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UNIDADE XIII – FITOCROMO E FOTOMORFOGÊNESE

1. Introdução

2. Fitocromo

2.1. Descoberta

2.2. Propriedades físicas e químicas

2.3. Distribuição

3. Características das respostas das plantas induzidas pelo fitocromo

4. Funções ecológicas

4.1. Evitar a sombra

4.2. Ritmos circadianos

4.3. Especialização do fitocromo

5. Domínios funcionais do fitocromo

6. Mecanismos celulares e moleculares

INTRODUÇÃOSabe-se que a luz está relacionada ao crescimento

vegetal controlando vários processos fisiológicos, tais como: Fotossíntese (azul e vermelho), fototropismo (azul), abertura estomática (azul e vermelho) e fotomorfogênese (azul, vermelho e vermelho-distante).

O efeito da radiação luminosa (280 a 800 nm) no desenvolvimento vegetal, ou seja, a morfogênese controlada pela luz, independente da fotossíntese, sendo denominado de FOTOMORFOGÊNESE.

As primeiras observações foram feitas por Julius vonSachs (1882) em abóbora: “Plântulas que crescem no escuro adquirem uma aparência característica (caules finos, rudimentares e alongados e folhas amareladas)”. Ele denominou esta síndrome de doença do estiolamento.

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As respostas fotomorfogenéticas em plantas parecem estar sob o controle de três

fotorreceptores

• FITOCROMO - Absorve luz nas regiões do azul, vermelho e vermelho distante;

• CRIPTOCROMO - Flavoproteína que absorve luz nas regiões UV-A (320-400 nm) e do azul;

• FOTORRECEPTOR UV-B - Compostos que absorvem luz na região do ultravioleta (280-320 nm).

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obs 1: Estes fotorreceptores controlam vários processos morfogenéticos, tais como, a germinação de sementes, o desenvolvimento da planta, culminando com a formação de novas flores e sementes;

obs 2: O fitocromo é o fotorreceptor mais importante nas plantas vasculares;

obs 3: Alguns efeitos da luz azul são mediados pelo fitocromo, porém, a sua conversão pela luz vermelha é 50 a 100 vezes mais efetiva que a luz azul.

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HISTÓRICO SOBRE A DESCOBERTA DO FITOCROMO

• GARNER & ALLARD (1920) DESCOBRIRAM QUE A DURAÇÃO RELATIVA DO DIA E DA NOITE CONTROLAVA A FLORAÇÃO DE CERTAS ESPÉCIES;

• FLINT & McALLISTER (1935) DEMONSTRARAM QUE SEMENTES FOTOBLÁSTICAS APRESENTAM UMA RESPOSTA A LUZ BEM CARACTERÍSTICA: NÃO GERMINAM NO ESCURO, MAS GERMINAM NA PRESENÇA DA LUZ (MÁXIMA PROMOÇÃO NA FAIXA DO VERMELHO);

• HAMNER & BONNER (1938) TRABALHANDO COM Xanthium strumariumDESCOBRIRAM QUE NESTA ESPÉCIE (PDC) A INTERRUPÇÃO DA NOITE LONGA INIBIA A FLORAÇÃO. SENDO A LUZ VERMELHA MAIS EFICIENTE NA INIBIÇÃO;

• OBS: CEVADA DE INVERNO (PDL) FLORESCE COM A INTERRUPÇÃO DA NOITE LONGA COM LUZ BRANCA OU VERMELHA;

• VÁRIOS PESQUISADORES (DÉCADA DE 30 E INÍCIO DE 1940) ESTUDARAM A FENOMENOLOGIA DA AÇÃO DA LUZ NO ESTABELECIMENTO DE PLÂNTULAS E DE PARTES DE PLANTAS ESTIOLADAS, PORÉM AMPLIARAM MUITO POUCO O QUE JÁ SE CONHECIA NO INÍCIO DO SÉCULO;

• CRIAÇÃO (1945) EM BELTSVILLE, MARYLAND, EUA, DE UM LABORATÓRIO PARA ESTUDAR A FOTOMORFOGÊNESE, ESPECIALMENTE O FOTOPERIODISMO (BORTHWICK, PARKER & HENDRICKS). APÓS, ASSOCIARAM-SE A ESTE GRUPO EBEN & VIVIAN TOOLE (SEMENTES) E SIEGELMAN, BUTLER & NORRIS (BIOQUÍMICA). SUAS PRICIPAIS CONTRIBUIÇÕES FORAM:

• DETERMINAÇÃO DO ESPECTRO DE AÇÃO (INDUÇÃO E INIBIÇÃO) DA GERMINAÇÃO (1952);

• IDEM PARA A INIBIÇÃO DO ESTIOLAMENTO DE PLÂNTULAS (1952);• IDEM PARA A INIBIÇÃO DA FLORAÇÃO DE PDC E INDUÇÃO DA

FLORAÇÃO DE PDL (1952);

• DEMONSTRAÇÃO DA REAÇÃO REVERSÍVEL (1952)660

FV FVD 735

ESCURO

• UNIVERSALIDADE DE VÁRIAS RESPOSTAS FOTOMORFOGENÉTICAS (1952-1959);

• DESCRIÇÃO DAS PROPRIEDADES FISIOLÓGICAS, ISOLAMENTO E CARACTERIZAÇÃO DO FOTORRECEPTOR –FITOCROMO (1959 e 1960).

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Por que se diz que o fitocromo é o pigmento da fotomorfogênese?

1. Devido as similaridades entre o espectro de ação e o espectro de absorção;

2. A reversibilidade do pigmento in vitro coincide com a reversibilidade dos processos fisiológicos in vivo

Quimicamente o fitocromo é uma cromoproteína(holoproteína): apoproteína e cromóforo

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O fitocromo nativo é um dímero

Tipo I (PHY A): 250 kDa (2 x 125 kDa) – Escuro

λλλλ de absorção: V = 667 nm e VD = 730 nm

Tipo II (PHY B): 236 kDa (2 x 118 kDa) – Luz

λ de absorção: V = 652 nm e VD = 724 nm

O tipo I é aproximadamente nove vezes mais abundante que o tipo II em plantas de ervilha cultivadas no escuro.

Reação autocatalítica(Associação espontânea)

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O Fitocromo é uma proteína quinase autofosforilanteregulada pela luz

DOMÍNIOS FUNCIONAIS DO FITOCROMO

PEST →→→→ Pro-Glu-Ser-Thr

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Contudo, a análise da função do fitocromo é complicada pelo fato de que existe mais de um tipo de fitocromo que

são codificados por genes separados (família multigênica) e cada um deles tem função específica no

desenvolvimento.

ESPECIALIZAÇÃO DO FITOCROMO• O phyA é necessário para as respostas à luz vermelho distante

contínua;

• O phyB controla as respostas à luz branca ou luz vermelho contínua;

• Os papéis dos phyC, phyD e phyE no desenvolvimento ainda estão sendo esclarecidos.

obs 1: Embora phyA e phyB sejam as formas predominantes do fitocromo em Arabidopsis, phyC, phyD e phyE parecem ter papéis específicos na regulação das respostas às luzes vermelho e vermelho distante.

obs 2: As interações dos fitocromos são importantes no início da germinação.

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• Ele é detectado em Angiospermas, Gimnospermas, Pteridófitas, Briófitas e algas.

• O FVD é distribuído entre o citosol e o núcleo.

ESTADO FOTOESTACIONÁRIO (FOTOEQUILÍBRIO)

Fotoequilíbrio (φφφφ)φφφφ = FVD / FV + FVD = FVD / Ftotal

Para o V ⇒⇒⇒⇒ φφφφ = 0,85;

Para o VD ⇒⇒⇒⇒ φφφφ = 0,03;

Para a luz solar ⇒⇒⇒⇒ φφφφ = 0,60

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Características das respostas das plantas induzidas pelo fitocromo

SÃO AGRUPADAS EM DOIS TIPOS:1. Eventos bioquímicos rápidos;

2. Mudanças morfológicas lentas que incluem movimento e crescimento.

Obs 1: as respostas do fitocromo variam no:

� Lag time: que é o tempo decorrido entre o estímulo e a resposta;

� Rápido: 8 min (inibição do alongamento do caule pela luz vermelha);

� Longo: várias semanas (floração).

� Tempo de escape da fotorreversibilidade que varia de menos de 1 minuto até horas para diferentes respostas.

Obs 2: as respostas do fitocromo podem ser distinguidas pela quantidade de luz exigida.

Existem duas interpretações para as respostas fotomorfogenéticas com base no requerimento de

energia.

1. O único pigmento responsável pela absorção da luz na fotomorfogênese é o fitocromo, que age em função da fluência da luz incidente (mol de fótons m-2). (IRRADIÂNCIA = velocidade da fluência, mol de fótons m-2 s-1).

�FLUÊNCIA MUITO BAIXA (VLFR) (10-4 a 0,05 µµµµmol m-2). Ex: estimula o crescimento do coleóptilo e inibe o do mesocótilo de aveia estiolada;

�FLUÊNCIA BAIXA (LFR) (1 a 103 µµµµmol m-2). Ex: germinação de sementes fotoblásticas, floração e a maioria das respostas fotomorfogenéticas;

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�ALTA IRRADIÂNCIA (HIR) (>>>> 10 mmol x m-2 x s-1, sendo a resposta proporcional ao tempo de exposição, dentro de certa faixa de amplitude).

Ex: síntese de antocianinas, inibição do alongamento do hipocótilo de plântulas (mostarda, alface e petúnia), indução da floração (hyosciamus), abertura do gancho plumular de alface e crescimento de cotilédones de mostarda.

2. Além do fitocromo, o criptocromo (CRY1 e CRY2) seria, na fotomorfogênese, o pigmento responsável das reações de alta irradiância no azul e UV-A.

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Lei da reciprocidade de Bunsen & Roscoe (1850)

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Funções ecológicas do fitocromo

Até agora foram discutidas as respostas reguladas pelo fitocromo estudadas em laboratório. Entretanto, o fitocromo tem uma importante função ecológica em plantas crescendo no ambiente natural.

O fitocromo permite que as plantas se adaptem às alterações nas condições de luminosidade.

A presença de um pigmento reversível vermelho/vermelho-distante nas plantas verdes, sugere que estes comprimentos de onda da luz fornecem informações que ajudam as plantas a se ajustarem ao ambiente.

A razão entre luz vermelha (V) e vermelho-distante (VD) varia bastante de acordo com o ambiente e pode ser definida como:

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A razão V/VD e o sombreamento

Para uma “planta de sol”ou “planta que evita sombra”,

existe um evidente valor adaptativo em

alocar seus recursos em direção a um

rápido crescimento em

extensão, quando ela é sombreada por outra planta.

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A razão V/VD e a germinação de sementes

A qualidade da luz também participa na regulação da germinação de algumas sementes. Como vimos, o fitocromo foi descoberto em estudos de germinação de sementes de alface dependente da luz (fotoblásticas positivas).

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Hormônios e fotoblastia

• GA substitui o requerimento de luz;

• Citocinina também substitui o requerimento de luz em algumas espécies;

• AIA em geral não tem efeito ou inibe em alta concentração;

• ABA é inibidor.

Causa quebra de dormência

Síntese de citocinina

Anulam o efeito do ABA

FVD

Destruição de ABASíntese

de GA

Vantagens ecológicas da fotoblastia

• Evitar problema de exaustão de reservas durante a germinação;

• Evitar que sementes germinem em condições desfavoráveis, como sob a sombra de outras árvores;

• Sementes são “desenterradas” ao longo do tempo →→→→

germinam apenas aquelas que estão expostas à luz →→→→isto evita que em um ano ruim a espécie “desapareça”.

Obs: Salientar a importância deste fato para evitar a proliferação de ervas daninhas fotoblásticas (efetuar o adensamento da cultura).

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As interações do fitocromo são importantes no início da germinação

O phyA e o phyB têm papéis mutuamente antagônicos

Funções ecológicas: Ritmos circadianosVários processos biológicos, como a FS e a RS,

exibem um ciclo alternado de alta e baixa atividade, com periodicidade de 24 horas, os RITMOS CIRCADIANOS. Devido a persistência do ritmo na ausência de fatores de controle externos, ele éconsiderado endógeno.

A natureza endógena dos ritmos circadianos sugere que eles sejam controlados por um regulador interno, chamado de OSCILADOR.

Uma característica importante do oscilador éque ele não é afetado pela temperatura, o que permite ao relógio funcionar sob uma variedade de condições climáticas e sazonais (O relógio exibe uma compensação de temperatura).

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A luz é um forte modulador de ritmos em plantas. Na natureza, os períodos tendem a ser de 24 horas, devidos aos efeitos sincronizantes da luz ao amanhecer, chamados de SINCRONIZAÇÃO.

Tanto a luz vermelha quanto a luz azul são efetivas na sincronização. O efeito da luz vermelha éfotorreversível pela luz vermelho-distante, um indicativo da participação do fitocromo. Enquanto que, o efeito da luz azul é mediado por um fotorreceptor de luz azul.

O fitocromo regula os movimentos de fechamento das folhas (nictinastismo de folha de Mimosa pudica

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LHY ⇒⇒⇒⇒ Proteína reguladora do tipo MYB (Late elongated HYpocotyl).

CCA1 ⇒⇒⇒⇒ Proteína reguladora do tipo MYB (Cyrcadian Clock Associated 1.

TOC1⇒⇒⇒⇒ Regulador positivo dos genes LHY e CCA1.

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MECANISMO DE AÇÃO DO FITOCROMO

Fatores de transcrição ausentes (necessita sua expressão)

GENES DE RESPOSTA TARDIA:

Fatores de transcrição presentes

GENES DE RESPOSTA PRECOCE:

Envolve mudanças na expressão de genes, que podem ser:

RESPOSTAS LENTAS:

•Envolve a fotomorfogênese.

Envolve mudanças na atividade de proteínas (enzimas, bombas, canais, etc.)

RESPOSTAS RÁPIDAS:

•Movimento de cloroplasto e de folíolos que envolvem a ativação de ATPase e fluxo de íons.

RESPOSTA FINAL:

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Regulação da expressão gênica pelo fitocromo

PIF3 ⇒⇒⇒⇒ Fator 3 de interação do fitocromo (fator de transcrição);

PIC ⇒⇒⇒⇒ Complexo de pré-iniciação;

MYB ⇒⇒⇒⇒ Fator nuclear de transcrição;

Motivo G-BOX ⇒⇒⇒⇒ Confere aos genes a regulação pela luz.

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Figura 17.22 – Síntese dos fatores conhecidos envolvidos na expressão gênica regulada por fitocromos. É provável que rotas combinadas e fitocromo-específicassejam descobertas, na medida que mais sinalizadores intermediários sejam identificados (Sharma, 2001).

Na luz, COP1 interage diretamente com SPA1 e é exportado para o citoplasma.

12.

No escuro, HY5 (fator de transcrição de leucina) é degradado com o auxílio do complexo proteossômico COP/DET/FUS;

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No escuro, COP1, uma ligase E3, ubiquitina o HY5;10.

No escuro, COP1 (fotomorfogênese constitutiva 1) entra no núcleo e reprime os genes regulados pela luz;

9.

O nucleosídeo difosfato quinase 2 (NDPK2) é ativado por PfrB;8.

PfrA e PfrB podem regular a transcrição diretamente ou por meio da interação com o fator 3 de interação com o fitocromo (PIF3);

7.

PfrA e PfrB ativados entram no núcleo;6.

cGMP, calmodulina (CAM) e cálcio Ca2+) podem ativar fatores de transcrição (X e Y);

5.

PfrA e PfrB ativados podem interagir com proteínas-G;4.

PfrA ativado fosforila a substrato 1 fitocromo quinase (PKS1);3.

AS formas Prf do fitocromo phyA e phyB podem se autofosforilar;2.

A luz vermelha converte PrA e PrB em suas formas Pfr;1.

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