Embriogénesis y Germinación Laboratorio de Fisiología Vegetal – Fac. Cs. Ex. Fco-Qcas y Nat. UNRC ® EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Partes de la Flor http://www.biologia.edu.ar/plantas /Maderas_archivos/lili3.JPG Ovario y Óvulos http://www.biologia.edu.ar/images/flor55.gif EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Cada óvulo contiene un gametofito femenino. Siete células, con un total de ocho núcleos haploides. Fecundación en las angiospermas. El tubo de polen del gametofito masculino o grano de polen, crece a través del estilo y entra en un óvulo que contiene el gametofito femenino de siete células (el saco embrionario). 3n 2n Un núcleo espermáti co se une con la ovocélula, formando el cigoto. El otro núcleo espermático se fusiona con los dos núcleos polares contenidos en una célula central. http://iescarin.educa.aragon.es/depart/biogeo/varios/Biologia Curtis/Seccion%206/6%20-%20Capitulo%2035.htm EMBRIOGENESIS Y GERMINACION El embrión La célula inferior normalmente da una estructura multicelular llamada suspensor y la célula superior se convierte en el embrión verdadero. En las primeras etapas, el embrión consiste en una masa globular de células sobre el suspensor. Las células del suspensor intervienen activamente en el envío de nutrientes al embrión. A medida que procede el desarrollo del embrión, los cambios en su estructura interna dan como resultado la formación de tres tejidos embrionarios distintos conocidos como meristemas primarios. Simultáneamente, o un poco después, ocurre la aparición de un cotiledón ("hoja seminal") en las monocotiledóneas o de dos cotiledones en las dicotiledóneas. Gradualmente, el embrión adquiere su forma característica. http://iescarin.educa.aragon.es/depart/biogeo/varios/Biologia Curtis/Seccion%206/6%20-%20Capitulo%2035.htm EMBRIOGENESIS Y GERMINACION 5 Regulación Embriogénesis FASE I EMBRIOGENESIS Y GERMINACION FASE II Fuente. http://cropsoil.psu.edu/CoursesAGRO518/Desiccat.htm Regulación Embriogénesis EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Rol de las hormonas Ácido absícico Regulación Embriogénesis EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Rol de las hormonas Masa de la semilla MS: Número x tamaño de células Hay numerosos QTLs (Quantitative trait loci) afectan la masa de las semillas co-localizadas con QTLs que afectan el ovulo y/ó número de semillas, tamaño de frutos y número total de hojas. Regulación Embriogénesis EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Rol de las hormonas Entre otros reguladores de la embriogénesis, también encontramos a las giberelinas, las citocininas, auxinas, ácido abscísico ABA, etileno, brasinoesteroídes, jasmonatos, entre otros reguladores. Acciones de GAs: participa en la fertilización, crecimiento del embrión, captación de nutrientes, y prevención del aborto de semillas. Los niveles de Gas, son altos al comienzo de la embriogénesis y va disminuyendo hacía el final, de manera de evitar promover la germinación, cuando aparece un incremento de su antagonista el ABA. Las GAs promoverían el crecimiento de la radícula, incrementándose por ej. el nivel de GA4 en arabidopsis en el momento previo a la emergencia de la radícula. Bradford & Nonogaki. Seed Development, dormancy and germination. Annual Plant Reviews, Vol. 27, 2007. EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Pared del ovario Semilla de Monocotiledónea Embriones de gramíneas, Zea (maíz) y triticum (trigo).Fuente: www.biologia.edu.ar/ botanica/tema6/68embrion.htm EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Provienen de los intertegumentos del ovulo y allí finalizan los conductos floemáticos y de allí por apoplasto a embrión y endosperma Partes de la semilla y plántula de soja.- Con control materno Morfología de una semilla dicotiledónea.Fuente: http://www.leubner.ch/anatomy.html Semilla de Dicocotiledónea EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Estructura de la testa La testa y perisperma son derivadas del tejido materno La testa consiste de diversas capas de células especializada, dichas capas provienen de los intertegumentos ovular y podemos diferenciar zonas como micropyle, chalaza, hilo La testa tiene dos capas en dicotiledóneas y una en Rosáceas, Asteráceas y Solanáceas. La testa de arabidopsis: - Dos capas externas (oi).: se produce la degradación del almidón., oi2 : posee polisacáridos y contiene mucílago (pectínas) en en el apoplasto, además se encuentra GA, > α-amilasa. oi1 : posee flavonoídes que dan color (la concent. de PADs, catequinas, definen dormancía por cambio de permeabilidad y probable inhibición de la biosíntesis de GA) - Tres capas internas (ii).: ii1 : cutícula: es de naturaleza lipídica y prolifera tejido de la chalaza. ii2-3 : capas parenquimaticas Bradford & Nonogaki. Seed Development, dormancy and germination. Annual Plant Reviews, Vol. 27, 2007. EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Estructura de la testa En la testa podemos encontrar compuestos Flavonoídes (PADs, catequinas, epicatequinas), Fenoles (acido cafeíco, pcumárico, ferulico, sinapico, vanilico) y ligninas, los cuales son considerados como posibles inhibidores. Los flavonoídes actuarían bloqueando la biosíntesis de Giberelinas y por modificación de estructurales de la testa. Los flavonoídes prolongarían la vida de la semilla, por eliminación de radicales libres La testa es importante en la dormancía: 1.- Interferencia con la captación de agua 2.- Resistencia mecánica a la profusión de la radícula 3.- Interferencia al intercambio de gases 4.- Prevención a la perdida de inhibidores desde el embrión 5.- Suplementar con inhibidores el embrión 6.- Filtración de la luz Bradford & Nonogaki. Seed Development, dormancy and germination. Annual Plant Reviews, Vol. 27, 2007. EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Latencia Es cuando las semillas permanecen en actividad basal, debido a que las condiciones externas no son favorables (agua, gases, luz, temperatura, etc.)- Dormición Es cuando las semillas permanecen en actividad basal, aunque las semillas se encuentren en condiciones favorables para su germinación (existen problemas intrínsecos).Básicamente, es un mecanismo de supervivencia ante condiciones ambientales desfavorables para la germinación e instalación de la plántula. La dormancia de la semilla es un carácter cuantitativo, por ello involucra a muchos genes y son influenciada su expresión por factores ambientales. Semillas maduras Bradford & Nonogaki. Seed Development, dormancy and germination. Annual Plant Reviews, Vol. 27, 2007. EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Germinación Hipogea Es cuando los cotiledones quedan bajo la superficie del suelo. Podemos observar semillas de trigo y de arveja germinando EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Germinación Epigea Es cuando los cotiledones son elevados por encima de la superficie del suelo. Podemos observar semillas de poroto EMBRIOGENESIS Y GERMINACION EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Germinación Epigea Podemos observar semillas de girasol, plántulas familias F3 EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Embriogénesis Materiales de Reserva CARBOHIDRATOS: Están principalmente como Almidón, también podemos encontrar Hemicelulosa y Oligosacaridos. PROTEINAS: Las podemos encontrar proteínas en Cuerpos Proteicos y las aleuronas. Albúminas: solubles en agua Globulinas: solubles en soluciones salinas Glutelinas: solubles en sol. salinas y eter. Proláminas: solubles en etanol. LIPIDOS: Los podemos encontrar lípidos en Cuerpos Lipídicos (esferosómas). Triglicéridos: ác. Grasos más comunes: Linolénico, Linoleíco y oleíco. Fosfolípidos. Glicolípidos. OTROS COMPUESTOS: Fítina (almacenamiento de fosfátos), DNA, RNAm (se han detectado por Nakabayashi, 2005, unos 12000 genes en semillas secas de arabidospsis, lo cual habla de la importancia del efecto materno ACIDOS ORGANICOS, FENOLES, VITAMINAS, HORMONAS, PIGMENTOS, etc. EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Embriogénesis Materiales de Reserva MONOCOTILEDONEAS: (Endosperma) CARBOHIDRATOS: Almidón en proplastos PROTEINAS: Prolaminas y glutelinas LIPIDOS: Cuerpos lípidicos FOSFATOS: como fítina en capa de aleuronas. DICOTILEDONEAS: (Cotiledones) CARBOHIDRATOS: Almidón en estromas de cloroplastos PROTEINAS: Albuminas y globulinas LIPIDOS: Principalmente como Trigliceridos EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Microfotografía de un protoplasto de aluerona con tintura fluorescente – Fuente: Biochemestry & Molecular Biology of Plant, 2000. Cuerpos Lípidicos, donde se acumulan trigliceridos – Fuente: Biochemestry & Molecular Biology of Plant, 2000. EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Germinación Definición Fisiológica: la germinación comienza con la toma de agua por parte de la semilla y finaliza con el comienzo de la elongación del eje embrionario (radícula) Bewley y Black, 1994. Definición Agronómica: Serie de acontecimientos metabólicos y morfogenética que tiene como resultado la transformación del embrión en una plántula autótrofa. Factores que afectan la Germinación Imbibición (agua) Es un proceso físico sin ninguna relación con la viabilidad de la semilla, ya que ocurre igual en semillas vivas que en semillas muertas. Flujo de agua en la semilla Ŷse – Ŷas: Pot. agua semilla – Pot. agua del suelo i1: Cond. Hidraulica suelo i2: Contacto suelo – sem. i3: Permeab. tegumento EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Imbibición Primera fase: 40-60 % de peso total. (Ŷm) Segunda fase: 60-70 % de peso total. (Ŷm+Ŷs) Tercer fase: 70-90 % de peso total. (Ŷs) EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Imbibición Mayor densidad de agua estaría asociada a zonas de mayor actividad metabólica, como también en forma inversa a la cantidad de cuerpos lipídicos que presenta la célula, pero aún resta más investigación http://www.ca.uky.edu/agc/pubs/pr/pr468/P3%2003.gif EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Imbibición Estructura del endosperma EMBRIOGENESIS Y GERMINACION El endosperma tiene una actividad regulatoría principalmente a nivel de micrópila, que en algunos casos tiene una fina capa de células, donde se degradan las reservas y se vacuolizan previa a la emergencia de la radícula. Estructura del endosperma EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Estructura del endosperma EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Karl Morris y col. Plant Physiology, April 2011 Embrión y su desarrollo 27 EN GERMINACIÓN SE HAN DETERMINADO 1300 PROTEÍNAS (Gallardo, 2001). Germination Plant Physiology February 2009 vol. 149 no. 2 961-980 . EMBRIOGENESIS Y GERMINACION 29 EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Imbibición 30 EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Protein during germination Total incorporation of 35SMet into proteins (cpm, counts per minute). (b–g) 2D protein profiles of de novo synthesized proteins during germination and seedling establishment. Seed Germination and Vigor. Loíc Rajjou, et. Al., Annu. Rev. Plant Biol. 2012. 63:507–33 31 EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Factores que afectan la Germinación Gases Su cinética es similar al de la entrada de agua. Concentración del ambiente: 20 % O2 y 0.03 % de CO2. 32 EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Factores afectan la Germinación Temperatura Comportamiento de la germinación con la temperatura.Fte:http://tomclothier.hort.net/page11.html La temperatura afecta no solo el % de germinación, sino también la tasa de germinación. En condiciones templadas el mínimo es 0º C, optimo 25-31 ºC y máximo 40-50º C. EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Factores afectan la Germinación Temperatura Alternancia térmica Fuente: Monte y Tarquis, 1997 EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Factores afectan la Germinación Luz Fitocromo (Estructura) Es una proteína que tiene unido con enlace covalente un cromóforo. (pigmento azul- verdoso) •Proteína: Globular de 124 KDa de peso mólecular •Conformación espacial de forma que un extremo de la proteína está al descubierto. •Cromóforo (molécula que absorbe en el visible) •Tetrapirrol abierto Þ parte que absorbe luz. Semillas Fotoblástica (+): necesita de la luz roja, para germinar. Fitocromo (Tipos) Por ejemplo en arabidopsis hay 5 tipos de fitocromos (PhyA, B, C, D y E). Los PhyA, PhyB y Phy E, estarían involucrado en la regulación de la germinación por luz, a través de factores de transcripción que actúan directa ó indirectamente sobre genes de la vía de las giberelinas. En el caso del PhyB podría actuar en la modulación negativa y en tales casos podría participar el ABA EMBRIOGENESIS Y GERMINACION ROJA Forma inactiva: su carbono 16, se encuentra en trans. ROJA LEJANA Forma activa su carbono 16, se encuentra en cis AtGA3ox1 Fotoreceptores y sus mecanismos de respuestas fisiológicas.Fte: http://www.mobot.org/jwcross/duckweed/phytochrome.htm AtGA3ox2 LsGA3ox1 Este gen codifica para enzima catabólica de GA GA GA EMBRIOGENESIS Y GERMINACION EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Morfología de órganos florales maduros. Fuente:ww.harcourtschool.com/gr5/cell_m5a.html EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Movilización de Reservas La principal movilización de reservas son eventos postgerminativos y ocurren cuando aparece la radícula. Las vías de movilización de COH´s son: Fosforolítica. (enzima pre-existente PE) Hidrolítica. (Beta-amilasa y maltasas, glucosidasas y amilopeptina 1.6 son PE). http://www.forest.ula.ve/~rubenhg/respiracion/index.html EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Entre el embrión y el endosperma hay una capa que es la del escutelo. Los productos de la digestión del endosperma principalmente pasan por aquí (principalmente glucosa y maltosa), lo cual es utilizado para el crecimiento del eje embrionario. La glucosa pasa en forma activa y pasiva y es rápidamente transformada en sacarosa METABOLISMO DE COH EMBRIOGENESIS Y GERMINACION El NO sería un importante promotor de la germinación como en la ruptura de la dormancia, y se produce en la planta por la acción de la nitrato reductasa en mitocondrias y plástidos, también existe una forma no enzimática. Además el NO actuaría como antioxidante, principalmente de membranas El NO (óxido nitroso), podría acelerar el flujo a través de esta vía por incrementos en la oxidación de NADPH, por aumentó en la disponibilidad de NADP+, vía requerida para la provisión de ácidos nucleicos, pared celular entre otros compuestos, además el NO podría actuar de molécula de señalización en conjunción con el fitocromo al efecto de la luz. METABOLISMO DE COH EMBRIOGENESIS Y GERMINACION http://iris.cnice.mecd.es/biologia/bachillerato/segundo/biologia/ud04/02_04_04_02_032.html METABOLISMO DE COH EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Fosforilación oxidativa.Fte: http://www.forest.ula.ve/~rubenhg/respiracion/index.html EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Producción energética Rendimiento en ATP de la glucosa http://www.people.virginia.edu/~rjh9u/atpyield.html EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Producción energética Respiración durante la imbibición.Fte: http://www.euita.upv.es/varios/biologia/Temas/tema_17.htm#Gases EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Movilización de Reservas Proteínas en Dicotiledóneas A. Endopéptidasa (A) (corta las cadenas nativas). (Cortan polipéptidos) B. Endopéptidasa (B), que corta en menos aa. (Pero necesita de la acción previa de la A.)- Son sintetizadas de novo. C. Carboxilásas (C), Contribuye a la hidrólisis junto con la A. (Algunas son preexistentes y otras son sintetizadas de novo en el citoplasma e introducidas en los cuerpos proteicos. El pH óptimo de actividad que se encuentra en el cuerpo proteico de 5 - 6. D. Aminopéptidasas y péptidasas (Actúan en Citoplasma con un pH óptimo de 6.5 - 8.0. EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Movilización de Reservas Proteínas en Dicotiledóneas Los aminoácidos liberados, podrían ser reutilizados para la síntesis proteica ó ser desaminados para proveer de esqueletos carbonados para la respiración. EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Movilización de Reservas Proteínas en Monocotiledóneas Capa de aleuronas: (30 %). Son removidas por proteínasas que podrían ser sintetizadas de novo, y podrían ser reguladas por las giberelinas y ser utilizados los aminoácidos para la síntesis de Alfa - Amilasa. Endosperma. Las proteínas podrían provenir de la mismo endosperma ó de la capa de aleurona. Eje embrionario y escutelo: aquí tenemos actividad péptidasa que actúan sobre estructuras provenientes del endosperma ó de pequeños almacenajes allí presentes. EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Movilización de Reservas Proteínas en Monocotiledóneas Para movilizar aa ó péptidos desde el endosperma, son sintetizados transportadores en la membrana plasmática de las células escutelares. En la figura se observa como se van sintetizando distintos tipos de endopéptidasas. LIPIDOS Ensayos realizados en arabidopsis, indicarían que la β-oxidación, sería necesaria para revertir la dormancia a nivel de las coberturas seminales. Ello a partir que el agregado de azucares, ó de GAs , no modifico la dormancia generada por la falta de funcionalidad de esta vía metabólica. El mutante cts, (CTS proteínas transportadoras de CoAc Ester), se utilizo para estudiar tal transporte. Estos mutantes también tendrían relación con los genes LEC, ABI y FUS. Los glioxisomas principalmente se encontrarían ubicados en los cotiledones. EMBRIOGENESIS Y GERMINACION CoA Ester cts Pxa1, Pxa2, Ped3 ach EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Movilización de Reservas Fósforo Aquí se observan como decae el ácido fítico mediante un incremento en la actividad de la fítasa. EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Regulación de la germinación. Giberelinas en Arabidopsis LeGAI RGL2 LeGAI RGL2 LeGAI RGL2 SCFSLY1: Arabidopsis SCFGID2: Arroz (Este mRNA no tendría importancia en germinación. LeGAI RGL2 Adición de 4 ó mas ubiquitinas 26S proteosoma : complejo de proteína Multi - sub-unidad Figure 3 A model for the GA signaling pathway in Arabidopsis. Left side: In the absence of bioactive GA, the SCFSLY1 E3 ubiquitin ligase cannot interact with DELLA proteins. Thus, the DELLA proteins persist in cells and repress GA responses, such as seed germination, stem elongation, and flowering. Right side: In the presence of bioactive GA, GID1 binds GA in the nucleus and/or cytoplasm. If the binding occurs in the cytoplasm, the GID1-GA complex probably transfers into the nucleus to bind the nuclear-localized DELLA proteins. Once the DELLA protein binds to GID1-GA, the SCF complex recognizes and ubiquitinates the DELLA protein. Ubiquitinated DELLA proteins are degraded by the 26S proteasome, allowing GA responses to occur. (Ariizumi and Steber, 2006). Las proteínas DELLA, son factores de trascripción de las subflia GRAS, y se denominan DELLA, porque tienen una secuencia conservada de a.a. Hay cinco genes DELLA, como RGA, GAI, RGL1, RGL2 y RGL3. RGL2, es el principal represor de la germinación, aunque RGL1, RGA y GAI también parecen contribuir. Proteínas DELLA también fue detectado en arroz. La señalización por ubiquitina-proteosoma, también se reportaron en ABA (proteína ABI39), en etileno (EIN3 y EIL1), auxinas (AIA/AUX) EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Germinación en cereales Cubierta seminal Capa de aleurona 4 3 Endospermo Enzimas 5 2 Nutrientes Giberelinas 6 1 Activación del embrión. Liberación de giberelinas 2 Inducción de genes por las giberelinas en la capa de aleurona, mediante activación de Proteína G. 3 Producción y liberación de enzimas hidrolíticos. 4 Acción de las enzimas sobre los materiales de reserva del endospermo. 5 Liberación de nutrientes (monómeros) 6 Absorción de nutrientes por el embrión. Cotiledón Coleoptilo 1 Ápice caulinar Embrión Eje hipocótilo/ radícula Ápice radical EMBRIOGENESIS Y GERMINACION GeneGlobe Pathways Embrión https://www.qiagen.com/geneglobe/pathwayview.aspx?pathwayID=200 EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Germinación en cereales Embrión 55 EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Regulación de la germinación. Por hormonas En las gramíneas participan las Giberelinas activamente en la síntesis de novo de la enzima Alfaamilasa. La síntesis de Alfa-amilasa también es controlada por un control negativo a partir de una concentración de 400 – 500 mOsm de presión osmótica generada por la acumulación de maltosa y glucosa entre otros osmolitos. El ph óptimo para Alfa-amilasa: 5-5.6, mientras que maltasas es de 4.5-5.1. EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Regulación de la germinación. Por hormonas y mensajeros secundarios Etileno Aparentemente modularía la expansión del cotiledón durante el desarrollo del embrión, la promoción de la expansión de células radiales del eje embrionario y promueve la ruptura del endosperma y la profusión de la radícula. Además este regulador, se comportaría en forma antagónica al ABA durante la embriogénesis, en la finalización de la dormancia y en la germinación, donde actuaría en forma concertada con las GAs. En muchas especies, el estallido de etileno se da alrededor de la profusión de la radícula, lo cual es coincidente con el mayor incremento de GA. Aunque no se sabe claramente si el etileno es requerido o es solamente es consecuencia del proceso. Resultados obtenidos en semillas de tabaco, sugieren que regulación transcripcional de la ßGLU I podría depender de la activación vía EREBP-3 con el ERE (elemento de respuesta a etileno) como blanco, o ser independiente. (Metgzer, 1999). Auxinas Estas hormonas contribuyen al desarrollo del eje embrionario, formación de los meristemas apicales de raíces y parte aérea y de cotiledones. Los niveles de AUX son mayores de la embriogénesis, y cae a medida que avanza la misma. Además sería importante para el desarrollo de las raíces laterales en arabidopsis. Fte: http://www.dls.ym.edu.tw/ s8/050707class%20for%20plant%20development.pdf Bradford & Nonogaki. Annual Plant Reviews, Vol. 27, 2007. EMBRIOGENESIS Y GERMINACION Regulación de la germinación. Por hormonas y mensajeros secundarios Citocinínas Promueven la división celular y podrían estar involucradas en los procesos durante la embriogénesis. En arabidopsis han sido identificados tres receptores para esta hormona; AHK2, AHK3 Y AHK4. En cuanto a su rol en la germinación, el mismo aún no esta claro. Brasinoesteroídes Están involucrados por ej. en la promoción de la división y elongación celular, desarrollo del polen y fertilidad. Proteína G La proteína G y el complejo receptor G, son componentes tempranos de la transducción de señales, control de crecimiento y diferenciación en eucariotas. Flujo del control hormonal en embriogénesis y germinación Bradford & Nonogaki. Seed Development, dormancy and germination. Annual Plant Reviews, Vol. 27, 2007.