, denominados de: • Tipo I – é mais abundante em Plantas cultivadas no escuro; • Tipo II – ocorre em igual proporção ao Tipo I Sob cultivos ao sol. 16 • A família de genes do fitocromo é denominada de PHY, E seus membros são: PHYA, PHYB, PHYC, PHYD e PHYE. • Monocotiledôneas possuem: PHYA, PHYB, PHYC • Dicotiledôneas possuem outras derivadas por duplicação de Genes. O fitocromo é codificado por uma família multigênica Os genes PHY Codificam dois tipos de fitocromos • Os produtos dos membros das famílias PHY Podem ser classificados como fitocromos Tipo I e Tipo II. • PHYA é o único gene Que codifica fitocromo Tipo I • O gene PHYA é ativo em plantas cultivadas no Escuro, porém sua expressão é inibida na luz em monocotiledôneas; • Em Dicotiledôneas o efeito inibitório da luz na transcrição do PHYA é menos Drástica. Assim, a aveia e outras monocotiledôneas perdem rapidamente a maior Parte de seu fitocromo Tipo I na luz por inibição de transcrição, degradação do MRNA e proteólise.  Em dicotiledôneas os Níveis de fitocromo Tipo I também declinam na luz, mas não tão drasticamente. O Restante dos genes PHY (PHYB, PHYC, PHYD e PHYE ) codificam os fitocromos Tipo II. Embora detectados em plantas verdes, também estão presentes em plantas Estioladas. Isso porque a expressão dos mRNAs não é alterada pela luz e as Proteínas phyB, phyC, phyD e phyE são mais estáveis na forma Pfr que na PfrA. 20 Localização DO FITOCROMO EM TECIDOS E CÉLULAS O fitocromo é difícil de ser Detectado em tecidos verdes, é mascarado pela clorofila. Em plantas estioladas, O maior nível de fitocromo é encontrado em regiões meristemáticas. O fitocromo É expresso diferentemente em diferentes tecidos. Onde estão as maiores Concentrações de fitocromo? Os fitocromos são mais abundantes em tecidos jovens, Indiferenciados, nas células onde há maior quantidade de mRNAs e promotores Mais ativos. 21 CARACTERÍSTICAS DAS RESPOSTAS DAS PLANTAS INDUZIDAS POR FITOCROMOS • São várias as respostas induzidas pelo fitocromo, e da quantidade Da luz necessária pára induzir as respostas. • As respostas induzidas pelo Fitocromo podem ser agrupadas em: • Eventos bioquímicos rápidos • Mudanças Morfológicas lentas, incluindo movimento e crescimento 22 As respostas do Fitocromo variam entre a indução e a resposta • As respostas morfológicas à Fotoativação do fitocromo podem ser muito curtas ou durar semanas; • As Respostas mais rápidas são os movimentos reversíveis das organelas ou alteração No volume da célula (expansão e encolhimento) • A inibição (luz vermelha) da Taxa de alongamento do caule em quenopódio cultivado na luz é observado em 8min, após aumento de seu nível de Pfr. • Fitocromo - fenômeno escape da Fotorreversibilidade. • Eventos induzidos pela luz vermelho são reversíveis Pela luz vermelho-distante apenas por um período limitado de tempo, depois Disso a resposta é dita escapada do controle de reversão pela luz. As respostas Dos fitocromos podem ser distinguidas pela quantidade de luz exigida • A Quantidade de luz exigida é referida como fluência (mol m-2), é o número de Fótons atingindo uma unidade de área de superfície. • Algumas respostas do Fitocromo são sensíveis a irradiância (mol m-2 s-1), ou taxa de fluência, da Luz; • Cada resposta do fitocromo possui uma faixa característica de fluências. Três tipos de respostas do fitocromo, com base em sua sensibilidade à fluência. As magnitudes relativas das respostas representativas estão plotadas no gráfico Em relação às fluências crescentes de luz vermelha. Curtos pulsos de luz ativam As respostas à fluência muito baixa (VLFRs) e respostas à baixa fluência (LFRs). Visto que as respostas à alta irradiância (HIRs) são proporcionais à Irradiância27/09/2019 5 As respostas do fitocromo podem ser distinguidas pela Quantidade de luz exigida • VLFR –plantas de aveia cultivadas no escuro, a luz Vermelho pode estimular o crescimento do coleóptilo e inibir o crescimento do Mesocótilo. • Esse processo converte menos de 0,02% do fitocromo total a Pfr. • A intensidade luminosa é muito baixa, não consegue ativar a germinação por Completo. 25 As respostas em fluência muito baixa não são fotorreversíveis As Respostas do fitocromo podem ser distinguidas pela quantidade de luz exigida • LFR – inclui a maioria das respostas fotorreversíveis pela combinação Vermelho/vermelhodistante, Taís como a germinação de sementes de alface e Regulação dos movimentos foliares. • Um breve pulso de luz vermelha pode Induzir uma resposta, desde que seja intensa o suficiente. 26 As respostas em Fluência baixa são fotorreversíveis O espectro de ação LFR inclui um picó Principal pára a estimulação, na região do vermelho, e um picó principal pára Inibição da germinação. As respostas do fitocromo podem ser distinguidas pela Quantidade de luz exigida • HIR – plantas cultivadas no escuro são expostas à Luz de irradiância alta por várias horas, o que acontece com elas, deixam de ser Estioladas?  As respostas em irradiância Alta são proporcionais à irradiância e a duração 29 Espectros de ação da HIR de Plântulas estioladas possuem picos nas regiões do vermelho-distante, azul e UV-A • As HIRs, Taís como a inibição do crescimento do caule ou do hipocótilo, Têm sido estudadas em plantas estioladas cultivadas no escuro. • Qual é o Espectro que inibe o alongamento do hipocótilo em alface cultivada no escuro? A Resposta à luz vermelho-distante contínua cai rapidamente quando as plântulas Começam adquirir coloração verde. Por que? FUNÇÕES ECOLÓGICAS: Evitação DE SOMBRA O fitocromo permite às plantas se adaptarem a alterações nas condições Luminosas • A presença de um pigmento reversível em resposta a luz Vermelho/vermelho-distante nas plantas verdes, sugere que esses comprimentos da Luz