Fisiologia da floração

Fisiologia da floração

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Devido à sua importância econômica, a floração tem sido bastante estudada em todo o mundo e é objeto de inúmeras revisões que, de tempos em tempos, mostram os avanços do conhecimento científico sobre o tema. Certamente, a conversão do meristema caulinar vegetativo em estruturas reprodutivas é um dos mais dramáticos e ainda enigmáticos eventos na vida das plantas superiores. Enquanto a flor ação representa o término do ciclo de vida nas plantas anuais ou bianuais, nas plantas perenes marca o final de mais um ciclo de crescimento.

Apesar de se conhecer a longo tempo a estreita relação entre a floração e as estações do ano, esse processo ainda não é bem entendido pelos pesquisadores. Uma melhor compreensão de como as plantas respondem aos fatores ambientais, principalmente luz, temperatura, disponibilidade de nutrientes e água, trouxe benefícios incalculáveis para a horticultura e a agricultura em geral, permitindo a escolha das épocas e dos locais de plantio mais adequados, otimizando as colheitas e disponibilizando produtos em função das necessidades e demandas do mercado.

Estudos sobre a indução e o desenvolvimento floral, assim como abordagens científicas sobre a qualidade e a longevidade das flores, são indispensáveis para o aprimoramento das técnicas de cultivo e comercialização. Mesmo assim, grande parte do que se conhece sobre floração baseia-se em um número relativamente pequeno de espécies, geralmente herbáceas e de regiões temperadas, sendo nosso entendimento sobre as plantas tropicais ainda mais modesto e nem sempre conclusivo.

Durante o ciclo de vida das plantas, as células meristemáticas alteram suas vias de desenvolvimento, resultando na produção de novas estruturas. As plantas superiores apresentam três fases de desenvolvimento relativamente bem definidas e que ocorrem numa seqüência obrigatória: a fase juvenil, a fase adulta vegetativa e a fase adulta reprodutiva.

Diferentemente dos animais, as mudanças de fase nas plantas são centralizadas numa única região, o meristema apical caulinar. Existem três tipos diferentes de meristemas caulinares: o vegetativo, o floral e o de inflorescência. Os dois últimos são formados apenas quando a planta é induzida à floração.

A principal distinção entre a fase juvenil e a fase adulta vegetativa reside na possibilidade de que, nesta última, sejam formadas estruturas reprodutivas, como as flores, nas Angiospermas, ou os cones, nas Gimnospermas.

A transição da fase juvenil para a fase adulta vegetativa é geralmente um processo gradual, podendo ser acompanhada por alterações em algumas características vegetativas, como a morfologia e a disposição (filotaxia) das folhas ou a modificação na capa cidade de enraizamento de ramos ou mesmo de folhas. Por outro lado, a transição da fase adulta vegetativa para a fase adulta reprodutiva, caracterizando a primeira etapa da reprodução sexuada, está associada a mudanças profundas nos padrões de morfogênese e de diferenciação celular do ápice meristemático caulinar ou das gemas axilares próximas a ele.

As plantas exibem um gradiente espacial de juvenilidade no eixo caulinar.

Enquanto as células e estruturas que caracterizam a fase adulta e reprodutiva se localizam na região superior e periférica do ápice meristemático, os tecidos e órgãos juvenis estão localizados nas regiões inferiores do caule.

A transição floral envolve uma seqüência de etapas associadas a mudanças profundas nos padrões de morfogênese e diferenciação celular do ápice meristemático caulinar, apical ou lateral, resultando no meristema reprodutivo, suficientemente apto a produzir flores ou inflorescências. Por conveniência, subdivide-se o processo de floração em três fases: indução, evocação e desenvolvimento floral.

A indução floral refere-se aos eventos que sinalizam à planta a alteração do seu programa de desenvolvimento. Como conseqüência, o meristema caulinar se reestrutura para produzir um primórdio floral, em vez de um primórdio foliar. A indução floral ocorre principalmente nas folhas, podendo também se dar em outros órgãos.

O estímulo indutor resulta tanto de fatores endógenos, tais como o estado nutricional, os teores hormonais e os ritmos circadianos, como de fatores ambientais, portanto externos à planta, dentre eles o comprimento relativo dos dias (fotoperíodo), a irradiância, a temperatura e a disponibilidade de água.

A evolução de sistemas de controle interno (regulação autônoma, como observado em cultivares de floração precoce ou tardia da ervilha, Pisum sativum) e externo (regulação ambiental) permite a sincronização do desenvolvimento reprodutivo das plantas com o ambiente e, portanto, uma regulação bastante fina da época de florescimento, garantindo o sucesso reprodutivo. Relacionadas diretamente a esses processos, menciona-se a disponibilidade de polinizadores e, a seguir, a dispersão de frutos e sementes (por animais, vento, água etc.) e, finalmente, temperatura, luminosidade e umidade adequadas pata a germinação, crescimento e estabelecimento da nova planta.

Fatores ambientais A sucessão das estações do ano - primavera, verão, outono e inverno - é o fator ambiental mais constante do planeta, uma vez que depende substancialmente da forma e inclinação da Terra e de seus movimentos de rotação e de translação ao redor do Sol.

A habilidade das plantas e animais de detectar as variações do ambiente, como o comprimento relativo dos dias e das noites e as variações de temperatura, permite que determinado evento ocorra em uma época particular do ano, constituindo, portanto, uma resposta sazonal. Como exemplo, podem ser citadas a queda de folhas em muitas arbóreas, a formação e a brotação de gemas, a alteração na plumagem e a migração de aves, as fases de desenvolvimento dos insetos, a hibernação de mamíferos etc. Sincronizando os ciclos vegetativo e reprodutivo entre indivíduos da mesma espécie, o controle sazonal da reprodução favorece a fecundação cruzada e, portanto, a recombinação gênica, além de permitir que a progênie se desenvolva em condições ambientais favoráveis.

Já é bem conhecido que a floração de muitas espécies herbáceas e mesmo arbóreas está substancialmente associada às estações do ano, porém ainda não se compreende totalmente como ocorre a percepção e a transdução dos sinais ambientais pelas plantas. Aparentemente, a percepção dos fatores ambientais se dá de maneira integrada entre as diferentes partes da planta, de tal sorte que o controle da floração con- sistiria em um conjunto de sinais de natureza química que seriam transportados através do floema juntamente aos assimilados.

Para a floração, as plantas podem apresentar respostas qualitativas ou obrigatórias, isto é, quando há necessidade absoluta de um ou mais fatores ambientais para que o processo ocorra; e respostas quantitativas ou facultativas, quando a floração é promovida pelo fator ambiental, podendo ainda ocorrer na ausência deste.

Apesar de as regiões tropicais terem como característica não apresentar durante o ano variações substanciais de temperatura e fotoperíodo, são encontradas plantas suficientemente sensíveis às pequenas mudanças no comprimento relativo do dia, na irradiância (quantidade) e composição espectral da luz (qualidade), ou na temperatura.

O efeito do comprimento dos dias como fator determinante para a sazonal idade da floração foi originalmente proposto por Wightman Garner e Harry Allard, em 1920, trabalhando com plantas de soja e com o mutante "Maryland Mammoth" de tabaco. Foram esses autores que introduziram os termos fotoperíodo - comprimento relativo do dia e da noite - e fotoperiodismo - palavra grega que associa luz e duração do dia, e representa a habilidade de um organismo, planta ou animal, em detectar e responder às variações do comprimento dos dias. Atualmente, é bastante aceita a hipótese do envolvimento do ritmo circadiano nas respostas fotoperiódicas, como mecanismo controlador do tempo necessário para determinar os ritmos diários de expressão gênica e comportamento.

Dentre os processos do desenvolvimento vegetal regulados através do comprimento do dia, encontramse a tuberização, a dormência e brotação de gemas, a senescência, o enraizamento de estacas e a floração, sendo esta última a mais estudada. Enquanto as plantas que crescem mais próximas ao Equador tendem a florescer e produzir sementes em resposta a dias ligeiramente mais curtos, antes da seca e evitando as temperaturas elevadas do verão, nas espécies de regiões temperadas a floração ocorre principalmente na primavera e verão, de tal modo que a germinação e o crescimento inicial das plantas não ocorrem sob as condições adversas do inverno.

A resposta fotoperiódica de uma planta é determinada geneticamente e a sua classificação é baseada na transição floral. Dessa maneira, distinguem-se as plantas de dias curtos (PDC) ou de noites longas, que florescem quando mantidas em fotoperíodos inferiores a determinado valor crítico (fotoperíodo crítico), e as plantas de dias longos (PDL) ou de noites curtas que têm sua floração promovida quando o comprimento do dia excede certa duração (fotoperíodo crítico), num ciclo de 24 horas. Existem também espécies que não têm a floração regulada através do comprimento dos dias, sendo denominadas plantas neutras, indiferentes ou autônomas.

É necessário um estudo amplo para estabelecer a classificação correta de uma planta, pois o valor do fotoperíodo crítico é bastante variável entre as espécies e, muitas vezes, extremamente preciso, como na PDC Xanthium strumarium, em que a ocorrência ou não da floração pode ser definida num intervalo de apenas 15 minutos. Essa sensibilidade ao fotoperíodo tende a ser mais aguçada em algumas plantas da região equatorial, onde as oscilações no comprimento dos dias são pequenas entre as estações do ano. Em contrapartida, nos locais de maior latitude, a resposta ao fotoperíodo pode ser mais ampla, como observado na mostarda (Sinapis alba).

Experimentos detalhados, modificando-se a duração dos períodos relativos de luz e escuro, assim como a interrupção da noite através de uma exposição curta à luz (tornando ineficiente o período de escuro), ou a interrupção do dia com um período breve de escuro, evidenciaram a importância do período escuro como fator central na indução floral. Dessa maneira, plantas de dia curto necessitam de noites longas para florescer, enquanto as plantas de dia longo florescem quando períodos de noites curtas são fornecidos. Para estas últimas, o período mais prolongado de luz pode estar associado à necessidade dos produtos fotossintéticos para continuação dos processos bioquímicos iniciados no escuro.

O controle do desenvolvimento da planta pela luz é dependente da detecção e absorção do estímulo luminoso. Entretanto, a luz, por si só, não constitui a informação morfogenética, e o mesmo pode ser dito em relação aos receptores de luz na planta. A resposta morfogenética é resultante dos efeitos da luz captada pelos fotorreceptores quando em células sensíveis ou competentes para seguir uma nova via de desenvolvimento.

Essas respostas morfogenéticas nas plantas estão associadas à detecção de cinco regiões do espectro visível, através de, no mínimo, três classes de fotorreceptores, sendo elas: (1) fotorreceptor UV-B, formado por uma ou mais substâncias ainda desconhecidas e que absorve a luz na faixa do ultravioleta- B (entre 280 e 320 nm); (2) criptocromo, cuja denominação se deve à sua importância nas respostas morfogenéticas das criptógamas; é constituído por um conjunto de pigmentos ainda não identificados, os quais absorvem a luz na faixa do azul e do ultravioleta-A (entre 320 e 400 nm, ultravioleta longo); e (3) fitocromo, cuja absorção ocorre principalmente no comprimento de onda vermelho (660 nm) e vermelho extremo (730 nm). Os fotorreceptores controlam vários processos morfogenéticos nas plantas, desde a germinação e o desenvolvimento da plântula até a formação de novas flores e sementes. Neste capítulo será enfatizado o fitocromo, o fotorreceptor mais bem conhecido nas plantas vasculares.

Entre as décadas de 30 e 40, Lewis Flint e Edward McAlister observaram a promoção da germinação de sementes de alface sob luz com comprimento de onda vermelho, enquanto a inibição desse processo ocorria na presença de vermelho extremo. Em 1952, Harry Borthwick e cols. verificaram a reversão dos efeitos da luz com comprimento de onda vermelho após aplicação de vermelho extremo, e vice-versa. Essa reversão foi observada várias vezes, e o resultado final, inibição ou promoção da germinação, era dependente do último comprimento de onda oferecido às sementes.

A participação do fitocromo na flor ação foi sugerida por Borthwick e cols., entre os anos de 1945 e 1948. Através de experimentos de interrupção do período de escuro com luz mono cromática, em vez de luz branca, esses autores observaram que, sob luz com comprimento de onda vermelho, ocorria a inibição da floração na PDC Xanthium strumarium, enquanto a promoção desse processo era verificada na PDL Hordeum vulgare.

Semelhantemente à germinação, foi reproduzida, na indução da floração e em outros processos morfogenéticos, a reversão dos efeitos dos dois tipos de luz (vermelho, vermelho extremo), sendo que o último tipo de luz fornecida à planta determinava a ocorrência ou não da floração. Na década de 50, Harry Borthwick e Sterling Hendricks elaboraram a hipótese da existência de um pigmento fotorreversível, cuja absorção ocorria nos comprimentos de onda do vermelho e do vermelho extremo, hoje conhecido como fitocromo.

São encontradas duas formas de fitocromo: fitocromo vermelho (Fv) e fitocromo vermelho extremo (Fve). O Fv é a forma fisiologicamente inativa, sendo a única produzida no escuro. Na presença de luz, principalmente sob comprimento de onda vermelho, o Fv é convertido em Fve, sendo esta última a forma fisiologicamente ativa. Essa fotoconversão Fv <=> Fve é reversiva e tem a mesma cinética em ambas as direções. O Fve formado a partir do estímulo luminoso será o tradutor do sinal de luz para a célula sensível ou competente em responder a esse estímulo. A luz ou o Fve não têm influência sobre o desenvolvimento dessa competência.

Ambas as formas, Fv e Fve, absorvem a luz no comprimento de onda do violeta e do azul, porém os resultados são fisiologicamente menos efetivos quando comparados ao vermelho e vermelho extremo. A luz verde, por sua vez, é pouco absorvida pelo fitocromo, sendo sua interferência evitada nos experimentos com esses fotorreceptores através do uso de filtros.

Quimicamente, o fitocromo é uma cromoproteína formada por dois polipeptídeos de 120 kDa idênticos, e dois cromóforos ligados ao resíduo de cisteína de cada polipeptídeo por meio de um átomo de enxofre. O cromóforo corresponde ao sítio de absorção da luz no fitocromo, sendo um composto tetrapirrólico de cadeia aberta, semelhante ao pigmento fotossintético ficobilina presente nas algas vermelhas e cianobactérias. Quando sob luz com comprimento de onda vermelho, a forma Fv é convertida para Fve, ocorrendo uma isomerização eis-tram na estrutura do cromóforo e resultando em alterações na porção protéica do fitocromo. Essa mudança estrutural é a responsável pela atividade fisiológica do Fve e pela inatividade do Fv.

Nas PDC, um teor elevado de Fve no início do período noturno é vantajoso para a floração e, em alguns casos, é uma pré-condição para a indução floral. Por outro lado, na maioria das POL, a promoção da floração ocorre quando o teor de Fve é elevado na metade do período noturno. Apesar de esse comportamento rítmico também ser favorável nas POL, as respostas dessas plantas são aparentemente mais complexas e podem estar associadas também aos criptocromos.

Em meados da década de 80, alguns estudos evidenciaram a localização do fitocromo no núcleo e, principalmente, no citoplasma. Esses fotorreceptores foram classificados em dois grandes grupos: os fitocromos do tipo I, encontrados predominantemente nas raízes e plântulas estioladas, e os fitocromos do tipo lI, presentes nas sementes e nas plantas crescidas sob luz. A maior proporção do fitocromo do tipo I em plantas estioladas está possivelmente associada à sua maior capacidade de detectar baixos estímulos de luz, além de sua degradação na presença de luz.

Os dois tipos de fitocromo apresentam propriedades espectrais distintas. Por exemplo, em aveia, a forma Fv do tipo I tem uma absorção máxima em 6 nm, enquanto, para a forma Fv do tipo lI, esse valor se dá em 654 nm. As proteínas e os genes codificadores de ambos os tipos de fitocromo também são diferentes. Contudo, as diferenças restringem-se apenas à porção protéica, não tendo sido evidenciadas diferenças no grupo cromóforo dos dois tipos de fitocromo.

Uma vez que a luz é absorvida pelos fotorreceptores, ocorre a interpretação morfogenética do estímulo luminoso pela planta. Conforme é mostrado na Fig. 16.5, o fitocromo é o fator central na cadeia de reação e atua em cooperação com os demais fotorreceptores. Considerando suas propriedades físicas, o fitocromo seria insuficiente para avaliar e absorver com eficácia todo o espectro visível da radiação solar. A luz absorvida pelos outros fotorreceptores, o criptocromo e o fotorreceptor de UV - B, pode determinar a sensibilidade das plantas ao Fve. Esta aparenta ser uma estratégia simples na qual um único ativador (Fve) seria suficiente para controlar a expressão gênica e capaz de fornecer uma informação completa do espectro solar, determinando a amplitude da fotomorfogênese.

Atualmente são conhecidos dois mecanismos pelos quais os fotorreceptores podem desencadear os processos morfogenéticos nas plantas. O primeiro mecanismo é o rápido efeito sobre a permeabilidade de membranas, enquanto o segundo, mais lento, modifica a fosforilação de certas proteínas e a entrada e saída de Ca2+, interferindo na cascata de transdução dos sinais celulares e, conseqüentemente, alterando a expressão gênica.

Os fotorreceptores desencadeiam uma cascata de sinais que interagem com o ritmo circadiano, permi tindo, de uma forma ainda não conhecida, a mensu ração do comprimento do dia. Possivelmente, todas a respostas fotoperiódicas nas plantas utilizam os mes mos fotorreceptores, diferenciando-se, posteriormen te, através de vias específicas de transdução de sinais

Além dos fotorreceptores mencionados, na: crucíferas, um grupo de plantas no qual se inserem ai diversas variedades e mutantes de Arabidopsis larga. mente utilizados em estudos de Biologia Molecular como será visto adiante neste capítulo, foram identi· ficados outros pigmentos que absorvem, na faixa azul: do espectro, entre 455 e 500 nm. Entretanto, sem efeitos são difíceis de explicar e ainda não são total· mente conhecidos, pois o fitocromo também apresenta pequena absorção nesse comprimento de onda.

É fato bem estabelecido, na literatura, que a percepção do comprimento dos dias ocorre predominantemente nas folhas, e, em alguns casos, como nas PDC Chenopodium rubrum e Pharbitis nil, a percepção é feita pelos cotilédones. Em resposta ao estímulo fotoperiódico, as folhas sofrem mudanças metabólicas, resultando na produção independente de sinais bioquímicos transmissíveis, coletivamente denominados de sinal floral. O sinal floral seria então transmitido ao meristema caulinar que, quando receptivo (competente), inicia a transição floral. Entretanto, de forma curiosa, em plantas neutras, portanto não sensíveis ao fotoperíodo, as folhas também são fundamentais para a floração, tanto que plantas desfolhadas não são capazes de produzir flores.

O fato de a percepção fotoperiódica ocorrer nas folhas enquanto a floração se dá no meristema caulinar sugere a necessidade de transmissão de um sinal floral químico entre esses dois órgãos distantes na planta, possivelmente através do floema.

A idade e o tamanho da planta interferem na sensibilidade ao comprimento do dia. Assim, há um número mínimo de folhas para que algumas plantas herbáceas respondam ao estímulo fotoperiódico. As respostas fotoperiódicas também podem ser profundamente modificadas por outros fatores ambientais, dentre estes a temperatura e a irradiância, esta última envolvendo alterações na capacidade fotossintética.

A floração induzida fotoperiodicamente parece estar associada à modificação nos teores de citocininas, giberelinas ou nas concentrações de açúcares. Entretanto, na grande maioria das vezes, aplicações hormonais não substituem totalmente o tratamento fotoperiódico na indução floral, assim como, para algumas espécies, como a POC Kalanchoe blossfeldiana, a floração ocorre sob períodos bem curtos de luz, da ordem de alguns segundos, não envolvendo portanto a fotossíntese.

Essas evidências indicam a presença de uma ou mais substâncias móveis, entre as partes da planta, capazes de induzir a floração, mas que, até o presente momento, não foram identificadas. Apesar disso, o conhecimento da influência da luz e do controle fotoperiódico da floração tem possibilitado grandes avanços na comercialização de algumas espécies ornamentais, como Chrysantemum (POC) e Euphorbia pulcherrima (bico-de-papagaio, POC).

Nas plantas, a temperatura do ambiente também é um fator determinante de algumas respostas sazonais. No início do século X, J. Gustav Gassner observou a necessidade de temperatura abaixo de determinado valor para a formação de flores em certas espécies de regiões temperadas. Nestas, a floração ocorre na primavera ou no início do verão, após exposição da planta, durante certo número de dias, às baixas temperaturas do inverno (1 a 7°C, acima, portanto, do ponto de congelamento). Esse processo é denomi nado vernalização e, muitas vezes, está associado à necessidade posterior de dias longos, como verificado no centeio (Secale cereale) e em diversos cultivares de plantas anuais, dentre estas a beterraba, repolho, couve e aipo.

As plantas bianuais são as que necessitam completar dois ciclos de vida antes da floração. Nessas plantas, a germinação ocorre na primavera, seguindo-se o período de crescimento da parte aérea; durante o inverno, as folhas senescem e caem; na primavera seguinte, novas folhas são formadas e, desde que tenha ocorrido a exposição apropriada ao frio, há um rápido alongamento do pedúnculo floral.

Em algumas espécies, a desvernalização, ou seja, um tratamento de calor (em geral entre 30 e 40°C por alguns dias), pode eliminar, parcial ou totalmente, o efeito promotor de temperaturas baixas sobre a floração. Para ser eficaz, esse tratamento deve ser dado logo após o período de frio.

Experimentos com resfriamento localizado e enxertia têm demonstrado que os receptores do tratamento de frio são os tecidos com atividade mitótica, dentre os quais os meristemas caulinares que se tornam competentes para florescer. Entretanto, variações de temperatura também podem afetar a indução das folhas ou modificar outras etapas da resposta floral, tais como a iniciação e o desenvolvimento das gemas florais.

As temperaturas ótimas para a floração podem variar dependendo da idade e do estado fisiológico da planta. Enquanto algumas espécies respondem à vernalização em estágios precoces do desenvolvimento, ainda na fase de embrião ou no início da germinação, como observado em alguns cereais, outras se tornam sensíveis após adquirirem um tamanho mínimo. Entretanto, as temperaturas mais favoráveis à floração podem resultar em plantas com características menos atrativas, tais como uma redução no número e no tamanho das flores.

Postula-se que as respostas às variações de temperatura seriam parcialmente reguladas por hormônios endógenos, tendo inclusive sido sugerida a existência de uma substância específica, a vernalina; esta, todavia, até hoje não foi identificada. Na cenoura, a aplicação de giberelina mimetiza o efeito da vernali zação e, na orquídea Phalaenopsis, um aumento nos teores endógenos de citocininas e açúcares foi associado à diminuição da temperatura. Em outra orquídea tropical, Oendrobium sp., modificações na temperatura alteraram também positivamente os teores de citocininas. Aumentos substanciais de citocininas em plantas de outras famílias, quando mantidas em temperaturas baixas, têm sido observados.

Do ponto de vista comercial, é bastante conhecida a indução floral por meio de choques térmicos de baixas temperaturas nas plantas orquidáceas, como Phalaenopsis,

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