LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS

Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

Departamento de GenéticaAvenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil

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Ritmos Circadianos em Plantas

Aluno: Ms. Ricardo Augusto de Oliveira RodriguesOrientador: Prof. Dr. Marcio de Castro Silva Filho

tempo

MúsicaPoesia

Natureza

Ritmo

Ambiente Indivíduo Sistema Órgão Célula

Ritmos de Sucessão Ambiental

Migração Temperatura Secreção de Hormônios

Expressão de Genes

Ritmos

Circatrigintans - 30 diasCiclo Menstrual

Circannuals - 1 anoHibernação

Circaseptan - 7 diasTransplantes

90 minutosSono/Vigília

Ritmos

Ritmo Circadiano – Subconjunto dos ritmos biológicos com período de ~ 24 horas.

Latin: Circadiano

Circa = Cerca

Dies = Dia

Ritmo que acompanha o movimento de rotação da terra;

Adaptação não somente para responder à luz, mas antecipar e ajustar as condições fisiológicas em resposta às mudanças ambientais;

Comprovada vantagem seletiva;

Bioluminescência

Bioluminescência

Bioluminescência

Bioluminescência

TempoTempoTempoTempo

Cianobactéria

TempoTempoTempoTempo

Desenvolvimento

Desenvolvimento

Desenvolvimento

Desenvolvimento

Neurospora crassa

Drosophila melanogaster

Eclosão

Eclosão

Eclosão

Eclosão

TempoTempoTempoTempo

TempoTempoTempoTempo

Melatonina

Melatonina

Melatonina

Melatonina

TempoTempoTempoTempo

Dias

Dias

Dias

Dias

Atividade

Aves

Mamíferos

Bell-Pedersen et al. (2005). Nat Rev Genet. Jul 544-56.

Organismos

Estatísticas

A performance em testes mentais é melhor perto do horário do almoço que durante a manhã ou noite (Folkard, 1975).

Diversos estudos demonstram que a velocidade visual de procura é melhor durante a manhã (Monk, 1979).

Por volta das 4h da manhã a probabilidade de ocorrer um acidente de carro aumenta.

Pessoas mantidas em cavernas tendem a apresentar um ritmo de ~ 24 horas.

40 a.C. – Androsthenes descreveu as observações do movimento diário da folha de Tamarindus indicus, durante as marchas de Alexandre o Grande. Simples descrição;

1729 - Jean Jacques d’Ortous de Mairan mostrou que os movimentos foliares da planta Mimosa pudica persistiam em escuridão constante, sugerindo uma origem endógena. Ele concluiu que a planta apresenta algum mecanismo próprio para “saber”quando abrir e fechar as folhas. O estudo não envolveu variação de temperatura;

Histórico

Escuro

1751 – Carolus Linnaeus, a partir do fato que cada espécie apresenta uma hora do dia única para abertura da flores, propôs o “relógio das flores” apoiando a idéia que cada organismo apresenta ritmos únicos;

Somers DE. (1999). Plant Physiol. 1999 Sep;121(1):9-20.

Histórico

1873 – Wilhelm Pfeffer suspeitou que a entrada de luz nos quartos escuros poderia invalidar a origem endógena do ritmo, dando margem a discussões;

1894 – Primeiros experimentos com animais. Padrões temporais de pigmentos em artrópodes;

1922 - Atividade diária de ratos;

1929 – Karl Von Frisch – Treinaram abelhas para coletar néctar na estação experimental entre 16 e 18 h. As abelhas não visitavam outros horários e,quando retirado o néctar, as abelhas continuavam visitando. Mesmo quando desprovidas de fatores ambientais, como a luz, a visita persistia;

1952 – Gustav Kramer – Estudou o padrão de migração de pássaros. Assim como as abelhas, os pássaros possuem um relógio circadiano para ajustar a orientação decorrente de alteração na posição do sol;

Histórico

Endógeno ou não?

Ritmos Circadianos

• 3 Características:

- Endógenos;

- Período de aproximadamente 24 horas;

- Independente da temperatura;

• Mecanismo baseado em reações químicas:

Jacobus Henricus van't Hoff

A + B � C + D

Regra de Van't Hoff

“um aumento de 10 graus celsius na temperatura duplica a velocidade da reação “

Q10=2

20oC � X

30oC � 2X

Bünning (1931) mostrou que o período do movimento foliar de Phaseolus spapresentava um Q10=1,2.

Início da análise genética: 1970

Dias

Moscas por hora

Ritmos de eclosão (liberação do inseto adulto a partir da pulpa)

Ponto de Partida

� Identificação dos componentes do relógio molecular;

� Kloppstech (1985) identificou os genes codificadores da LHCB (Light-harvesting chlorophyll binding protein);

� A expressão apresentava um perfil circadiano;

� Utilização de genes repórteres para busca de mutantes temporais;

Gene Repórter - Luciferase

� Luciferina não produz luz;

� Luciferase – Catalisa a oxidação da luciferina;

� Visualização através de equipamentos específicos;

promotor LHCB luciferase

tempo

tempo

tempo

tempo

selvagem

Millar et al. (1995b). Science 267, 1161–1163.

período-curto

período-longo

arritmico

ArritmicoPeríodo longoProteína F-boxZTL

ArritmicoPeríodo curtoElemento reguladorTOC1

Não conhecidoPeríodo curto, baixa amplitudeNão caracterizadaTIC

Período curto em luz vermelhaPeríodo longo em luz vermelhaFotoreceptorPHYB

Período curto em luz vermelhaPeríodo longo em luz vermelhaFotoreceptorPHYA

Período longoArritmicoDesconhecidaELF3

Período curto em luz azulPeríodo longo em luz azulFotoreceptorCRY2

Período curto em luz azulPeríodo longo em luz azulFotoreceptorCRY1

Período curtoNão conhecidoQuinaseCKB3

ArritmicoPeríodo curtoFator de transcriçãoCCA1

Super-expressãoPerda de FunçãoFunçãoGene

Tabela 1. Genes de constituintes do relógio biológio de Arabidopsis

McClung CR. Plant Cell. 2006 Apr;18(4):792-803.

McClung CR (2006) Plant Cell. Apr;18(4):792-803.

Via de entrada

Oscilador central

Via de saída

0h 6h 12h 18h

Microarranjos

Resultados

� Identificação de genes diferencialmente expressos ao longo do dia;

� 11.521 EST;

� 10% dos genes de Arabidopsis;

Germinação

Movimentos foliares

Evitar sombra

Florescimento Abertura Flores Produção de Fragrâncias

Tuberização

Fotossíntese Abertura Estômatos

Dormência

Black M & Wareing PF (1954) Nature 174, 705–706.

Período de luz (h)

% de germinação

Germinação

% de Germinação

Período de luz (h)

15oC

20oC

Betula pubescens

Dowson-Day MJ & Millar AJ (1999) Plant J 17, 63–71

Crescimento do Hipocótilo

Altu

ra (

mm

)

Tempo (horas)

Altu

ra (

mm

)

Tempo (horas)

Período curtoElemento reguladorTOC1

Tempo (horas)

Condutância estomatal(kpa)

Somers et al. (1998) Development 125, 485–494.

Abertura dos estômatos

Tempo (horas)

Abertura estomatal

Período curtoElemento reguladorTOC1

Emissão de Compostos Voláteis

Dudareva et al. (2000). Plant Cell 12, 949–961.

Pico de atividade diurna

Escuro Claro Escuro

Em

issã

o (µ

g/flo

r/ho

ra)

Horário de coleta

Metilbenzoato

Emissão de Compostos Voláteis

escuro claro escuro claro escuro claro escuro claro escuro claro escuro claro escuro claro escuro claro escuro claro escuro claro

Kolosova et al. (2001) Plant Cell 13, 2333–2347.

C

O OH

C

O O CH3

SAM

Ácido Benzóico Metilbenzoato

Produção de Compostos Voláteis

metiltransferase

Expressão RNAm

Kolosova et al. (2001) Plant Cell 13, 2333–2347.

Conclusões

� Um dos campos mais fascinantes da biologia;

� O progresso alcançado desde os experimentos de de Mairan éconsiderável;

� Entretanto diversas questões ainda continuam sem resposta;

� O campo de pesquisa está se expandindo para análises ecológicas, evolucionárias e agronômicas sobre o tema;

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Referências

Obrigado