1

FISIOLOGIA DE SEMENTES INTRODUÇÃO

Julio Marcos Filho

Tecnologia de Sementes

Depto. Produção Vegetal – USP/ESALQ

SEMENTE

- Desempenha importante função biológica +importância para a produtividade agrícola+ usos diretos e indiretos

- Estrutura biológica complexa, contendo umaplanta em miniatura acompanhada porsubstâncias de reserva e protegida por umacobertura (tegumento e/ou partes do fruto)

MEIO DE SOBREVIVÊNCIA PARA A ESPÉCIE

IMPORTÂNCIA DAS SEMENTES

Resistem a condições de ambiente,fatais à planta-mãe e a materiais depropagação

MEIO DE SOBREVIVÊNCIA PARA A ESPÉCIE

- Toleram a dessecação

- Dormênciadistribuição da germinação

no tempo

- Dispersão distribuição da germinação no espaço

GARANTIA DA CONTINUIDADE DA

SUCESSÃO DE GERAÇÕES

2

MEIO DE SOBREVIVÊNCIA PARA A ESPÉCIE

Sementes apresentam grande diversidade deformas e de tamanhos

- Tamanhos médios, em geral- Árvores: 328 mg- Arbustos: 69 mg- Plantas herbáceas: 07 mg

O número de sementes produzidas pela plantageralmente tem relação inversa com o seutamanho

Semente de Coco-do-Mar (double coconut palm): pode atingir 25 kg

MEIO DE SOBREVIVÊNCIA PARA A ESPÉCIE

Menores MaioresPlantas produzem maior númerode sementes

Plantas produzem número relativamentepequeno de sementes

Fácil dispersão pelo vento,disseminação ampla

Dispersão limitada, apenas comauxílio externo (homem, animais)

Germinam quando situadaspróximo à superfície do solo

Podem ser enterradas no solo egerminar sob maiores profundidades

Podem ser consumidas pororganismos no solo (insetos,pequenos animais)

Mais protegidas do ataque deorganismos predadores

Tamanho de sementes

ALIMENTOS E PRODUTOS ESSENCIAIS

- Sementes contribuem significativamente para a dieta humana, em proporções variáveis, de acordo com a região considerada

- Dez dos vinte e dois alimentos mais importantes de origemanimal e vegetal correspondem a culturas produtoras degrãos (sementes)

- Três (milho, arroz e trigo) dos dez produtos mais importantes, com base na quantidade disponível de alimentos, são cereais, representando aproximadamente 75% do suprimento mundial de alimentos.

3

ALIMENTOS E PRODUTOS ESSENCIAIS

- Espécies produtoras de sementes representam númerorelativamente pequeno de famílias, predominando asPoáceas (gramíneas) e as Fabáceas (leguminosas).

- Cereais: sementes ricas de amido (teor superior a 60%) eteor relativamente baixo de proteínas (inferior a 13,0%).

- Leguminosas: concentrações mais elevadas de proteínas(próximos de 40%), teores intermediários de amido e,geralmente, baixos de lipídios

- Oleaginosas: geralmente, teores elevados de lipídios (29 a54%) e de proteínas (próximos de 20%)

Aproximadamente 90 % dos grãos produzidos no mundo: cereais, predominando trigo, milho e arroz que representam a base alimentar de inúmeros países.

Cereais e leguminosas prevalecem na dieta humana emregiões da Ásia e da África, mas esse valor situa-se emtorno de 30%, em países mais desenvolvidos, onde osgrãos são convertidos em carne, leite, ovos e vários outrosprodutos.

ALIMENTOS E PRODUTOS ESSENCIAIS

PRODUTOS ESSENCIAIS

Matérias primas para a produção de vários artigos

essenciais ou materiais de multiplicação de plantas

importantes para a produção deóleos comestíveis, roupas, bebidas, substâncias

medicinais, madeira, papel, bioplástico, sabões,detergentes, vernizes, combustíveis e vários outrosprodutos

MULTIPLICAÇÃO DE PLANTAS

+ 350.000 espécies descritas

+ 250.000 multiplicadas por sementes

4

Semente centro das alterações planejadas pelos melhoristas

MELHORAMENTO DE PLANTAS

Mecanismo mais rápido e eficiente para difusão de novos cultivares

Conservação de germoplasmas: manutenção de genes para intercâmbio

Semente veículo dos avanços da genética Produção de milho (bu/acre) nos EUA, destacando-se os períodos dominados por cultivares de polinização aberta, híbridos duplos e híbridos simples (Crow, 1998).

Contreras

A SEMENTE COMO INSUMO AGRÍCOLA

Início da Agricultura na região dos rios Tigre e Eufrates, aproximadamente 12.000 A.C.

A SEMENTE COMO INSUMO AGRÍCOLA

Na época, descoberta de progenitores selvagens detrigo, cevada, linho, grão de bico, ervilha, lentilha,ervilhaca

Aproveitamento da água dos rios mediante a escavação de canais para irrigação

Formas selvagens (progenitores) das espécies quemais interessavam: domesticadas gradativamentepara atender as necessidades da humanidade

5

A SEMENTE COMO INSUMO AGRÍCOLA

ALGUMAS CONSEQUÊNCIAS DA DOMESTICAÇÃO:

- Perda da eficiência de mecanismos de dispersão (degrana, deiscência)

- Redução ou perda completa da dormência- Redução do ciclo de várias espécies. Exemplo: arroz

perene para anual- Aumento no tamanho das inflorescências, das sementes,

número de flores/planta

- Redução de exigências climáticas (Ex: fotoperíodo)

- Aprimoramento dos métodos de melhoramento

34

56

7

Evolução da população mundial a partir de 1950 U.S. Census Bureau – www.census.gov (2013)

Popu

laçã

o M

undi

al (b

ilhõe

s de

hab

itant

es

Anos

10?

A SEMENTE COMO INSUMO AGRÍCOLA

CRESCIMENTO DA POPULAÇÃO MUNDIAL E NECESSIDADE DE APRIMORAR TECNOLOGIA DE

PRODUÇÃO

Produção / área = cultivar + técnica cultural + insumos

CulturaPosição no

Mundo(1.000 t))

Produtiv. Mundial (kg/ha)

Maior Produtiv. (kg/ha) e País

Produtiv. Brasileira

(kg/ha)

Maior Produtiv. Estadual (kg/ha)

Algodão 5o (3,195) 1.516 4.713 (Síria) 3.597 (12o) 4.836 (MA)Arroz 9o (13,477) 4.404 9.567 (Egito) 4.896 (29o) 7.485 (SC)Café 1o (2,700) 791 2.412 (S. Leoa) 1.257 (8o) 2.400 (GO)Feijão 1o (3,435) 796 5.600 (Irlanda) 935 (61o) 2.925 (DF)Milho 3o (55,660) 5.185 9.803 (Itállia) 4.210 (55o) 6.740 (GO)Soja 2o (74,815) 2.533 3.870 (Turquia) 3.121 (3o) 3.042 (TO)Sorgo 9o (1.931) 1.527 6.923 (Turquia) 2.550 (31o) 4.660 (DF)Trigo 21o (5.690) 3.195 9.861 (Irlanda) 2.661 (551o) 5.708 (DF)

Produção e produtividade brasileira e mundial selecionadas de seis culturas de expressão econômica, em 2011.

6

Área cultivada, produção total e produtividade de grãos no Brasil, período 1991/2009 .Fonte: Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB/MAPA)

- Houve elevação consistente da produção nacional de grãos, sem variaçõesconsideráveis da área cultivada, refletindo o crescimento da produtividade e aeficiência da agricultura.

Área (milhões ha)

Produção (milhões t)

Produtividade (kg/ha)

Anos

Milh

ões

(t

ou

ha)

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500

5.000

Algodão Arroz Feijão Milho Soja Trigo

Prod

utiv

idad

e (k

g/ha

)

Culturas

1991 a 1993

2002 a 2004

2008 a 2010

2012

Evolução da produtividade brasileira (kg/ha) de seis culturas de economicamenteimportantes, no período 1991/2012.

Fontes: Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB/MAPA); Instituto Brasileiro deGeografia e Estatística

Cultura 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011/12

Algodão 49 49 44 44 44 44 55

Arroz 43 43 45 40 47 42 51

Feijão 13 15 13 11 11 11 18

Milho 85 85 83 83 84 84 91

Soja 50 50 54 61 64 64 67

Trigo 71 71 66 72 72 72 71

Taxas de utilização de sementes selecionadas de algumasculturas de expressão econômica, no Brasil(ABRASEM)

Taxas de utilização de sementes de soja, safra 2007/08

Fonte: ABRASEM e CONAB (2008), adaptado por Pádua (2008)

França Neto, 2009

7

Produção/área e taxas de utilização de sementes de soja, safra 2009/10

Fonte: ABRASEM e CONAB. Baseado em Pádua (2008) Milho 2011

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

RS PR GO MT MS SP SC

Pro

du

tivi

dad

e (k

g/h

a)

Estados

Produtividade

97%

91%

88%

87%

88% 85%82%

Uso de sementes

Trigo 2010

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500

RS PR GO MS SP SC

Uso

de

sem

ente

s (%

)

Pro

du

tivi

dad

e (k

g/h

a)

Estados

Produtividade

Uso de sementes

72%

45%

70%

70%

80%

70%

Comparação entre potencial fisiológico (G, TZ e EM) de sementes“próprias” e comerciais de soja, no depósito da semeadoraVillas Bôas e Peske (2007)

Porcentagem (Frequência de Lotes)

Porc

enta

gem

(Ger

min

ação

, Via

bilid

ade

TZ 1

-5, V

igor

TZ

1-3

e Em

ergê

ncia

de

Plân

tula

s)

8

À medida que se verifica o refinamento dosprogramas de melhoramento genético,cresce a demanda por sementes comatributos diferenciados de qualidade edesempenho de alta eficiência

O desenvolvimento de procedimentoseficientes para a produção, processa-mento e avaliação da qualidade dassementes somente pode ser concretizadoquando estiver apoiado em conhecimentosuficiente dos processos vitais dassementes, dos fatores que os afetam e desuas relações com o desempenho após asemeadura e durante o armazenamento

Estudo dos processos vitais das sementes,

com relação às suas funções e desempenho

(maturação, germinação, dormência, deteriora-

ção, vigor), sob ampla diversidade de

condições de ambiente (planta-mãe, solo,

processamento, armazém).

FISIOLOGIA DE SEMENTESAtividades do Fisiologista de Sementes

Trabalho conjunto com o melhorista

Assessoramento da produção de sementes

Assessoramento do beneficiamento

Assessoramento da secagem e armazenamento

Avaliação da eficiência de produtos químicos

Gerenciamento de programas de controle de qualidade

Avaliação da conveniência e gerenciamento de tratamento de sementes: produtos e processos

9

A EVOLUÇÃO DO CONHECIMENTO

Primeiro contato homem / fisiologia de sementes: estabelecimento da Agricultura

Euforia x conseqüências imediatas

Cultura egípcia: sementes símbolo do recomeço, do retorno à vida após a morte

Evenari (1980, 1981)

- Teofrasto (IV A.C.): pai da Fisiologia de Sementes (381-287 A.C.)

- Estudos sobre transferência de matéria seca planta / semente

- Fatores que afetam a germinação- Coordenação de estudos sobre dormência, arma-

zenamento, pré-embebição para a germinação,relações maturação/germinação

PROCESSO OU CARACTERÍSTICA TEOFRASTO PLÍNIO- Armazenamento de reservas na semente *** ---

- Efeitos benéficos da secagem --- ***

- Efeitos do ambiente durante a maturação *** ---

- Pericarpo e tegumento das sementes *** ---

- Impermeabilidade do tegumento em leguminosas *** ---

- Aspectos da dispersão *** ---

- Efeitos da água, temperatura, idade na germinação *** ---

- Comportamento de diferentes espécies quanto à germinação

*** ---

- Diferenças na longevidade *** ***

- Velocidade de germinação *** ***

- Embebição (condicionamento?) de sementes *** ---

- Tamanho de sementes x produtividade *** ---

- Zoocoria (passagem de sementes pelo trato intestinal) *** ***

- Peletização --- ***

- Tratamento contra organismos nocivos --- ***

10

Evenari (1980, 1981)

- Documentação sistemática apenas após o século XVII

Problemas de comunicaçãoGuerrasPerdas de documentos valiososInfluência da IgrejaInfluência da Política

- Século XVII:1654: longevidade de sementes de floríferas

(Laurenberg)

- Século XIX: primeiras pesquisas sobre polinização,fertilização, embriogênese e formação doendosperma

- Sachs (1859/1862): Pai da moderna Fisiologia deSementes: pesquisas sobre as relações entretemperatura e germinação, temperaturas cardeais,acúmulo de matéria seca durante a maturação emobilização durante a germinação, período de latênciapós-maturidade e eventos bioquímicos característicosda germinação

- Nobbe (1860): início da Análise de Sementes eprimeiro livro sobre o assunto

- Final do século XIX e início do XX: publicação devários artigos sobre germinação e desenvolvimentode plântulas, impermeabilidade do tegumento, efeitosde temperaturas alternadas, de promotores einibidores da germinação

- Flint e Mc Allister (1935 / 1937): relações entreradiações luminosas e germinação

- Revisões sobre deterioração de sementes:Crocker, em 1938 e 1948

Marco histórico em 1950: despertar da atenção para o vigor de sementes

Anos 1960 e 1970:- Vigor- Maturação- Germinação- Dormência

11

Anos 1980 e 1990- Condicionamento fisiológico- Efeitos de estresses ambientais- Tolerância à dessecação, estado vítreo- Bioquímica da germinação e deterioração- Sementes recalcitrantes- Vigor de sementes

Atualmente- Desempenho de sementes: diferentes aspectos- Análise de imagens de sementes e de plântulas- Técnicas de Biologia Molecular- Conservação de germoplasmas- Expressão de genes: genômica, proteômica,

transcriptômica, metabolômica, microarranjos

GENESCarregam as instruções fundamentais paragerenciar o desenvolvimento organizado deuma planta

A Fisiologia Vegetal e a Fisiologia de Sementesprocuram esclarecer como os produtos de umou mais genes se manifestam para expressar opadrão de desenvolvimento e como o ambienteafeta esse processo

Não é mais possível ignorar as relações Fisiologia de Sementes x Biologia Molecular

GenômicaEstudo do genoma completo, envolvendo o

seqüenciamento e mapeamento genético, além das

interações e expressões de genes

TranscriptômicaEstudo do da porção transcrita do genoma ou a análise

do conjunto de todo o RNAm transcrito, que pode ser

alterado com o tempo ou etapa do desenvolvimento.

Transcriptoma: fração do DNA que está sendo transcrita em RNAm num determinado momento.

ProteômicaEstudo completo das proteínas produzidas por uma célulaou organismo num determinado momento ou sob condiçãoespecífica (RNA-m é traduzido em proteínas)

MetabolômicaEstudo completo do conjunto de atividades metabólicas oude moléculas menores (metabólitos intermediários, produtossecundários, hormônios, etc) realizadas numa célula ouorganismo

QTLCaracteres definidos associados a regiões específicas dogenoma e que podem ser controlados por loci múltiplos.Marcadores moleculares têm permitido a identificação

precisa de QTL de caracteres muito importantes em plantas.

12

Estudos de genômica, transcriptômica, proteômica, metabolômica permitem, entre outros aspectos:

Identificar funções e interações de genes e proteínas

Associar genes a fenótipos pré-determinados

Determinar consequências fenotípicas de alterações em genes

Selecionar genes de interesse para programas de melhoramento e controlar sua expressão

É muito importante sequenciar e identificar a função de cada gene

A combinação dos segmentos da tecnologia “ômica”com os conhecimentos de Genética e de Fisiologia devemconduzir à identificação de genes, proteínas, metabólitos edos respectivos mecanismos reguladores que controlam amanifestações dos diferentes componentes da qualidadedas sementes

Podem, também, constituir marcadores para caracterizarcomponentes da qualidade, utilizáveis para selecionar ferramentas para programas de melhoramento vegetal; monitorar programas de controle de qualidade; aprimorar a qualidade das sementes mediante modificações do genótipo.

EXPRESSÃO DE GENES - Exemplos: etapas e peculiaridades do desenvolvimento

das sementesmecanismo genético do controle do tamanho

da sementecontrole da apomixiacontrole da dormência: indução e superaçãotolerância a estresses e à dessecaçãomanifestação do vigortermotolerância e longevidadeotimização de tratamentos condicionadores

MICROARRANJOS

Técnica Experimental da Biologia Molecularque busca medir níveis de expressão transcritaem larga escala, ou seja, que permite o examesimultâneo da expressão de milhares de genes

13

E.g. arranjo em Arabidopsis ATH1, representando 24.000 genes (Henk Hilhorst)

Ferramentas da bioinformática são necessáriaspara analisar e comparar a expressão depadrões.

Spencer, M. W.B., et al. Plant Physiol. 2007;143:924-940

Alterações em transcriptomas durante o desenvolvimento desementes (estádios embrionários globular, coração e torpedo)nas regiões apical (A) e basal (B)

A

B

Pesquisa no Brasil

- Oliveira e França Neto (1998):Não há registros de publicações sobre sementesno Brasil, durante o século XIX

Pesquisa no Brasil

- Primeiro artigo:Min. Agric. (1911) “Plantas e sementes: informa-ções práticas sobre a cultura do milho, cujo nome nasciencia é Zea mays”

- Primeira metade do século XX:Esforços individuais de poucos pesquisadores

- Meados dos anos 1960:Evolução com programas no exterior (Mississippi)

14

EVENTO ANO LOCAL Nº TRABALHOS

Seminários Brasileiros de Sementes

I SBS 1967 Viçosa, MG 21

II SBS 1968 Pelotas, RS 49

III SBS 1970 Recife, PE 47

IV SBS 1973 Fortaleza, CE 31

Subtotal -- -- 148

Relação dos Seminários e dos Congressos Brasileiros de Sementes ocorridos no Brasil entre 1967 e 2009

França Neto, 2009

Congressos Brasileiros de Sementes (ABRATES)I CBS 1979 Curitiba, PR 119II CBS 1981 Recife, PE 120III CBS 1983 Campinas, SP 154IV CBS 1985 Brasília, DF 214V CBS 1987 Gramado, RS 191VI CBS 1989 Brasília, DF 142VII CBS 1991 Campo Grande, MS 203VIII CBS 1993 Foz do Iguaçu, PR 286IX CBS 1995 Florianópolis, SC 368X CBS 1997 Foz do Iguaçu, PR 454XI CBS 1999 Foz do Iguaçu, PR 368XII CBS 2001 Curitiba, PR 558XII CBS 2003 Gramado, RS 816XIV CBS 2005 Foz do Iguaçu, PR 684XV CBS 2007 Foz do Iguaçu, PR 3161

XVI CBS 2009 Curitiba, PR 978XVII CBS 2011 Natal, RN 1.657

Subtotal -- -- 7.628TOTAL -- -- 7.776

1. Inclui Simpósio da ISTA França Neto, 2009

Pesquisa no Brasil

- Participação brasileira em Congressos da ISTA,a partir de 1992:

Argentina (1992) 12%Dinamarca (1995) 12%África do Sul (1998) 16%França (2001) 25% (2o)Hungria (2004) 22% (1o)Foz do Iguaçú (2007) 42,8% (1o)Alemanha (2010) 31% (1o)Turquia (2013) 22,4% (1o)

TEMAS Congresso 26 Angers, 2001

Congresso 27 Budapest, 2004

Congresso 28 Iguaçu, 2007

Congresso 29Colônia, 2010

Produção 11,9% (‡) 15,4% 7,2 % 9,6%

Fisiologia 30,6% 33,6% 30,0% 28,7%

Análise 26,0% 28,7% 25,0% 27,2%

Patologia 17,4% 12,6% 14,2% 12,5%

Secagem e Armaz. 6,4% 3,8% 15,9% 11,0%

Outros 7,7% 5,9% 7,7% 11,0%

No de trabalhos 219 286 391 136

(‡) Comparações dentro de cada linha: símbolos indicam acréscimos () oudecréscimos () de percentagens referentes a simpósios subseqüentes, dentro decada tema.

Distribuição percentual de trabalhos, de acordo com as principais áreas de pesquisa, em Simpósios ISTA, de 1998 a 2010.

15

Pesquisa Internacional

- Temas predominantes, no momento:Germinação, Maturação, Vigor, CondicionamentoFisiológico, Recalcitrantes, Tolerância à Dessecação,Aplicações da Biologia Molecular, Análise de Imagens,Conservação de Recursos Genéticos, Mecanismos deExpressão Gênica, Controle Biológico de Patógenos,Relações entre Proteínas e Processos Biológicos,Produção de Sementes Orgânicas

- Espécies: grandes culturas e, em menor escala,hortaliças, forrageiras e florestais

Carência: floríferas, frutíferas, nativas, medicinais

AS INCORPORAÇÕES DE NOVOS

CONHECIMENTOS E DE TÉCNICAS

DESENVOLVIDAS PELA PESQUISA

(Biologia Molecular, Bioquímica, Biofísica)

ACENTUA A NECESSIDADE DA EVOLUÇÃO

DA EFICIÊNCIA DOS PROCEDIMENTOS

ADOTADOS NAS DIFERENTES ETAPAS DE

UM SISTEMA DE PRODUÇÃO DE SEMENTES

NECESSIDADE DO APRIMORAMENTO PERMANENTE

DA COMPETÊNCIA DOS PROFISSIONAIS DEDICADOS À PESQUISA E TECNOLOGIA DE

SEMENTES

CONSEQUÊNCIA:A pesquisa com sementes tem percorrido longo

caminho e têm ocorrido acúmulo muitosignificativo do conhecimento com o decorrer dotempo

CONCLUSÃO

Embora a pesquisa acadêmica seja fundamental, osestudos devem focalizar as necessidades daindústria de sementes, dos tecnologistas desementes e produtores rurais para assegurar que apesquisa continue dinâmica e possa contribuir paraa solução de problemas fundamentais.