semilla 2008
TRANSCRIPT
Fisiología de Semillas
• Procesos:– Formación de la semilla
• Embriogénesis• Acumulación de reservas
– Germinación– Dormición
Clasificación en función de su tolerancia a ladesecación
• Ortodoxas:– tolerantes a la desecación– se dispersan y conservan luego de alcanzar un
bajo % de humedad• Recalcitrantes:
– sensibles a la desecación– Se dispersan junto con los tejidos del fruto
(carnoso) con altos contenidos de humedad
Desarrollo de semillas ortodoxasDesarrollo de semillas ortodoxas
Histodiferenciación Maduración Desecación Secado
División celular
Expansión celular
Deposición dereservas
Metabolismoreducido
Quiescencia(semilla madura
y seca)
Dormición(a veces)
Intolerante ala desecación
Tolerante ala desecación
GDC (ºC d)0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 200 400 600 800 1000 oCd -1
peso
gra
no (m
g)
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12tc (m
goCd
-1 )Crecimiento de Grano
Antesis MF
0
20
40
60
80
100
10 20 30 40 50
Días post-antesis
Peso
sec
o (m
g)
0
10
20
30
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50
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70
% d
e hu
med
ad
Peso Seco % de humedad
Evolución de peso seco y contenido de humedaddurante el desarrollo de semillas de cebada.
MF
Semilla en Plantamadre
Semilladispersada
“ SWITCH” ó cambiode programa
DESECACIÓN
Expresa programa deDesarrollo Expresa programa de
Germinación
ABAPotencialosmótico
prevención de germinación precoz síntesis de proteínas de reserva adquisición de tolerancia a la desecación evitar síntesis de alfa-amilasa
Metabolismo anabólico
Metabolismo catabólico
C o n t e n id o d e A b a e n e m b r io n e s ye n d o s p e r m a s d e s o r g o e n f u n c ió n d e l
e s t a d o d e d e s a r r o llo
0
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
5 0 0
6 0 0
7 0 0
1 5 1 9 2 3 2 7 3 1 3 5 3 9 4 3D ía s p o s t - a n t e s is
ABA
(pc/
mg
de p
eso
seco
)
Em b r io n e s En d o s p e r m a
-
Contenido de ABA en embriones y endospermade semillas de sorgo en distintos estados de desarrollo
Sensibilidad de embriones de sorgo incubadosen agua y soluciones con distinto potencial
osmótico en función del estado de desarrollo
0
20
40
60
80
100
120
140
16 19 23 27 31 35 39 43Días post-antesis
Ind
ice
de
ger
min
ació
n
agua -0.5 Mpa -1 Mpa
Sens. de embriones de sorgo al ABA y pot.osmótico en función del estao de desarrollo
0
20
40
60
80
100
120
16 19 23 27 31 35 39 43
días post-antesis
Ind
ice
de
ge
rmin
ac
ión
-0.5 Mpa/1 uM ABA -0.5 Mpa/10 uN ABA- Mpa/1 uM ABA -1 Mpa/10 uM ABA
Efectos del ABA y ambiente osmótico
• ABA: Incrementa mRNA de proteínas dereserva (cruciferín, napín). Actúa en laestabilización del mRNA.
• Ambiente osmótico: tiene el mismo efecto queel ABA
• Juntos impiden la entrada de agua al embrióndurante la desecación y la remobilización dereservas (antagónico con GA)
Posibles efectos de la desecación• Nivel membrana:
– Cambios conformacionales– Cambios constitucionales
• Nivel hormonal:– Desciende ABA– Disminuye sensibilidad al ABA– Incrementa sensibilidad a GA
• Nivel genómico: síntesis mRNA y proteínas– supresión permanente de mRNA del “desarrollo”– Inducción de mRNA de la “germinación”
Plantamadre
Semilladispersada
“ SWITCH” ó cambiode programa
DESECACIÓN
Programa deDesarrollo Programa de
Germinación
ABAPotencialosmótico
prevención de germinación precoz síntesis de proteínas de reserva adquisición de tolerancia a la desecación evitar síntesis de alfa-amilasa (el ABA insensibiliza la capa dealeurona a las giberelinas)
GERMINACION
I II III
Absorciónde agua
Germinación en el sentidoestricto (aparición de laradícula)
“punto de no retorno”
Días degerminación
Etapas del proceso de germinación
• Fase I: Imbibición– proceso físico que se da por gradiente de
potencial agua• Fase II: “Plateau” ó equilibrio
– se igualan potenciales agua entre -1 y -1.5MPa
• Fase III: Reinicio de la absorción de agua– semillas con dormición no entran en esta fase
FLUJO DE AGUA=w e - w ir1+ r2 + r3
r1= resistencia del suelo (depende de la conductividadhidráulica del suelo)
r2= resistencia externa (es función del grado de contactoentre la semilla y la fuente de agua)
r3= resistencia interna de la semilla (dada por lascubiertas de la semilla, importante en semillasduras)
w e = potencial hídrico externo= cercano a 0= m (en suelos)= m + (en suelos salinos)
w i = potencial hídrico interno= -100 Mpa en semillas secas= m (en semillas secas)= m + (en semillas embebiéndose)= + p (al final de la fase I)
Fase I de imbibición
• Factores que la afectan:
• Disponibilidad de agua
•Contacto semilla – suelo
0
10
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80
0 5 10 15 20 25Potencial agua (milibares)
% d
e ge
rmin
ació
n
0,25 mm 0,25-0,5 mm0,5-1 mm 1,0 - 2,0 mm
Germinación en función de la granulometríay del potencial agua del suelo
Daños por imbibición:
• Entrada violenta de agua que produce ruptura de células y salida desolutos• Cambios a nivel de la configuración de las membranas celulares loque afecta la capacidad de germinación de la semilla
Factores que disminuyen el daño por imbibición:
• temperatura del agua de incubación (mayor daño con < temp.)
• resistencia 3: cubiertas de la semilla, hacen que la entrada de aguasea más lenta
0
1020
30
40
5060
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80
2 ºCintactaSoja
2 ºCpartida
2 ºCintactaArveja
2 ºCpartida
% d
e ge
rmin
ació
n
25 ºC 25 ºC 25 ºC25 ºC
Germinación en función de la temperaturay presencia de las cubiertas
Fase II de equilibrio
• Cesa momentáneamente la entrada de agua• Duración muy variable• Reactivación del metabolismo:
• Absorción de O2 y reactivación de la respiración• Reparación de mitocondrias• Síntesis de mitocondrias
• Síntesis de proteínas a partir de ARNm yaexistentes• Síntesis de proteínas a partir de nuevos ARNm(proteínas de la germinación)• Reparación del ADN
Fase III o Germinación propiamentedicha
• Se reinicia la entrada de agua dado un descenso delpotencial hídrico de la semilla
• El desciende por remobilización de solutos
• El p disminuye por ablandamiento de las paredescelulares
Síntesis del proceso de germinación
Imbibición: 5-15 % a 30% de agua
Absorción de O2 y reactivación de la respiración en elembrión
Síntesis y activación de enzimas e inicio de la digestión delas reservas (ej: alfa-amilasa)
Transporte de moléculas hidrolizadas al eje del embrión
Reiniciación de la división y el crecimiento celular yemergencia de la radícula
Dormición
Desarrollo de semillas ortodoxasDesarrollo de semillas ortodoxas
Histodiferenciación Maduración Desecación Secado
División celular
Expansión celular
Deposición dereservas
Metabolismoreducido
Quiescencia(semilla madura
y seca)
Dormición(a veces)
Intolerante ala desecación
Tolerante ala desecación
DEFINICION
Bloqueo interno propio de la semilla que determina que lamisma no germine en condiciones consideradas comofavorables durante determinado período de tiempo.
Característica adaptativa que determina que las semillasgerminen en un momento o lugar favorables a susobrevivencia.
Se trata de una característica heredable, cuya expresión esmodificada por las condiciones ambientales que se dan duranteel proceso de maduración de la semilla sobre la planta madre.(Pelton, 1965).
CONCEPTO Y CLASIFICACION DEDORMICION EN SEMILLAS
(según Lang, 1987)
DORMICION: es la suspensión temporaria del crecimiento visible, decualquier estructura que contenga meristemos.
Paradormición: impedimento para la germinación dentro de la semilla, pero porfuera de la estructura durmiente (embrión). Ej.: cubiertas duras y/o impermeables alos gases y al agua ó inhibidores individuales o balances inhibidores en la cubiertainterna (endosperma o perisperma).
Endodormición: impedimento dentro de la estructura durmiente. Ej.: embrionesinmaduros ó balances hormonales inhibitorios.
Ecodormición: limitante para el crecimiento en el medio ambiente en el que seencuentra la semilla (falta de agua, temperatura, oxígeno, luz).
Según el momento en que se da se distinguen dos tipos:primaria y secundaria.
La D. primaria es inducida sobre la planta madre duranteel desarrollo de la semilla y la D. secundaria ocurre luegode la dispersión de la semilla y generalmente está sujeta aciclos anuales (semillas de malezas).
Ambos tipos se identifican según las condiciones que llevana la salida de dormición, la sensibilidad a diferentesrequerimientos es diferente.
Dormición primaria yD. secundaria
DORMICION
Semillaen formación
Semilla conD. Primaria
Semilla sinDormición
Semilla conD. Secundaria
Ambiente,genotipo,efectos correlativos óposicionales
Ambiente,genotipo,efectos correlativos óposicionales
SEMILLA SINDORMICION
Luz, temperatura,after-ripening
Luz, temperatura,after-ripening
GERM.
Dormición absoluta
Nivel extremo de dormición, no se da la germinación aninguna temperatura de incubación.
Dormición relativa
La condición de dormición se expresa solamente endeterminados rangos de temperatura que tienen que ver concambios a nivel de membranas celulares.
Rango de temperaturas donde germina una especie anual estival (líneasólida) y temperatura ambiente durante el año (línea cortada).Vleeshouwer et al., 1995
Dormición relativa en trigoy cebada (Bewley y Black, 1985)
0
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
1 2 0
5 1 0 1 4 1 8 3 0T e m p e r a t u r a ( ºC )
% d
e ge
rmin
ació
n
Tr ig o Ce b a d a
Mecanismos de dormición:
Embrión: la remoción de las cubiertas no permite a losembriones germinar normalmente . Se dan dos casos:
- inmadurez del embrión- en embriones maduros: inhibidores presentes en
cotiledones. (Ejemplo: en algunas líneas de cebada, elscutellum impone dormancia).
Cubiertas: los embriones aislados pueden germinarnormalmente, la limitante la imponen los tejidos que rodeanel embrión (endosperma, pericarpio, testa o glumas)
DORMICION EMBRIONARIA
Especie Estudios totales D.embrionaria
Avena sativa 1 0Hordeum vulgare 13 2Oriza sativa 8 2Secale cereale 1 0Triticum aestivum 10 4Triticum durum 1 1Zea mays 5 0
Fuente: Simpson, 1990
0
10
20
30
40
50
60
0 20 40 60 80D ías a 20 ºc
Ger
min
ació
n (%
)Sin c otiledónMitad c otiledónCotiledón entero
Efecto de la remoción de los cotiledonessobre la dormición en embriones de
manzana. (Bewley y Black, 1985)
CAUSAS DE DORMICION IMPUESTAPOR LAS CUBIERTAS
1- Interferencia con absorción de aguaSemillas duras (leguminosas), donde la constitución de la testaresponsable de la impermeabilidad (cutícula cerosa, suberina yprincipalmente osteosclereidas),
2- Restricción mecánicaEjemplo: semillas de lechuga (endosperma con paredes gruesascompuestas por mananos, polímero de manosa, rodea completamente alembrión).
3- Interferencia con el intercambio gaseosoEntrada de oxígeno y salida de CO2
0
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
0 3 1 6 3 4 5 9 7 2 9 9 1 1 8 1 3 4
P r o f u n d i d a d ( u m )
Se
mil
las
em
be
bid
as
(%
)
Efecto de la testa sobre la permeabilidadal agua. (Bewley y Black, 1985)
Tegumentoexterno(cutícula cerosay suberina)
Teg. Externo(osteosclereidas)
Las cubiertas no imponen dormición por la disminución en lacantidad de oxígeno disponible para la respiración:
• Impiden la remoción de INHIBIDORES
• Alta actividad polifenol oxidasa en glumelas reduce la cantidad deO2 que llega al embrión en cebada
Efecto de las cubiertas sobre el intercambio gaseoso
b ) car io p s e s d e s n u d o s
0
20
40
60
80
100
120
15 22 29 36 43 50 64d ías p o s t-an te s is
IG
Q . P a lo ma r B 1 2 1 5
b ) g r a n o s e n t e r o s
0
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
1 2 0
1 5 2 2 2 9 3 6 4 3 5 0 6 4d ía s p o s t - a n t e s is
IG
Q . P a lo m a r B 1 2 1 5
a ) e m b r io n e s
0
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
1 2 0
1 5 2 2 2 9 3 6 4 3 5 0 6 4d ía s p o s t -a n te s is
IG
Q . P a lo m a r B 1 2 1 5
MF
MC
Fuente:Benech-Arnold et al., 1999
Sensibilidad al ABA de embriones endesarrollo
0
20
40
60
80
100
120
15 22 29 36 43 50 64días post-antesis
IG
Q. Palomar B 1215
ABA en em briones en desarrollo
0
200
400
600
800
15 22 29 36 43 50 64días post-antes is
AB
A (
pg/m
g pe
sose
co)
Q. Palomar B 1215
Fuente: Benech-Arnold et al., 1999
Efectos del ambiente durante el desarrollode las semillas sobre el nivel de dormición primaria
Temperatura: temperaturas bajas sobre el final del llenado de grano imponendormición en cebada
Condiciones de sequía: el efecto depende del tipo de dormición y del momento en quese produce ( un déficit hídrico aumenta el nivel de dormición en cebada cuando se da ainicios de llenado, si se da al final del mismo, la dormición es reducida)Sorgo: semillas desarrolladas en condiciones de sequía tiene menor dormición(disminución del contenido y de la sensibilidad al ABA).
Nutrición: altos niveles de fertilización nitrogenada levantan dormición.
Efectos posicionales: diferencias en nivel de dormición según la posición en lainflorescencia.
Fotoperíodo: en general la dormición es aumentada por días largos.
C 1
C 2C 4
C 3
B 4B 3
B 2
B 1
A1
0
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
7 0
8 0
1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4M e a n T e m p . (A - P M ) ( ºC )
GI (
12 D
AP
M)
Correlación entre el IG (12 dpmf) y la temperatura mediadel aire desde antesis a MF. (r= 0.79) para 9 fechas de
siembra en 3 años.
Coeficiente de correlación para el IG (12 dpmf) yla temperatura media para intervalos de 50 ºdía desde
antesis a MF.
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0-50
50-1
00
100-
150
150-
200
200-
250
250-
300
300-
350
350-
400
TT intervals (ºC.Day)
r
C 3
C 4
B 4B 3B 2
C 1
A 1B 1
C 2
0
10
20
30
40
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60
70
80
90
100
15 17 19 21 23 25
(Tm ) 300-350 (ºC)
GI (
12 D
AP
M)
r = - 0,986
0 ,4
0 ,6
0 ,8
1
1 5 1 7 1 9 2 1
Regresión lineal entre el IG (12 dpmf) y la temperatura mediadel aire en el intervalo 300-350 ºC desde antesis, para
9 fechas de siembra en 3 años
% de germinación promedio en función deépoca de siembra
0
10
20
30
40
5060
70
80
90
100
época 1 época 2 época 3
%G
erm
.
b
b
a
% de germinación para 5 variedades de cebadaen función de dos épocas de siembra (EEMAC,
1998)
30
40
50
60
70
80
90
100
Clipper FNC 6-1 Perún Q. Palomar Quebracho
% d
e ge
rmin
ació
n
E1 E2
Análisis de QTL que afectan dormicion en cebada (poblaciónORO)
Castro el al. 2005
DORMICION
Semillaen formación
Semilla conD. Primaria
Semilla sinDormición
Semilla conD. Secundaria
Ambiente,genotipo,efectos correlativos óposicionales
Ambiente,genotipo,efectos correlativos óposicionales
SEMILLA SINDORMICION
Luz, temperatura,after-ripening
Luz, temperatura,after-ripening
GERM.
FACTORES QUE INDUCENDORMICION SECUNDARIA
Condiciones anaeróbicas
Oscuridad
Exposición prolongada a rojo lejano
Temperaturas por encima de las máximas para germinación
Temperaturas por debajo de las mínimas para germinación
Stress hídrico (déficit ó exceso)
Factores que levantan dormición
- “Afterripening”: almacenamiento de las semillas con bajo contenido dehumedad
- Bajas temperaturas o “chilling”: semillas embebidas se someten a tempe-raturas de 1 a 10 ºC (práctica común en horticultura y forestación).
- Temperaturas alternadas
- Calidad de la Luz: Rojo vs. Rojo lejano(semillas fotoblásticas)
- Reguladores de crecimiento: giberelinas, citokininas, etileno
- Escarificación: natural (ataques microbianos, pasaje por el tracto digestivo,alternancia de temperaturas) ó artificial (abrasión mecánica).(es el caso de semillas duras, ej: leguminosas)
Cambios en la capacidad germinativa desemillas de paspalum “afterripening”
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 m es es 4 m es es 5 m es es 6 m es es 11 m es es vie jas
Tie m po poscose cha
% G
erm
inac
ión
a 1
4 d
ías
CTRL
F
Glison, et al., 2011
Variabilidad genética en P. dilatatum
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Pf-72 Ch4 V d 58-2
% G
erm
inac
ión
a 1
4 d
ías
CTRLF
Glison, et al., 2011Semillas con 6 meses dealmacenamiento en seco
Promoción e inhibición de la germinación porfitocromos
• Modo de acción:– Promoción:
• LFR (fitocromos B y E)• VLFR (fitocromo A)
– Inhibición:• HIR (fitocromo A)
• Proceso fisiológico (lechuga cv Grand rapids)– LFR levanta dormición impuesta por cubiertas– Pfr induce en el embrión un incremento de GAs activas (expresión
de GA,3-Bhidroxilasa y un factor de señalización PHOR) eincremento de sensibilidad a GAs.
– En el endosperma estimulan la expresión de genes de proteínasque ablandan las cubiertas (expansina, mananasa)
Luz roja (660 nm)
Rojo lejano (730 nm)Pr Pfr
Forma activa delfitocromo
Germinación
El pastoreo intenso puede promover la germinación de Raygrass(Lolium multiflorum) a través de la percepción de la relación
rojo/rojo lejano de la luz que llega al suelo.(Deregibus et al., 1994)
0
200
400
600
800
1000
1200
0 35 60Días después del pastoreo
Dens
. de
rayg
rass
(pl./
m2)
30 cm 10 cm 2 cm
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
0 10 20 30Altura de canopy (cm )
R/R
L
Relación R/RL a nivel del suelo bajo canopeos de diferentesalturas obtenidas por diferentes intensidades de pastoreo.