FISIOLOGIA DA GERMINAÇÃO DE SEMENTES INTRODUÇÃO A semente é uma estrutura resultante de profundas modificaçõe processadas no óvulo após ter sido fecundado. As sementes de angiospermas são de estruturas simples, entretanto, fisiologicamente, extraordinárias, pois podem sobreviver, por longos períodos, com conteúdo de água de 10% ou menos enquanto que tecidos normais em crescimento necessitam de conteúdo de água em torno de 90% ou mais para manter suas funções metabólicas. As taxas metabólicas de sementes não germinadas é, em geral, extremamente baixa devido ao baixo teor de água que possuem. A maior parte da água nas sementes está firmemente ligada a colóides, inacessível para reações hidrolíticas. Devido a esta desidratação, as células e suas organelas, estão freqüentemente retraídas com contornos angulares e o citoplasma pode estar afastado das paredes celulares, tal como na plasmólise. As sementes contêm um embrião derivado da fusão dos gametas masculino e feminino, protegido por um teumento com duas camadas (testa e tegme) originadas pelo tecido materno, dos integumentos do óvulo. Esta casca (testa) mostra grande variação, podendo ser mole, gelatinosa ou pilosa; mais o mais freqüente é ser dura. O embrião consiste da radícula, que se desenvolve na futura raiz; o caulículo que origina o hipocótilo; a gêmula, que origina o caule e os cotilédones, que são as primeiras folhas que se desenvolve a partir do embrião. O tamanho do embrião pode ser pequeno e rudimentar ou grande ocupando quase toda a semente. Street & Öpik (1974), referem que as sementes contêm algum nutriente de reserva; em alguns casos, isto pode constituir de 85-90% do peso da semente. As reservas eram compostos solúveis que foram translocados para as células de tecido de reserva, durante o processo de amadurecimento, e transformadas em compostos insolúveis. Constituem carboidratos, proteínas e lipídios. Os carboidratos ocorrem principalmente sob a forma de amido ou hemicelulose. O amido é armazenado em forma de grão e hemicelulose é componente estrutural da parede celular em todos os tecidos. Reservas de lipídios são depositadas como gotículas de tamanho variável. As reserva de proteínas ocorrem como corpos protéicos envolvidos por uma membrana (grãos de aleurona) ou, mais raramente, sob forma de cristais. O tecidos de reserva podem estar representado pelo endosperma, derivado da fusão de dois núcleos polares femininos do óvulo com o segundo núcleo masculino do tubo polínico. A presença deste tecido nutritivo confere grande importância econômica às sementes portadoras de endosperma, particularmente aos grãos de cereais como fonte de alimento para o homem; por exemplo, arroz, milho, trigo, cevada e sorgo. O endosperma é freqüentemente um tecido triplóide e pode ocupar grande parte da semente, como nos cereais, ser relativamente pequeno ou mesmo ausente. Ocorre também na forma de tecido acelular cenocítico, como no endosperma líquido de Cocos nucifera. As principais reservas não estão sempre no endosperma, podendo estar presente em outros locais, como nas estruturas denominadas cotilédones que envolvem e protegem o embrião, como no caso das leguminosas (feijão, ervilha e soja), que são altamente nutritivas e, portanto, de importância econômica. Algumas sementes apresentam órgãos especiais de absorção que transferem os alimentos da reserva ao embrião em desenvolvimento. Nas gramíneas, como milho e cevada, este órgão, o escutelo (que representa o único cotilédone modificado das monocotiledôneas), tem forma de escudo e pode absorver e metabolizar as reservas, e também suportar fisicamente o embrião durante seu desenvolvimento. Dormência e Germinação Os mecanismos de dormência e a evolução das sementes têm sido fatores prepoderantes no sucesso na sobrevivência das gimnospermas e angiospermas, em relação a outros grupos. Dormência é um período em que o crescimento é suspenso ou reduzido, freqüentemente quando as condições ambientais são adversas. Ocorre, de algum modo, em sementes da maioria das espécies. A germinação em sementes, originando as gerações seguintes, é o estádio mais crítico na vida da planta e, portanto, na sobrevivência da espécie. Seu controle através da dormência, assegura que a plântula, vulnerável e imóvel, possa se estabelecer como um organismo autotrófico fotossintetizante, em condições que favoreçam este período crítico. O termo germinação tem sido aplicado ao brotamento dos esporos de bactérias, fungos e pteridófitas, ao crescimento de grãos de pólen no estigma, e mesmo à emergência de alguns animais unicelulares encistados. Street & Öpik (1974), definem a germinação como a retomada da atividade metabólica e crescimento pelos tecidos da semente, envolvendo reidratação, utilização de reservas nutritivas e o desenvolvimento de sistemas sintetizantes, que permitem a planta jovem, assumir uma existência autotrófica. A germinação pode ser epígea, em que os cotilédones estão acima do solo e se tornam verdes e fotossintetizantes (feijão, mamona, cebola) ou hipógea, em que os cotilédones ou grão permanecem sob o solo e não são fotossintetizantes (milho, seringueira). Street & Öpik (1974), referem que o primeiro processo que ocorre na germinação é a absorção de água que envolve tanto embebição como osmose. A embebição coloidal é dominante na fase inicial da tomada de água, e uma vez que isto não depende da atividade metabólica, pode ocorrer em condições anaeróbicas e mesmo em sementes mortas. A magnitude da força de embebição coloidal, é, inicialmente alta e diminui rapidamente conforme o teor de água aumenta. A micrópila e o hilo podem ser as principais áreas de entrada de água na semente. Em algumas sementes a testa é mais permeável a água de fora para dentro que na direção oposta, mostrando uma adaptação à tomada de água. No interior da semente a hidratação não é uniforme e o movimento da água é mais rápido nos tecidos embrionários que nos de reserva. A fase inicial da hidratação eleva o teor de água das sementes de 50-60% de seu peso fresco. Street & Öpik dizem que este valor não é maior, devido a presença de uma alta proporção de células de tecido de reserva que ainda não estão vacuolizadas neste estágio. Após a embebição as células e organelas reassumem o tamanho e forma que tinham antes do dessecamento que ocorreu durante o amadurecimento da semente. Conforme o protoplasma vai hidratando ele reassume a atividade metabólica. As enzimas são ativadas pela hidratação, mas o teor de água necessário à ativação é diferente para cada enzima. Com a atividade metabólica, no embrião as células começam a se expandir e dividir e a emergência da radícula, freqüentemente é tomada como um critério para determinar a germinação. O intenso metabolismo das sementes em germinação é acompanhado por altas taxas de respiração. Nos tecidos de reserva a taxa respiratória sobe durante a germinação e depois cai, ao iniciar-se sua senescência. Para o eixo da plântula, como um todo, a respiração total continua a aumentar durante a germinação. A atividade fisiológica dos tecidos de reserva durante a germinação tem sido descrita como sendo catabólica ou degradativa, em contraste com a atividade anabólica ou sintetizante das regiões em crescimento do embrião. É difícil estabelecer o limite entre o final da germinação e o início do que se chama de desenvolvimento. Na verdade, a germinação é considerada uma fase inicial do processo de desenvolvimento (o despertar) em que a semente passa de baixa para alta atividade metabólica, antes do crescimento “real” em termos de alongamento ou divisão celular. Deve ser notado que o crescimento do embrião ocorre imediatamente a partir da fecundação, quando é produzido o zigoto, que sofre várias divisões e se diferencia. Esse processo é interrompido quando a semente seca é dispersada. O crescimento do embrião continua com a embebição. Assim, a germinação e o desenvolvimento da plântula podem ser considerados como um restabelecimento do crescimento. A duração é , portanto, dependente do período de dormência. A radícula é mais comumente o primeiro órgão a emergir da casca (feijão, milho, alface) embora em alguns casos, como Salsola, o primeiro a emergir seja o epicótilo. Os fatores que controlam o crescimento do embrião são provavelmente diferentes dos que levam à ativação e à germinação. Tipos de dormência em sementes Vários tipos de dormência existem nas sementes de plantas selvagens, capacitando-as à sobrevivência. A maioria das plantas cultivadas, como milho, trigo e feijão, devido à seleção e ao melhoramento genético, não apresentam dormência prolongada. Essas sementes são denominadas quiescentes, no sentido de distingui-las das verdadeiras sementes dormentes. Nas sementes quiescentes os fatores que impedem a germinação são invariavelmente exógenos, como ausência de água ou temperaturas inadequadas. Semente de milho germinam imediatamente quando semeadas, o que é uma importante vantagem agrícola; não estão, porém aptas a sobreviverem à competição na natureza. Sem a interferência do homem (plantio, irrigação) poderiam rapidamente se extinguir. Sementes verdadeiramente dormentes não germinam mesmo se colocadas em condições ótimas, a menos que sinais ambientais ou fatores que quebram a dormência sejam percebidos. Uma vez quebrada a dormência, a semente pode ser denominada quiescente e é potencialmente capaz de germinar desde que as condições ambientais sejam favoráveis. Os principais tipos de dormência encontrados nas sementes são devido: permeabilidade da casca, estratificação, fotoblastismo, imaturidade do embrião, pós-maturação e dormência secundária. É conveniente lembrar que mais de um tipo de dormência pode estar presente em determinada semente. Permeabilidade da casca Um dos tipos mais comuns de dormência é devido à presença de uma casca dura, impermeável à água e aos gases e que talvez possa restringir fisicamente o crescimento do embrião. Impermeabilidade à água é comum em leguminosas e está presente em muitas espécies brasileiras.Em alguns tipos, particularmente nas papilionáceas, a entrada de água é controlada por uma pequena válvula no hilo. Esta se abre apenas quando a umidade relativa do ar é menor que a da semente. Em outros a válvula contém uma tampa de suberina que precisa ser afrouxada para permitir a entrada de água. No laboratório, a taxa de germinação dessas sementes pode ser aumentada por um método de agitação violenta, denominado impactação, que desprende a tampa, ou por abrasão, com lixa ou lima de ferro, denominada escarificação. A escarificação, que quebra a casca dura, pode também ser obtida quimicamente, pelo uso de ácidos fortes que degradam a testa, ou por imersão em água fervendo por alguns segundos, que rompe a casca sem danificar o embrião. Na natureza as cascas são fendidas lentamente por degradação promovida por fungos, ácidos fracos no solo, fogo e etc. Algumas sementes são ingeridas por pássaros, roedores e morcegos, sendo escarificadas pelos ácidos do trato digestivo e depois eliminadas sem danos. Ainda em laboratório, tratamento com álcool, que remove a cera, seguida por abrasão, é utilizado para aumentar a taxa de germinação em espécies brasileiras. Rompendo-se a casca, pode-se também facilitar a lixiviação ou destruição de certos inibidores presentes na semente. Experimentos indicam que a permeabilidade da casca pode mudar com fatores ambientais. Se as sementes na ausência de oxigênio, permanecem permeáveis à água; secando-as em presença de oxigênio, obtêm-se sementes impermeáveis. Estratificação Muitas sementes precisam de exposição a uma temperatura crítica, às vezes por um período considerável, antes de serem capazes de germinar. Essa temperatura, usualmente baixa, não está relacionada com a temperatura ótima para a germinação, mas é requerida para a quebra da dormência. Para o tratamento ser eficiente, as sementes precisam estar totalmente embebidas durante a exposição. Este tratamento com baixa temperatura, durante o qual ocorrem, dentro da semente, mudanças fisiológicas e metabólicas, é denominado estratificação. Este tipo de dormência é comum em muitas plantas das zonas temperadas, tais como maçã, cereja e amêndoa, nas quais a necessidade de frio é satisfeita pelos meses de inverno, de novembro a fevereiro, o que garante que as sementes apenas germinarão na primavera e as plântulas crescerão durante o verão. Às vezes é possível forçar a germinação em sementes que requerem estratificação, como pêssego e Betula, pela remoção da casca da semente ou dos cotilédones ou pela excisão do embrião, transferindo-o para um meio artificial. Entretanto, tais plântulas “forçadas” nunca são normais; usualmente são deformadas e denominadas anões fisiológicos. Na natureza o nanismo fisiológico causado por germinação anormalmente precoce, será curado naturalmente pelo frio dos últimos meses de inverno e o aumento do comprimento do dia na primavera. O fato do ácido giberélico poder curar nanismo fisiológico, sugere que além da remoção de inibidores, promotores de crescimento, que podem vencer o efeito dos inibidores, talvez aumentem durante o período de resfriamento. Assim, o balanço entre inibidores e promotores muda a estratificação. O inibidor mais comumente encontrado parece ser o ácido abscísico (ABA). Embora pareça existir mais de um tipo de ABA, em determinadas espécies foi registrado que os níveis endógenos deste inibidor cai durante o resfriamento. O período necessário de estratificação varia muito entre famílias, gêneros e mesmo espécies. A grande maioria das plantas que requerem estratificação estão na família Rosaceae, várias coníferas e algumas plantas aquáticas. Altas temperaturas, em geral, têm pouco efeito sobre a quebra da dormência. Temperaturas diurnas flutuantes, entretanto, podem estimular germinação em muitas sementes. Na maioria dos casos parece que a oscilação entre temperaturas diferentes é o fator importante para iniciar a germinação em vez da própria temperatura. Este fenômeno é bastante comum em sementes pequenas e provavelmente é um mecanismo para assegurar germinação perto da superfície do solo, onde a temperatura é variável, ao contrário das zonas mais profundas , em que a temperatura é mais constante. Fotoblastismo Presença ou ausência da luz pode estimular ou inibir a germinação e a taxa de germinação de certas sementes. Sementes que requerem luz para quebrar a dormência são denominadas fotoblásticas positivas; por exemplo, alface; as que são inibidas pela luz são chamadas fotoblásticas negativas (ex. maxixe). Da mesma forma que a estratificacão, a luz só é eficiente em sementes embebidas. Algumas sementes podem ou perder sua sensibilidade à luz ou se tornar fotoblásticas através de mudanças do meio ambiente. O contrário é verdadeiro para algumas espécies de alface, que não mostram nenhuma resposta à luz a 20º C, mas ao redor de 35º C se tornam fotoblásticas positivas. Interações entre fotoperíodo e temperatura também foram constatados. Assim, Betula a 15º C precisa de 8 ciclos de dias longos, entretanto, a 20 -25º C, uma única exposição à luz de 8-12 horas é suficiente para estimular a germinação. Imaturidade do embrião Em algumas sementes o embrião requer um período adicional de crescimento, depois que a semente foi dispersa da planta mãe, para que a germinação possa ocorrer. Este tipo de dormência é muitas vezes ligado a outro tipo, mais comumente a estratificação. Em algumas espécies, a diferenciação do embrião somente ocorre a uma determinada temperatura (por ex. 2º C), de modo que sementes espalhadas no outono ficam dormente no solo, durante o inverno frio, durante o qual o embrião se desenvolve, de modo que a germinação pode ocorrer na primavera seguinte. Finalmente existe ainda a dormência do epicótilo que ocorre em algumas espécies (Lilium). Nestas as sementes germinam e a radícula cresce no solo imediatamente, depois da dispersão. Entretanto, o epicótilo fica dormente até o ano seguinte, depois de um período de resfriamento. Outras plantas precisam de dois anos de pós-maturação: o inverno frio do primeiro ano estimula o crescimento da radícula no verão seguinte, enquanto o epicótilo requer ainda mais um inverno completo antes de iniciar seu crescimento. Pós-maturação Muitas sementes não germinam imediatamente após a dispersão, mas com o tempo mostram altas taxas de germinação em condições normais, sem necessidade de tratamentos específicos que normalmente caracterizam sementes dormentes. Estas sementes precisam de um período de pós-maturação em condições secas, no qual mudanças metabólicas ocorrem no tecido, as quais aumentam a capacidade de germinação. A duração do período de pós-maturação pode ser bem curto em temperaturas elevadas. Este valor foi reduzido pelo homem através de seleção e melhoramento genético. Um período mínimo de pós-maturação é sempre vantajoso para evitar a germinação das sementes enquanto elas estão ainda na planta mãe. É conveniente lembrar que sementes armazenadas à seco por muito tempo não corresponde a um fenômeno natural e pode acarretar danos as organelas e ao DNA. Na natureza sementes dormentes, embebidas no solo, pode sobreviver por períodos muito mais longos, pois as células podem se “consertar”no estado hidratado. Isto não é possível na semente seca, onde as enzimas não podem se difundir nos substratos. Dormência secundária É uma condição em que as sementes, potencialmente capazes de germinar depois da colheita, perdem esta capacidade e entram em dormência. Pode ser considerada como um mecanismo de proteção, nos casos em que a semente se encontre em condições ambientais desfavoráveis para a germinação. A dormência secundaria é comum em sementes pequenas (ervas daninhas), que podem ser enterradas por máquinas agrícolas ou por meios naturais. Quando levadas pelo arado até a superfície do solo, a dormência é quebrada é estas espécies rapidamente recolonizam o campo. FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO de sementes quiescentes e dormentes. a) Longevidade de sementes As sementes perdem a viabilidade com o tempo; entretanto a longevidade entre as espécies é muito variável. Ferri (1986), refere pesquisas que relatam casos de sementes que permaneceram viáveis após 221 anos, enquanto outras apresentam vida curta (1 semana se exposta a ar). Refere ainda, que experimentos com sementes de longa vida são necessariamente difíceis e freqüentemente sobrevivem aos pesquisadores. Experimentos iniciados em 1879 para avaliar a viabilidade em sementes foram continuados por outros pesquisadores em 1949 e só serão concluídos após 300 anos. Em laboratório, os fatores mais importantes na proteção de sementes estocadas parecem ser temperaturas baixas, conteúdo de água baixo na semente, e em muitos casos concentrações de O2 baixas na semente ou de CO2 elevadas. Umidade parece ser o mais importante; aumentando-se o conteúdo de água na semente de 5% para 10% , reduz-se a viabilidade muito mais do que aumentando-se a temperatura de 20º C até 40º C. Ferri (1986) chama a atenção que em algumas sementes a longevidade só é mantida se estas estiverem úmidas. Algumas semente podem continuar viáveis quando mergulhadas em água até 7 anos, estas ocorrem naturalmente em pântanos. b) Água O primeiro processo na germinação de sementes quiescente é a absorção de água, denominado embebição. Sementes dormentes também embebem água em contato com o solo úmido, mas permanecem assim até sua dormência ser quebrada por sinais ambientais específicos. A entrada de água é controlada pela permeabilidade da casca, pela disponibilidade de água e pela composição química das reservas da semente. A embebição é um fenômeno físico relacionado com as propriedade dos colóides. Assim, sementes mortas também embebem água, nas mesmas proporções que sementes normais, devido a sua secura. Outros componentes também aumentam de volume, como a celulose e pectinas, enquanto o amido, comum nos cereais, não contribui para a embebição, exceto em condições de alta temperatura e pH baixo que normalmente não ocorrem na natureza. c)Gases A germinação e o desenvolvimento da plântula é um processo que requer energia e, ao contrário da embebição, ocorre só em tecidos vivos. A energia é fornecida pela respiração de reservas estocadas, um processo que é dependente da presença de oxigênio. A concentração de CO2, em geral tem pouco efeito na germinação, aumentando a concentração diminui-se a germinação. Como deve ser esperando diminuindo-se a taxa de O2 diminui a taxa de germinação, entretanto existem sementes que germinam até com 2% de oxigênio apenas. d) Temperatura Espécies diferentes apresentam uma grande diferença nas temperaturas ótimas para a germinação, dependendo às vezes da estação do ano em que a espécie cresce ou do local geográfico. Deve-se distinguir entre a temperatura ideal para quebrar a dormência e temperatura ideal para o crescimento da planta jovem. Em geral, temperaturas muito altas ou muito baixas inibem a germinação. A temperatura ótima para a germinação é definida como aquela em que a maior porcentagem de sementes germina mais rapidamente. Acima ou abaixo deste ótimo, as sementes podem atingir 100% de germinação, mas o tempo gasto será maior. Também, deve-se distinguir entre resistência à temperatura que uma espécie pode tolerar e o efeito da temperatura no processo de germinação. Muitas sementes secas com casca dura são extremamente resistente às temperaturas altas ou baixas, ou sobreviver ao fogo. Altas temperaturas durante as queimadas podem até estimular a germinação por romperem a casca. Da mesma forma sementes que têm altos níveis de óleos, como o rabanete, nabo e papoula, podem tolerar temperaturas de 90º C por períodos prolongados. Entretanto, esta resistência tem pouco haver com a sobrevivência, pois estes extremos de temperaturas não são normalmente encontrados na natureza. Algumas sementes germinam melhor em temperaturas flutuantes, neste caso parece que mudanças nas temperaturas são mais importantes do que as temperaturas em si. Finalmente Ferri (1986), refere que efeitos indiretos da temperatura sobre a germinação de sementes foram constatados. Estudos comprovaram que as temperaturas durante a maturação da semente na planta mãe, antes da dispersão, podem afetar a profundidade da dormência e isto explica as grandes variações encontradas entre sementes colhidas de diferentes locais. e) Luz As sementes podem ser classificadas em três categorias: fotoblásticas positivas, fotoblásticas negativas, e fotoblásticas neutras. Estas categorias não são absolutas, pois as sementes podem vir a ser ou deixas de ser fotoblásticas com o tempo, ou quando entram em dormência secundária. Em geral plantas cultivadas são fotoblásticas neutras; respostas à luz são mais freqüentes em plantas selvagens. Estudos revelam que a luz vermelha em geral promove a germinação enquanto a luz azul inibe. Pesquisas feitas com alface, mostraram que o vermelho de 660 nm apresenta um pico de promoção, enquanto que o vermelho extremo (730 nm) apresenta uma inibição muito mais forte do que o azul. A inibição por luz azul foi posta em dúvida por muitos autores e, porém atualmente tem sido aceito que a luz azul certamente inibe a germinação. Sementes secas não apresentam sensibilidade à luz, sugerindo que mudanças bioquímicas estão envolvidas na resposta. Entretanto durante a embebição a sensibilidade aumenta até o máximo depois de mais ou menos 1 hora. A resposta à luz é controlada pelo fitocromo e como se pode esperar , neste caso, o efeito da luz vermelha pode ser revertido pelo vermelho extremo. Estudos mostraram que a resposta final de promoção ou inibição é dependente do último tratamento recebido. Em geral pode-se dizer que a germinação é controlada pelo nível de Fve (fitocromo ativo). Em sementes que não precisam de luz para germinar, sugerese que o fitocromo nelas está presente na forma de FVE na maturação, o que promoveria a germinação. FATORES QUE INDUZEM A DORMÊNCIA Ferri (1986), diz que os fatores que induzem a dormência de sementes foram menos estudados, mas parece que o balanço entre inibidores e promotores está envolvido em muitos casos. A aplicação de giberilina em sementes dormentes pode estimular a divisão e o alongamento de células. Os fatores ambientais que controlam a entrada na dormência são diferentes daqueles que estimulam a germinação. Geralmente a entrada em dormência é controlada pela planta inteira,enquanto que o rompimento da dormência pode ter controle local. Sementes que necessitam de resfriamento, têm a quantidade de giberilina aumentada após 6 semanas de frio. Isto também pode ocorrer quando a semente é tratada com luz. Estudos mostraram que outros hormônios tais como citocininas e etileno podem estar envolvidos com o rompimento da dormência. QUESTÕES PARA A FIXAÇÃO DA APRENDIZAGEM 1. Como é a semente do pondo de vista estrutural e fisiológico ? 2. Quais as principais substâncias de reservas das sementes ? 3. O que entende por dormência e germinação ? 4. Qual a vantagem da dormência para o ciclo biológico das plantas ? 5. Qual a difernça entre sementes quiescentes e verdadeiramente dormentes ? 6. Quais os principais tipos de dormência encontradods nas sementes? 7. Cite alguns dos fatores que afetam a germinação de semente quiescentes e dormentes. BIBLIOGRAFIA INDICADA AO ALUNO 1. COUTINHO, L. H. Botânica. v. 2, 7ª ed., São Paulo, Cultrix, 1976. 307 p. il. 2. FERRI, M. G. Fisiologia vegetal 1. 2ª ed. São Paulo: EPU, 1986. 3. MODESTO, Z. M. M. & SIQUEIRA, N. J. B. Botânica. São Paulo, Editora Pedagógica e Universitária - EPU, 1981. 4. RAVEN, P. H. , EVERT, R. F. & CURTIS, H. Biologia vegetal, 2ª ed., Rio de Janeiro, Guanabara Dois, 1978. 724 p. il. 5. STREET, H. E. & ÖPIK, H. Fisiologia das angiospermas. São Paulo, Editora Polígono S.A., 1974.