Estante

Embriogênese

Em plantas, o termo embriogênese cobre o desenvolvimento desde o momento da fertilização até que ocorra a dormência. O plano básico do corpo do esporófito é estabelecido durante a embriogênese; entretanto, este plano é reiterado e elaborado após a quebra da dormência. Os maiores desafios da embriogênese são

Estabelecer o plano básico do corpo. A padronização radial produz três sistemas de tecidos, e a padronização axial estabelece o eixo apical-basal (raiz do rebento).

Disponibilizar o tecido meristemático para a elaboração pós-ventembriônica da estrutura corporal (folhas, raízes, flores, etc.).

Estabelecer uma reserva alimentar acessível para o embrião germinativo até se tornar autotrófico.

Embriogénese é semelhante em todas as angiospermas em termos do estabelecimento do plano básico do corpo (Steeves e Sussex 1989) (ver Figura 20.15). Existem diferenças na elaboração de padrões, no entanto, incluindo diferenças na precisão dos padrões de divisão celular, na extensão do desenvolvimento do endosperma, no desenvolvimento do cotilédone e na extensão do desenvolvimento do meristema de rebentos (Esau 1977; Johri et al. 1992).

Figure 20,15

Briogênese de angiospermas. Uma dicotiledônea representativa é mostrada; uma monocotiledônea desenvolveria apenas um único cotilédone. Embora existam padrões básicos de embriogênese em angiospermas, há uma tremenda variação morfológica entre as espécies.

Polaridade é estabelecida na primeira divisão celular após a fertilização. O estabelecimento da polaridade tem sido investigado usando algas marrons como sistema modelo (Belanger e Quatrano 2000). Os zigotos destas plantas são independentes de outros tecidos e passíveis de manipulação. A divisão celular inicial resulta em uma célula menor, que irá formar o rizóide (homólogo raiz) e ancorar o resto da planta, e uma célula maior, que dá origem ao talo (corpo principal do esporófito). O ponto de entrada dos espermatozóides fixa a posição da extremidade rizóide do eixo apical-basal. Este eixo é perpendicular ao plano da primeira divisão celular. F-actin acumula-se no pólo rizóide (Kropf et al. 1999). Entretanto, a luz ou gravidade pode sobrepor-se a esta fixação do eixo e estabelecer uma nova posição para a divisão celular (Figura 20.13; Alessa e Kropf 1999). Uma vez estabelecido o eixo apical-basal, as vesículas secretas são direcionadas para o pólo rizóide do zigoto (Figura 20.14). Estas vesículas contêm material para o crescimento do rizóide, com uma parede celular de composição macromolecular distinta. A secreção dirigida também pode ajudar a orientar o primeiro plano de divisão celular. A manutenção do destino do rizóide versus o talo no início do desenvolvimento depende da informação nas paredes celulares (Brownlee e Berger 1995). A informação da parede celular também parece ser importante nas angiospermas (revista em Scheres e Benfey 1999).

Figure 20.13

Formação do eixo na alga castanha Pelvetia compressa. (A) Uma mancha F-actin (laranja) é formada pela primeira vez no ponto de entrada do esperma (a mancha azul marca o pronúcleo espermático). (B) Mais tarde, a luz brilhou na direcção da seta. O eixo induzido pelo esperma (mais…)

Figura 20,14

Divisão celular assimétrica em algas castanhas. Curso temporal de 8 a 25 horas após a fertilização, mostrando células algas coradas com um corante de membrana vital para visualizar as vesículas secretoras, que aparecem primeiro, e a placa celular, que começa a aparecer aproximadamente (mais…)

O plano básico do corpo do angiospermas estabelecido durante a embriogênese também começa com uma divisão celular assimétrica*, dando origem a uma célula terminal e uma célula basal (Figura 20.15). A célula terminal dá origem ao embrião propriamente dito. A célula basal forma-se mais próxima da micrópila e dá origem ao suspensor. A hipófise é encontrada na interface entre o suspensor e o embrião propriamente dito. Em muitas espécies ela dá origem a algumas das células raiz. (As células suspensoras dividem-se para formar um órgão filamentoso ou esférico que degenera mais tarde na embriogênese). Tanto nas gimnospermas como nas angiospermas, o suspensor orienta a superfície de absorção do embrião para a sua fonte alimentar; nas angiospermas, também parece servir como um conduto de nutrientes para o embrião em desenvolvimento. A cultura de embriões isolados de feijão escarlate com e sem o suspensor demonstrou a necessidade de um suspensor através do estágio cardíaco em dicots (Figura 20.16; Yeung e Sussex 1979). Embriões cultivados com um suspensor têm duas vezes mais probabilidade de sobreviver do que embriões cultivados sem um suspensor ligado nesta fase. O suspensor pode ser uma fonte de hormônios. Em feijões escarlate, embriões mais jovens sem um suspensor podem sobreviver em cultura se forem suplementados com a hormona de crescimento ácido giberélico (Cionini et al. 1976).

Figure 20.16

Role do suspensor na embriogênese da dicotiledônea. A cultura de embriões de feijão escarlate com e sem os seus suspeitos demonstrou que o suspensor é essencial na fase em forma de coração, mas não mais tarde. (Depois de Yeung e Sussex 1979.)

Como o estabelecimento da polaridade apical-basal é uma das principais realizações da embriogênese, é útil considerar por que o suspensor e o próprio embrião desenvolvem morfologias únicas. Aqui o estudo de mutantes embrionários em milho e Arabidopsis tem sido particularmente útil. Investigações de mutantes suspeitos (sus1,sus2 e framboesa1) de Arabidopsis forneceram evidências genéticas de que o suspeito tem a capacidade de desenvolver estruturas semelhantes às do embrião (Figura 20.17; Schwartz et al. 1994; Yadegari et al. 1994). Nesses mutantes, anormalidades no próprio embrião aparecem antes das anormalidades do suspensor.† Experimentos anteriores nos quais o embrião propriamente dito foi removido também demonstraram que os suspeitos poderiam se desenvolver como embriões (Haccius 1963). Um sinal do embrião propriamente dito para o suspeito pode ser importante para manter a identidade do suspeito e bloquear o desenvolvimento do suspeito como um embrião. Análises moleculares destes e de outros genes estão fornecendo uma visão dos mecanismos de comunicação entre o suspeito e o embrião propriamente dito.

Figure 20.17

O gene SUS suprime o desenvolvimento embrionário no suspensor. (A) Embrião do tipo selvagem e suspensor. (B) Sus mutante com o desenvolvimento do suspensor como um embrião (seta). (C) Modelo mostrando como o embrião propriamente dito suprime o desenvolvimento embrionário no suspensor (mais…)

Os genes de efeito materno desempenham um papel fundamental no estabelecimento do padrão embrionário em animais (ver Capítulo 9). O papel dos genes extrazigóticos na embriogênese de plantas é menos claro, e a questão é complicada por pelo menos três fontes potenciais de influência: tecido esporófito, tecido gametófito, e o endosperma poliplóide. Todos estes tecidos estão em estreita associação com o ovo/zigotos (Ray 1998). O desenvolvimento do endosperma também pode ser afetado pelos genes maternos. Genes esporófitos e gametófitos de efeito materno foram identificados na Arabidopsis, e é provável que o genoma endosperma também influencie o zigoto. O primeiro gene de efeito materno identificado, SHORT INTEGUMENTS 1 (SIN1), deve ser expresso no esporófito para o desenvolvimento embrionário normal (Ray et al. 1996). Dois fatores de transcrição (FBP7 e FBP11) são necessários no esporófito petúnico para o desenvolvimento normal do endosperma (Columbo et al. 1997). Um gene de efeito materno gametófito feminino, MEDEA (depois da Medeia de Eurípides, que matou seus próprios filhos), tem domínios proteicos semelhantes aos de um gene de efeito materno Drosophila (Grossniklaus et al. 1998). Curiosamente, MEDEA está no grupo do gene Polycomb (ver Capítulo 9), cujos produtos alteram a cromatina, directa ou indirectamente, e afectam a transcrição. MEDEA afeta um gene impresso (ver Capítulo 5) que é expresso pelo gametófito feminino e pelos alelos herdados maternalmente no zigoto, mas não pelos alelos herdados paternalmente (Vielle-Calzada et al. 1999). O quão significativos os genes de efeito materno são no estabelecimento do plano corporal esporófito ainda é uma questão sem resposta.

Os padrões radiais e axiais se desenvolvem conforme a divisão e diferenciação celular continua (Figura 20.18; veja também Bowman 1994 para micrografias de luz detalhada da embriogênese da Arabidopsis). As células do embrião propriamente dito dividem-se em planos transversais e longitudinais para formar um embrião em estágio globular com várias camadas de células. Superficialmente, esta fase tem alguma semelhança com a clivagem em animais, mas a relação nuclear/citoplasmática não necessariamente aumenta. A forma emergente do embrião depende da regulação dos planos de divisão e expansão celular, uma vez que as células não são capazes de se mover e remodelar o embrião. Os planos de divisão celular na camada externa das células tornam-se restritos, e esta camada, chamada protodermina, torna-se distinta. O patterning radial emerge na fase globular à medida que os três sistemas teciduais (dérmico, terrestre e vascular) da planta são iniciados. O tecido dérmico (epiderme) irá se formar a partir do protoderm e contribuir para as camadas protetoras externas da planta. O tecido moído (córtex e medula) forma-se a partir do meristema do solo, que se encontra por baixo do protodermatozóide. O procambium, que se forma no núcleo do embrião, dará origem ao tecido vascular (xilema e floema), que funcionará como suporte e transporte. A diferenciação de cada sistema de tecidos é, pelo menos parcialmente, independente. Por exemplo, no keule mutante da Arabidopsis, o sistema dérmico é defeituoso enquanto os sistemas teciduais internos se desenvolvem normalmente (Mayer et al. 1991).

Figure 20,18

Padterning radial e axial. (A) A padronização radial em angiospermas começa no estágio globular e resulta no estabelecimento de três sistemas teciduais. (B) O padrão axial (eixo da raiz do rebento) é estabelecido pelo estágio cardíaco.

A forma globular do embrião é perdida quando os cotilédones (“primeiras folhas”) começam a se formar. Os dicots têm dois cotilédones, que dão ao embrião uma aparência em forma de coração à medida que se formam. O plano axial do corpo é evidente por este estágio de desenvolvimento do coração. Hormônios (especificamente, auxinas) podem mediar a transição da simetria radial para a simetria bilateral (Liu et al. 1993). Em monocotiledôneas, como o milho, emerge apenas um único cotilédone.

Em muitas plantas, os cotilédones ajudam a nutrir a planta tornando-se fotossintéticos após a germinação (embora os de algumas espécies nunca surjam do solo). Em alguns casos – o ervilha, por exemplo – a reserva alimentar no endosperma é utilizada antes da germinação, e os cotilédones servem como fonte de nutrientes para a muda germinativa.‡ Mesmo na presença de um endosperma persistente (como no milho), os cotilédones armazenam reservas alimentares, tais como amido, lípidos e proteínas. Em muitas monocotiledôneas, o cotilédone se transforma em um grande órgão pressionado contra o endosperma e ajuda na transferência de nutrientes para a plântula. Os cotilédones verticais podem dar ao embrião uma forma de torpedo. Em algumas plantas, os cotilédones crescem o tempo suficiente para se dobrarem e caberem dentro dos limites da casca da semente. O embrião então parece uma bengala. Neste ponto, o suspensor está a degenerar.

O meristema apical do rebento e o meristema apical da raiz são aglomerados de células estaminais que persistirão na planta pós-ventembriônica e darão origem à maior parte do corpo esporófito. O meristema radicular é parcialmente derivado da hipófise em algumas espécies. Todas as outras partes do corpo esporófito são derivadas do embrião propriamente dito. As evidências genéticas indicam que a formação do rebento e meristemas radiculares é regulada independentemente. Esta independência é demonstrada pelo mutante de milho dek23 e pelo mutante de Arabidopsis sem sistema de tiro (STM), ambos formam um meristema radicular mas não iniciam um meristema de tiro (Clark e Sheridan 1986; Barton e Poethig 1993). O gene STM, que foi clonado, é expresso no estágio globular tardio, antes de os cotilédones se formarem. Também foram identificados genes que afetam especificamente o desenvolvimento do eixo radicular durante a embriogênese. Mutações do gene HOBBIT em Arabidopsis (Willemsen et al. 1998), por exemplo, afetam os derivados da hipófise e eliminam a função do meristema radicular.

O meristema apical do rebento iniciará as folhas após a germinação e, finalmente, a transição para o desenvolvimento reprodutivo. Na Arabidopsis, os cotilédones são produzidos a partir de tecido embrionário geral, não a partir do meristema de rebentos (Barton e Poethig 1993). Em muitas angiospermas, algumas folhas são iniciadas durante a embriogênese. No caso da Arabidopsis, a análise clonal aponta para a presença de folhas no embrião maduro, mesmo que não estejam morfologicamente bem desenvolvidas (Irish e Sussex 1992). A análise clonal tem demonstrado que os cotilédones e as duas primeiras folhas verdadeiras de algodão são derivadas de tecido embrionário e não de um meristema organizado (Christianson 1986).

As experiências de análise clonal fornecem informações sobre os destinos celulares, mas não indicam necessariamente se as células são ou não determinadas para um destino particular. Células, tecidos e órgãos são determinados quando têm o mesmo destino in situ, em isolamento e numa nova posição no organismo (ver McDaniel et al. 1992 para mais informações sobre estados de desenvolvimento nas plantas). A análise clonal demonstrou que as células que se dividem no plano errado e “se movem” para uma camada de tecido diferente muitas vezes se diferenciam de acordo com sua nova posição. A posição, mais do que a origem clonal, parece ser o fator crítico na formação do padrão embrionário, sugerindo algum tipo de comunicação célula-célula (Laux e Jurgens 1994). Experiências de microcirurgia em embriões de cenoura somática demonstram que pedaços isolados de embriões podem frequentemente substituir o complemento de peças em falta (Schiavone e Racusen 1990; Scheres e Heidstra 1999). Um cotilédone retirado do ápice do rebento será substituído. Os rebentos embrionários isolados podem regenerar uma nova raiz; o tecido radicular isolado regenera os cotilédones, mas é menos provável que regenere o eixo do rebento. Embora a maioria das células embrionárias sejam pluripotentes e possam gerar órgãos tais como cotilédones e folhas, apenas os meristemas retêm esta capacidade no corpo vegetal pós-ventembriónico.