Artigo complementar - Meristemas

Hoehnea 36(4): 525-549, 3 fig., 2009

525

Meristemas: fontes de juventude e plasticidade no desenvolvimento vegetalMaria Aurineide Rodrigues1 e Gilberto Barbante Kerbauy1,2Recebido: 30.07.2009; aceito: 06.11.2009

ABSTRACT - (Meristems: Sources of youth and plasticity in plant development). Plants are sessile organisms which are able to overcome environmental adversities due to their exceptional developmental plasticity, an attribute mainly conferred by the meristems. In these specialized tissues are found the self-renewing stem cells that maintain the meristematic identity, as well as the derived cellular progenies involved in the formation of several tissues and new organs. The diversity of cellular identities in both apical meristems and surrounding tissues is tightly controlled by positional exchange of intercellular signals such as transcription factors and plant hormones. The various cues acting on meristematic activity regulation are integrated in signaling networks that have been discovered in plant models, thereby, improving our understanding in this field of research. Currently, increasing interest has been observed in comparative analyses regarding the conservation of the developmental mechanisms controlling the meristematic activity among different plant species. Key words: hormones, plant growth, stem cells, transcription factors RESUMO - (Meristemas: Fontes de juventude e plasticidade no desenvolvimento vegetal). As plantas so organismos ssseis capazes de adequarem-se s diferentes condies ambientais por apresentarem uma considervel plasticidade de desenvolvimento, conferida, principalmente, pelos meristemas. Nestes tecidos encontram-se as clulas-tronco capazes de se auto-perpetuarem, mantendo a identidade meristemtica, bem como as clulas derivadas de sua atividade, estas comprometidas com a formao dos diferentes tecidos e rgos. As identidades das populaes celulares nos meristemas apicais e tecidos circunvizinhos so rigorosamente controladas por trocas de informaes posicionais atravs de molculas sinalizadoras como os fatores de transcrio e os hormnios vegetais. Os diversos sinais reguladores da atividade meristemtica encontram-se integrados em vias sinalizadoras que vm sendo desvendadas por meio de estudos realizados em algumas plantas-modelo, proporcionando um grande avano no conhecimento nesta rea da pesquisa. Atualmente, observa-se um interesse crescente em se analisar comparativamente o grau de conservao dos mecanismos controladores da atividade meristemtica entre as espcies vegetais. Palavras-chave: clulas-tronco, crescimento vegetal, hormnios, fatores de transcrio

IntroduoA natureza sssil das plantas impe uma srie de desafios sobrevivncia, uma vez que as torna altamente susceptveis s variaes e adversidades ambientais (Birnbaum & Alvarado 2008). A questo que imediatamente se coloca : Como as plantas conseguem ajustar to eficientemente o desenvolvimento sem sair do lugar, mesmo quando sujeitas a diversas e intensas variaes ambientais? A resposta desta pergunta est relacionada ao fato das plantas possurem um padro de desenvolvimento distinto da maioria dos animais, uma vez que elas podem manter a capacidade de gerar novos tecidos e rgos de maneira recorrente durante a vida, caracterizando o tipo de crescimento denominado aberto ou indeterminado (Srivastava

2002, Vernoux & Benfey 2005). Por outro lado, a grande maioria dos animais apresenta um padro de crescimento fechado ou determinado, ou seja, neles a definio de quase todos os tecidos e rgos especializados ocorre durante a embriognese, sendo o desenvolvimento ps-embrionrio caracterizado, prioritariamente, pelo aumento de tamanho e do nmero de clulas (Srivastava 2002, Baurle & Laux 2003). O arranjo indeterminado do corpo das plantas, no qual o nmero de rgos no pr-definido e h a capacidade de crescer e se desenvolver de maneira modular durante a vida ps-embrionria, confere aos vegetais uma maior plasticidade de respostas s variaes ambientais, tanto no nvel fisiolgico quanto morfolgico (Dinneny & Benfey 2008), desempenhando papel compensatrio sua natureza sssil.

1. Universidade de So Paulo, Instituto de Biocincias, Departamento de Botnica, Caixa-Postal 11461, 05422-970 So Paulo, SP, Brasil 2. Autor para correspondncia: [email protected]

30518004 miolo.indd 525

08/04/10 11:19

526

Hoehnea 36(4): 525-549, 2009

Do acima exposto, levanta-se um segundo questionamento: Qual o mecanismo celular que proporciona s plantas a capacidade de formar novos tecidos e rgos durante o desenvolvimento ps-embrionrio? Essa conspcua flexibilidade no desenvolvimento das plantas protagonizada, em ltima anlise, por pequenos grupos celulares - os meristemas -, que funcionam como verdadeiras fontes de clulas mantenedoras de caractersticas juvenis e da potencialidade para diferenciao em diversos tecidos especializados durante o desenvolvimento psembrionrio das plantas (Dinneny & Benfey 2008). Tal universo microscpico, que guarda boa parte dos segredos para a incrvel capacidade apresentada pelos vegetais de crescer e de se desenvolver durante toda a vida, tem fascinado geraes de pesquisadores, os quais vm acrescentando valiosas contribuies para um entendimento mais consistente sobre o desenvolvimento vegetal. Nesta reviso pretende-se compilar, resumidamente, os principais avanos resultantes das pesquisas at hoje realizadas sobre a biologia meristemtica, com nfase nos mecanismos regulatrios altamente refinados que vm sendo elucidados como fundamentais para o funcionamento e manuteno dos meristemas. Juntamente a esses aspectos, sero apresentados e discutidos alguns conceitos e a prpria terminologia hoje utilizada nos estudos dos meristemas. Finalmente, ser discutida a abrangncia dos mecanismos de controle meristemtico descobertos nas principais plantas-modelo em relao a outros sistemas vegetais.

Avano no conhecimento sobre os meristemasAs primeiras informaes conhecidas sobre os meristemas datam da segunda metade do sculo XVIII, quando Caspar Friedrich Wolff estabeleceu em sua Theoria Generationis (1759) que o pice caulinar seria uma estrutura central da parte area da planta, responsvel pela formao de novas folhas e tecidos caulinares (Steeves 2006). Entretanto, o termo meristema foi proposto por Carl Wilhelm von Nageli em 1858, um sculo mais tarde, para designar os conjuntos de clulas responsveis pela origem de rgos inteiros, procurando com isso distinguir as clulas apicais por ele relatadas, daquelas j reconhecidas como componentes do cmbio; uma vez que nessa poca o termo cmbio era utilizado de modo genrico para ambos os grupos celulares (Scofield & Murray 2006).

Aps as primeiras observaes e definies das caractersticas elementares dos meristemas, diversas anlises sobre a organizao estrutural destes grupos de clulas foram conduzidas desde a metade do sculo XIX at meados do sculo XX, marcadas pela observao tecidual por meio de microscopia ptica. No perodo seguinte, entre as dcadas de 1940 e 1970, foram feitas muitas descobertas interessantes sobre os mecanismos de funcionamento dos meristemas por meio de anlises quimricas, micro-cirrgicas e por marcaes com radioistopos (Sussex 2006). Estas duas fases iniciais da pesquisa meristemtica possibilitaram informaes relativamente consistentes sobre a organizao estrutural desses grupos de clulas, bem como ajudaram a estabelecer os conceitos gerais sobre a maneira pela qual os meristemas influenciam o crescimento aberto das plantas vasculares. Durante esse mesmo perodo, foram identificados e descritos diferentes tipos de meristemas na parte area e no sistema radicular das plantas, com destaque para os dois meristemas primrios definidos durante a embriognese: o meristema apical caulinar e o meristema apical radicular. Alm destes, tambm foi verificado o estabelecimento de outros meristemas de origem ps-embrionria, tais como meristemas axilares do caule, meristemas formadores de razes laterais, entre outros (Srivastava 2002, Scofield & Murray 2006). No obstante as diferentes origens, assim como os destinos das clulas derivadas de suas atividades, todos os meristemas possuem certas caractersticas em comum. Os meristemas foram reconhecidos como tecidos proliferativos presentes em regies especficas do corpo vegetal em crescimento, os quais geram continuamente novas clulas para a formao de tecidos e rgos (Beveridge et al. 2007). Dessa forma, o crescimento vegetal foi considerado dependente das regies meristemticas, e ocorreria em duas fases: uma primeira fase proliferativa com aumento da massa celular tanto por divises celulares nos meristemas quanto pela sntese de macromolculas; e uma segunda fase onde as clulas cessam a proliferao e passam a se expandir, aumentando individualmente em volume. As clulas meristemticas cessam suas divises mitticas medida que so liberadas dos meristemas para, ento, serem incorporadas aos tecidos de rgos especficos, proporcionando a diferenciao e o crescimento de caules e ramos, a formao de folhas e flores, bem como a formao e contnuo desenvolvimento do sistema radicular (Singh & Bhalla 2006, Bgre et al. 2008).

30518004 miolo.indd 526

08/04/10 11:19

M.A. Rodrigues & G.B. Kerbauy: Meristemas: Fontes de juventude e plasticidade

527

A partir de meados dos anos 1980, o advento de novas tecnologias acopladas utilizao intensa de plantas-modelo, permitiu a realizao de anlises sofisticadas do ponto de vista celular, gentico e molecular, possibilitando um avano substancial no entendimento da organizao e do funcionamento dos meristemas, principalmente dos apicais (Steeves 2006). Juntamente s novas informaes obtidas nos ltimos anos, deu-se a incorporao de novos conceitos, idias e termos, nessa rea do conhecimento, os quais no raramente foram originados de diferentes reas da pesquisa biolgica, principalmente animal.

Novos conceitos e terminologias no estudo meristemticoTerminologias e conceitos recentemente incorporados ao vocabulrio bsico nos estudos meristemticos ainda geram algumas dvidas. Isso se deve, principalmente, ao volume considervel de informaes inditas provenientes de pesquisas sobre o desenvolvimento vegetal nos ltimos anos, principalmente na rea molecular. Alm disso, este cenrio foi acompanhado por uma grande velocidade na divulgao dos resultados gerados por especialistas nos mais diversos ramos da pesquisa biolgica, no havendo uma uniformizao prvia dos termos e interpretaes publicados. Portanto, nesse momento observa-se uma preocupao crescente por parte de especialistas envolvidos em estudos de meristemas no sentido de minimizar as divergncias terminolgicas e/ou conceituais existentes neste campo da pesquisa. Tal panorama tem levado, por exemplo, existncia ligeiramente comum de revises sobre o tema, nas quais os prprios autores procuram apresentar as definies em que se pautaram para a discusso apresentada (Tucker & Laux 2007, Scheres 2007, Beveridge et al. 2007), ou at mesmo revises que trazem a proposta de discutir possveis interpretaes para os novos termos empregados na biologia meristemtica (Laux 2003, Ivanov 2004). Sob esse enfoque, a seguir ser apresentada uma compilao dos principais conceitos e nomenclaturas que vm sendo introduzidas nos estudos de meristemas. Potencialidade das clulas meristemticas para rotas especficas de desenvolvimento - O grau de plasticidade celular para as diferentes rotas de desenvolvimento foi primeiramente definido para as clulas animais, as quais foram classificadas como unipotentes, multipotentes, pluripotentes e

totipotentes (Can 2008). Este sistema classificatrio, posteriormente adotado tambm para as clulas vegetais, foi estabelecido com base nos seguintes parmetros: (1) clulas unipotentes seriam aquelas capazes de originar apenas um tipo especfico de clula ou tecido; (2) clulas multipotentes seriam aquelas com habilidade de originar mais de um tipo de clula no corpo do organismo; (3) clulas pluripotentes, por sua vez, possuiriam a habilidade de originar a maior parte dos diferentes tipos celulares que compe o organismo; e, finalmente, (4) as clulas totipotentes seriam aquelas aptas a originar todos os tipos celulares que formam o corpo do organismo (Verdeil et al. 2007). Apesar das clulas animais terem sido as primeiras a serem classificadas conforme indicado acima, os conceitos de plasticidade e totipotncia celular foram introduzidos anteriormente por meio de estudos com clulas vegetais. O termo totipotncia foi proposto em 1902, pelo ilustre botnico Gottlieb Haberlandt, para descrever a potencialidade intrnseca de uma clula vegetal para originar uma planta completa. De acordo com Haberlandt, seria possvel a obteno de embries artificiais a partir da cultura de clulas somticas (Haberlandt 1902). Nas tentativas no sucedidas de demonstrar experimentalmente a totipotencialidade das clulas vegetais, Haberlandt acabou estabelecendo, de forma consistente, os princpios norteadores da tcnica da cultura de clulas, tecidos e rgos vegetais, hoje amplamente utilizada (Hoxtermann 1997). Todavia, a totipotncia de clulas vegetais viria a ser demonstrada experimentalmente cerca de 50 anos mais tarde, quando Steward e colaboradores clonaram uma planta de cenoura a partir de embrio obtido de clulas somticas cultivadas in vitro (Steward et al. 1958). Diferentemente das clulas de uma planta adulta, as quais podem expressar a totipotencialidade sob condies in vitro, as clulas de mamferos parecem perder as caractersticas totipotentes j no estgio embrionrio ps-zigtico, composto por apenas oito clulas (Burdon et al. 2002). Dessa forma, a plasticidade celular em mamferos diminui medida que o desenvolvimento embrionrio avana, resultando na formao de clulas multipotentes como, por exemplo, as que compem o tecido hematopoitico da medula ssea, especializadas em originar os diferentes tipos de clulas sanguneas (Orkin 2000). Durante a dcada passada observou-se um avano considervel no entendimento sobre o controle molecular da potencialidade celular de mamferos

30518004 miolo.indd 527

08/04/10 11:19

528

Hoehnea 36(4): 525-549, 2009

devido, especialmente, ao aprimoramento da cultura in vitro de clulas somticas, o qual foi acompanhado com grande entusiasmo frente s possibilidades de aplicao destes conhecimentos na medicina regenerativa. Paradoxalmente, apesar da totipotencialidade das clulas vegetais sob cultivo in vitro ter sido reconhecida h cerca de meio sculo sendo, inclusive, amplamente utilizada na micropropagao de plantas de interesse agrcola, conhece-se muito pouco sobre as bases moleculares que conferem essa habilidade s mesmas (Verdeil et al. 2007). Tanto assim, que a embriognese somtica em plantas foi recentemente includa entre os 25 tpicos considerados mais relevantes e ainda pouco entendidos em todas as reas da Cincia (Vogel 2005). A manifestao da totipotencialidade vegetal na embriognese somtica envolve a desdiferenciao das clulas somticas, por meio da qual so alterados os perfis de transcrio gnica e de traduo protica pr-existentes nas clulas especializadas, permitindo o estabelecimento de um novo programa de desenvolvimento. Isso se d porque os destinos celulares dependem de informaes espacialmente definidas no corpo da planta, as quais so originadas de acordo com as condies ambientais e o estgio de desenvolvimento vegetal. Assim, a expresso da totipotencialidade das clulas vegetais geralmente induzida sob condies especficas de cultivo in vitro, as quais proporcionam a alterao do status quo das clulas somticas por meio da formao de um calo constitudo por clulas totipotentes e, portanto, competentes para embriognese somtica (Steward et al. 1958, Fehr et al. 2003, Atta et al. 2009). Mesmo estando a totipotncia das clulas vegetais geralmente relacionada s condies especficas de cultivo in vitro supracitadas, ainda so encontrados trabalhos recentes que empregam esta terminologia, de maneira equivocada, para referir-se potencialidade de clulas meristemticas, como exemplificado a seguir: As clulas que esto posicionadas na regio central do meristema apical caulinar so as fontes de clulas totipotentes que servem como precursoras para a formao de novos rgos da parte area da planta (Fiers et al. 2007). Na realidade, apesar das clulas contidas nos meristemas apicais possurem a capacidade de originar os diferentes tipos celulares responsveis pela formao dos tecidos e rgos envolvidos no desenvolvimento vegetal, elas no apresentam a capacidade de formar um organismo completo (ou seja, um embrio) quando mantidas in

Iniciais meristemticas e clulas-tronco nas plantas - Dentre todos os novos termos empregados para descrever as propriedades meristemticas, possivelmente, o de clulas-tronco seja o mais polmico. Essencialmente, as clulas-tronco, ou clulas primordiais (do ingls stem cells), representam tipos celulares com habilidade de se dividir, mantendo seu prprio grupo de clulas morfologicamente indiferenciadas, ao passo que tambm proporcionam a formao de clulas derivadas que entram numa rota especfica de diferenciao e formao de novos tecidos e rgos (Tucker & Laux 2007, Dello-Ioio et al. 2008). Estes atributos foram primeiramente relatados para certas clulas animais, porm, a mesma designao foi adotada tambm para alguns tipos celulares vegetais localizados nos meristemas (Singh & Bhalla 2006, Verdeil el al. 2007). Mesmo que aceita a existncia de clulas-tronco tanto em animais quanto em plantas (Sablowski 2004), sabe-se que estes grupos celulares apresentam diferenas considerveis na forma pela qual participam no desenvolvimento dos indivduos de seus respectivos reinos. A maioria dos animais utiliza as clulas-tronco principalmente para compensar perdas celulares durante o desenvolvimento ps-embrionrio (Vernoux & Benfey 2005). De maneira curiosa, a longevidade de muitos invertebrados encontra-se associada manuteno e regulao de clulas-tronco em tecidos somticos durante a vida ps-embrionria, uma vez que elas permitem a reposio das clulas diferenciadas mortas, assegurando, consequentemente, a sobrevivncia de tais organismos aps injrias fsicas (Birnbaum & Alvarado 2008). Nas plantas, por outro lado, por serem organismos de crescimento aberto, as clulas-tronco so produzidas e utilizadas como fonte contnua de clulas envolvidas na formatao de novas estruturas durante toda a vida. A presena das clulastronco nos meristemas permite o desenvolvimento recorrente de novos rgos, ocasionando modificaes constantes na forma da planta, mesmo tendo esta se iniciado a partir de um embrio com organizao tecidual rudimentar (Vernoux & Benfey 2005). Sendo assim, os meristemas tm sido reconhecidos como as regies geradoras e mantenedoras das clulas-tronco nas plantas intactas, tendo em vista que atendem s premissas de diviso celular

situ, razo pela qual as clulas meristemticas tm sido consideradas de natureza pluripotente quando contextualizadas no corpo vegetal (Singh & Bhalla 2006, Verdeil et al. 2007).

30518004 miolo.indd 528

08/04/10 11:19


529

assimtrica (responsvel pela diversidade de tipos celulares) acoplada auto-proliferao (Weigel & Jrgens 2002, Knoblich 2008). Desse modo, as clulas totipotentes cultivadas in vitro foram excludas dessa classificao por Laux (2003), uma vez que elas no exibem adequadamente as caractersticas supracitadas. No entanto, Verdeil et al. (2007) propuseram que o conceito de clulas-tronco deveria ser estendido s clulas somticas embriognicas obtidas in vitro, as quais, segundo tais autores, deveriam ser denominadas de clulas-tronco totipotentes isoladas. Alm destas divergncias sobre quais tipos de clulas vegetais deveriam receber a denominao de clulas-tronco em um contexto mais amplo, tambm se observa certa discordncia sobre qual grupo de clulas pluripotentes dentro dos meristemas deveria receber tal nomenclatura. Em termos de atividade mittica, os meristemas apicais possuem, basicamente, dois stios com diferentes taxas de diviso celular, sendo um deles ocupado pelas clulas denominadas de iniciais estruturais (que se dividem com menor freqncia e encontradas nos centros geradores de clulas meristemticas o centro quiescente nas razes e o centro organizador nos caules); na segunda regio, por sua vez, encontram-se as clulas chamadas de iniciais funcionais, as quais apresentam taxa mittica mais elevada e encontram-se ao redor dos centros geradores de clulas meristemticas (Barlow 1997, Jiang & Feldman 2005). Alguns autores consideram as clulas iniciais estruturais como clulas-tronco (Carraro et al. 2006, Fiers et al. 2007, Gmez-Mena & Sablowski 2008), enquanto outros advogam que as iniciais funcionais se enquadrariam de maneira mais adequada como verdadeiras clulas-tronco (Weigel & Jrgens 2002, Sabatini et al. 2003). Alguma luz foi lanada sobre esta questo por Ivanov (2004) na sua extensa compilao comparativa das caractersticas conhecidas para estas duas populaes de clulas iniciais, baseando-se nos seguintes critrios definidos por Potten & Loeffler (1997) para classificao de clulas-tronco: (1) clulas no diferenciadas, ou seja, destitudas de marcadores de diferenciao tecidual; (2) habilidade de proliferao; (3) capacidade de auto-manuteno da populao celular; (4) habilidade para produzir numerosas descendncias celulares funcionalmente diferenciadas; (5) habilidade de regenerar tecidos aps injria; (6) uso flexvel destas caractersticas. Segundo estes critrios, Ivanov (2004) concluiu que as clulas iniciais estruturais (ou seja, aquelas localizadas nos centros geradores de iniciais

meristemticas) seriam as que reuniriam um maior nmero de atributos de clulas-tronco. Dessa forma, a maioria dos trabalhos atuais considera as clulas iniciais estruturais, juntamente com as iniciais imediatamente derivadas de sua diviso mittica, como as verdadeiras clulas-tronco nos meristemas apicais.

Regies meristemticas como nichos celulares ou microambientes - Os estudos pioneiros com meristemas descreveram estes tecidos como possuidores de aspecto celular homogneo. Entretanto, a partir de meados do sculo XIX, estudos mais pormenorizados indicaram que os mesmos eram constitudos de regies histolgicas distintas (Sussex 2006). Atualmente, sabe-se que alm de terem regies histologicamente distintas, estas tambm diferem funcionalmente entre si, e suas funes so determinadas por padres especficos de sinais endgenos (Scofield & Murray 2006). Dessa forma, as funes essenciais das clulastronco nas plantas dependem, assim como nos animais, do posicionamento destas em uma regio altamente regulada por sinais endgenos presentes. Estas regies meristemticas tm recebido designaes diversas, oriundas da terminologia prpria da Ecologia, tais como um microambiente propcio para a manuteno do nicho das clulas-tronco (Aida et al. 2004, Laux 2003, Dinneny & Benfey 2008). Sendo assim, o conceito de nicho de clulastronco implica no reconhecimento de que estas clulas adquirem ou expressam as caractersticas tpicas no por possurem propriedades celulares especficas pr-existentes, mas porque se encontram em um microambiente que define o nicho meristemtico destas clulas (Jiang & Feldman 2005). A regio onde as clulas-tronco esto localizadas nos meristemas tambm tem sido denominada como o hbitat das clulas-tronco; neste local ocorre o estabelecimento de um sistema complexo e bem integrado de sinalizao intercelular necessrio para a manuteno deste grupo de clulas. Assim, esse conjunto de caractersticas estabelecido pela inter-relao celular em seu hbitat possibilita a formao e manuteno do nicho das clulas-tronco nos meristemas (Tucker & Laux 2007).

Comunicao intercelular no interior dos meristemas - A comunicao intercelular nos meristemas desempenha papel essencial no controle de sua organizao e funcionamento, uma vez que este sistema permite a regulao coordenada dos diferentes sinais que participam da manuteno do nicho das clulas-tronco, assim como na especificao

30518004 miolo.indd 529

08/04/10 11:19

530

Hoehnea 36(4): 525-549, 2009

Fatores de transcrio - o que so e como atuam nos meristemas - Os fatores de transcrio so protenas codificadas por genes especficos que controlam a expresso de um conjunto de genes-alvo a jusante (do ingls downstream); ou seja, so molculas sinalizadoras capazes de desencadear e/ou controlar uma ampla gama de cascatas sinalizadoras e, portanto, de respostas celulares. Dessa forma, os fatores de transcrio exercem influncia determinante na definio dos destinos celulares em diferentes tecidos vegetais, inclusive nos meristemas e nas regies

dos destinos de suas clulas descendentes (Miwa et al. 2009). As clulas meristemticas possuem tambm fortes interaes com os tecidos localizados nos seus arredores, cuja integrao fundamental para o controle rigoroso da identidade das clulas-tronco (Stahl & Simon 2005, Verdeil et al. 2007). Nas plantas, a comunicao entre as clulas realizada por meio do trnsito de molculas como nutrientes, hormnios e protenas, as quais, freqentemente, desempenham papel sinalizador em importantes processos celulares. Esta comunicao pode ocorrer por duas vias: transporte das molculas clula-a-clula, via espaos intercelulares, ou por meio de plasmodesmas (Carraro et al. 2006). As clulas meristemticas e suas vizinhas comunicamse por meio de plasmodesmas (Kurata 2005), os quais permitem a formao de domnios simplsticos essenciais circulao de um grande nmero de molculas sinalizadoras (Gisel et al. 1999, Lucas & Lee 2004). Foi verificada intensa correlao entre o grau de comunicao celular e a potencialidade das clulas vegetais para seguir diferentes rotas de desenvolvimento. Por exemplo, o isolamento fsico de clulas somticas diferenciadas parece facilitar a reprogramao de suas funes genmicas e celulares na aquisio da totipotncia e da competncia para a embriognese. Estes eventos estiveram associados ao aumento do isolamento fsico e fisiolgico destas clulas devido ao espessamento da parede celular e ausncia, ou reduo, do nmero de plasmodesmas (Dubois et al. 1990, Verdeil et al. 2001). Por outro lado, as rotas simplsticas estabelecidas por plasmodesmas nos meristemas de plantas intactas permitem a passagem de diversos sinais especficos que parecem assegurar a sua pluripotencialidade celular. Dentre os sinais em circulao entre os domnios celulares destacam-se os chamados fatores de transcrio (Carraro et al. 2006, Verdeil et al. 2007).

vizinhas a eles. Essas protenas freqentemente atuam como sinais posicionais nos domnios meristemticos, estabelecendo as sensibilidades e capacidades de determinados grupos celulares para responder a vias sinalizadoras que regulam o crescimento. Estas funes so freqentemente exercidas por meio da ligao dos fatores de transcrio s regies promotoras de genes-alvo a jusante, regulando positiva ou negativamente as suas respectivas transcries (Scofield & Murray 2006, David-Schwartz & Sinha 2007, Bgre et al. 2008). Muitos fatores de transcrio vm sendo identificados com o uso de plantas mutantes de Arabidopsis thaliana; entretanto, estudos recentes tambm vm proporcionando o conhecimento de algumas destas molculas sinalizadores em Zea mays, Nicotiana tabacum, Solanum lycopersicum e Oryza sativa (Long et al. 1996, Mayer et al. 1998, Byrne et al. 2000, David-Schwartz & Sinha 2007). As mutaes que interferem na ao dos fatores de transcrio normalmente refletem deficincias funcionais devido no ativao de determinadas cascatas de transcrio gnica associadas a vias especficas do desenvolvimento. Este tipo de deficincia freqentemente resulta na converso de certos tipos de rgos ou tecidos em formas distintas do esperado, ou ainda na incapacidade de formao de rgos especficos (Scofield & Murray 2006). Um exemplo clssico da importncia funcional de um fator de transcrio no desenvolvimento de um ser vivo deu-se pela identificao da mutao no gene ANTENNAPEDIA na mosca Drosophila melanogaster, a qual resultou na substituio das antenas por pernas (Gehring 1987). Este exemplo no demonstra apenas a importncia dos fatores de transcrio na especificao dos tipos de rgos em um organismo, mas tambm que diferentes vias do desenvolvimento podem ser ativadas pela falha na execuo de passos em outra via particular, assim como a ativao de determinadas vias pode desencadear a represso de outras cascatas de sinalizao de uma maneira interdependente (Scofield & Murray 2006). Nas plantas tambm se observa este tipo de hierarquia e antagonismo mtuo entre certas vias sinalizadoras que controlam o desenvolvimento, sendo que os fatores de transcrio tambm participam em grande proporo dos pontos de controle de tais cascatas sinalizadoras nos vegetais (Lohmann & Weigel 2002, Carraro et al. 2006). Na realidade, esse tipo de sistema regulatrio tem se revelado extremamente complexo nos organismos vegetais; por exemplo, estima-se a existncia de

30518004 miolo.indd 530

08/04/10 11:19


531

cerca de 1500 genes que codificam fatores de transcrio nos genomas de A. thaliana e de arroz. At o presente momento, os fatores de transcrio identificados nas plantas, principalmente em A. thaliana, encontram-se classificados como membros de diferentes famlias gnicas devido presena de caractersticas moleculares especficas nas protenas que eles codificam (Swaminathan et al. 2008). Dentre as famlias de fatores de transcrio encontradas nas plantas esto as denominadas homeodomnio, myb, bHLH, MADS, GRAS, NAC e B3 (Riechmann et al. 2000, Xiong et al. 2005). Nos vegetais, os fatores de transcrio da famlia homeodomnio encontram-se agrupados em subfamlias, dentre as quais, de acordo com o estabelecido para A. thaliana, esto inseridas as subfamlias KNOX, BELL e HD-ZIP. Apesar dos membros de cada uma destas subfamlias possurem certas peculiaridades moleculares e, conseqentemente, modos de ao especficos, todos codificam protenas com o trecho de ligao ao DNA do tipo homeodomnio, o qual est presente em todos os organismos eucariontes. De maneira curiosa, o gene supracitado ANTENNAPEDIA, encontrado em D. melanogaster, pertence famlia gnica homeodomnio (Lincoln et al. 1994, Long et al. 1996, Himmelbach et al. 2002, Haecker et al. 2004, Scofield & Murray 2006). Assim como nos animais, muitos genes da famlia homeodomnio presentes nas plantas esto envolvidos na regulao do desenvolvimento, sendo que nos vegetais eles encontram-se particularmente associados regulao dos nichos de clulas-tronco nos meristemas apicais (Scofield & Murray 2006). No entanto, conforme ser visto adiante, estas redes de transcrio gnica no atuam sozinhas no controle do desenvolvimento vegetal. Na realidade, elas atuam de maneira integrada a outras molculas sinalizadoras como os hormnios vegetais, molculas estas imprescindveis para o controle meristemtico e desenvolvimento vegetal como um todo (Tucker & Laux 2007). Clulas meristemticas - morfologicamente indiferenciadas e funcionalmente diferenciadas - Por um longo tempo a diferenciao celular foi interpretada tomando-se como base apenas as mudanas morfolgicas e estruturais de clulas e tecidos. Dentro dessa perspectiva, as clulas meristemticas eram tradicionalmente consideradas indiferenciadas, com base nas suas caractersticas

do ponto de vista morfolgico e estrutural (Sussex 2006). No entanto, abordagens moleculares recentes tm revelado a ocorrncia de mudanas celulares anteriores quelas detectadas nas caractersticas fenotpicas (Zhuravlev & Omelko 2008), o que deu margem a interpretaes distintas sobre o grau de diferenciao das clulas meristemticas. Como abordado anteriormente, a regulao da atividade meristemtica dependente, por exemplo, da existncia de subgrupos celulares altamente especializados do ponto de vista funcional; cujas funes so determinadas por conjuntos especficos de fatores de transcrio, hormnios, fatores remodeladores da cromatina, dentre outras molculas sinalizadoras (Guyomarch et al. 2007). Por esse motivo, apesar dos meristemas serem formados por clulas relativamente pouco diferenciadas do ponto de vista morfolgico, atualmente, eles tambm so considerados estruturas altamente diferenciadas sob o ponto de vista funcional (Vernoux & Benfey 2005). Esta interpretao, portanto, leva em conta o grau de especializao das clulas meristemticas, controlado por uma srie de modificaes nos processos de expresso gnica que podem, por exemplo, ser modulados no nvel epigentico (Verdeil et al. 2007, Zhuravlev & Omelko 2008).

Origem, padres de organizao e funcionamento dos meristemasPoucas estruturas so definidas no corpo das angiospermas durante a embriognese, sendo elas: o hipoctilo (ou epictilo), a radcula, o(s) cotildone(s) e os dois meristemas primrios - o meristema apical caulinar e o meristema apical radicular. Dentre estes componentes do embrio, apenas os dois meristemas apicais so mantidos durante o desenvolvimento ps-embrionrio, e as atividades das suas respectivas populaes de clulas-tronco - conjunto das iniciais estruturais e das iniciais a elas justapostas, oriundas diretamente de suas atividades mitticas - determinam a arquitetura das partes area e subterrnea da planta (Wang & Li 2008, Chandler et al. 2008). A origem dos meristemas primrios est vinculada definio do eixo apical-basal embrionrio por meio do estabelecimento de dois domnios celulares pluripotentes nas regies terminais do embrio, os quais coincidem com locais de acmulo de auxina (Weijers et al. 2005, Friml et al. 2006). Nas fronteiras dos meristemas apicais h domnios celulares especficos que operam um balano dinmico entre

30518004 miolo.indd 531

08/04/10 11:19

532

Hoehnea 36(4): 525-549, 2009

a proliferao e a diferenciao das clulas recmproduzidas para incorporao em rgos, sendo cada um deles controlado por um padro hormonal e um programa especfico de expresso gnica. Dessa forma, o destino das clulas meristemticas definido de acordo com a localizao celular no meristema, onde a diviso de clulas-tronco leva ao afastamento das clulas-filhas rumo periferia, podendo elas, em seguida, se diferenciar aps muitos ciclos mitticos, ou se juntar a outras clulas para iniciar um novo rgo (Beveridge et al. 2007, Bgre et al. 2008, Rast & Simon 2008). As clulas localizadas na fronteira entre o meristema e o rgo em formao dependem de sinais emitidos por clulas localizadas no centro do meristema, desempenhando papel duplo de separao e manuteno de ambos os domnios celulares por elas delimitados. Estas funes so tambm exercidas por meio da expresso de genes especficos que reduzem a diviso celular local, porm, ativam a expresso gnica no meristema (Bgre et al. 2008, Rast & Simon 2008). As regies perifricas dos meristemas apicais envolvidas na formao de rgos coincidem com locais de acmulo de auxina, a qual transportada de forma controlada e direcionada por protenas denominadas de PINFORMED (PIN). Estas protenas encontram-se ligadas poro apical ou basal da membrana celular e transportam a auxina de maneira polar e especfica (Reinhardt et al. 2000, Reinhardt et al. 2003, Benkov et al. 2003, Friml et al. 2004). Sendo assim, a auxina considerada um sinal desencadeador da morfognese durante o desenvolvimento ps-embrionrio das plantas, uma vez que este hormnio, comumente, determina a localizao na qual as clulas adquiriro a identidade de iniciadoras de rgos (Dubrovsky et al. 2008). A formao de rgos envolve diversos passos como a regulao da diviso e expanso celular, diferenciao dos tipos celulares e teciduais, e o estabelecimento do padro estrutural do rgo como um todo (Irish 2008). Dessa forma, assim como h necessidade de manter as clulas-tronco dos animais sob controle para prevenir a formao de tumores, as populaes de clulas-tronco vegetais tambm necessitam de mecanismos regulatrios para prevenir a super-proliferao celular nos meristemas e, conseqentemente, prejuzos no desenvolvimento da planta (Dinneny & Benfey 2008). Descobertas recentes tm contribudo para o conhecimento dos mecanismos sinalizadores necessrios ao controle celular nos meristemas, dentre

os quais se destacam programas genticos e fatores ambientais (Bgre et al. 2008). Os hormnios vegetais, como mencionado acima, tambm desempenham importantes funes nesses processos, especialmente as auxinas na especificao meristemtica e iniciao de rgos (Heisler et al. 2005, de Reuille et al. 2006), e as citocininas no controle da diferenciao celular (Dello-Ioio et al. 2008).

Padro de organizao e funcionamento do meristema apical caulinar - O meristema apical caulinar (MAC) a fonte de clulas para a formao dos tecidos e rgos que compem a parte area vegetal, sendo que tanto sua organizao quanto sua atividade so reguladas por uma seqncia complexa e bem ordenada de expresso gnica. Esse sistema de controle assegura o tamanho e a forma caractersticos do MAC, bem como equilibra o balano entre os processos de auto-manuteno das clulas-tronco com proliferao celular e o fornecimento de novas clulas para diferenciao e organognese (Reddy 2008, Wang & Li 2008). Os principais participantes desta seqncia de expresso gnica, assim como suas inter-relaes nas vias de sinalizao, foram descritos prioritariamente na planta-modelo A. thaliana. As primeiras informaes sobre a organizao do MAC resultaram de estudos histolgicos que o revelaram uma estrutura com padro de distribuio celular ligeiramente bem definido. Muitos pesquisadores buscaram interpretar a maneira pela qual as clulas estariam organizadas no MAC, sendo que a proposta levantada por Schmidt (1924) baseouse no plano de orientao das divises celulares. De acordo com esta proposta, o MAC seria subdividido em duas grandes regies celulares denominadas de tnica e corpo; a tnica corresponderia ao grupo de clulas dispostas superficialmente no MAC e que se dividiriam no plano anticlinal (ou longitudinalmente), ao passo que o corpo corresponderia s clulas localizadas em posio mais interna do MAC e que se dividiriam em todos os planos (Schmidt 1924, Steeves 2006). A subdiviso simplificada do MAC em tnica e corpo sobrepe-se a um nvel mais complexo de organizao, o qual delimita camadas e zonas celulares no MAC de acordo com o tamanho das clulas, arranjo citoplasmtico, assim como freqncia e plano das divises mitticas. Dessa forma, o MAC de A. thaliana, por exemplo, possui uma regio mais superficial caracterizada pela organizao das clulas em trs camadas sobrepostas denominadas de L1, L2

30518004 miolo.indd 532

08/04/10 11:19


533

e L3 (do ingls Layer1, Layer2 e Layer3), ao passo que na regio mais interna do meristema destaca-se um grupo pequeno de clulas formadoras da zona central do MAC. Sabe-se que as camadas L1 e L2 geram a epiderme e a subepiderme dos caules, folhas e flores, e a camada L3 origina os tecidos internos dos rgos areos. Na regio de sobreposio entre a camada L3 e a zona central encontra-se o centro organizador (CO) do MAC, cujas clulas formam, juntamente s suas iniciais imediatas, o nicho de clulas-tronco que se auto-perpetua por meio de taxas relativamente baixas de divises mitticas (Stewart & Dermen 1970, Steeves 2006, Wang & Li 2008). Na zona perifrica do MAC, localizada ao redor deste nicho organizador, encontram-se as clulas derivadas, morfologicamente indiferenciadas, que se dividem mais rapidamente. A diferenciao delas, por sua vez, ocorre em regies especficas dos flancos do MAC para a formao de primrdios foliares, sendo que o acmulo localizado de auxina nestas regies representa um componente-chave na definio dos padres de filotaxia e de iniciao de novos rgos caulinares em geral. Alm disso, a especificao do destino celular no MAC se d por um processo dinmico intimamente relacionado a alteraes nos padres de crescimento e mudanas transitrias na ativao/represso gnica (Furutani et al. 2004, Jonsson et al. 2006, Wang & Li 2008, Reddy 2008). A manuteno do nicho de clulas-tronco nas imediaes do CO dependente da expresso do gene que transcreve o fator de transcrio homeodomnio WUSCHEL (WUS), o qual age especificamente neste local como sinal primrio para a organizao das clulas-tronco, conferindo identidade meristemtica caulinar e inibindo a diferenciao. A importncia desse gene para o estabelecimento e a manuteno do MAC foi claramente evidenciada nos mutantes wus de A. thaliana, os quais apresentam parada prematura da atividade do MAC devido diferenciao de todas as clulas-tronco, e a conseqente falha na formao de tecidos e rgos caulinares envolvidos no desenvolvimento das plntulas (Leibfried et al. 2005, Mayer et al. 1998, Bgre et al. 2008). WUS exerce sua funo na manuteno da funcionalidade do nicho de clulas-tronco no MAC por meio da interao com as protenas codificadas pelos genes CLAVATA1 (CLV1), CLAVATA2 (CLV2) e CLAVATA3 (CLV3), a qual se d pelo trnsito intercelular de WUS e CLV3 via plasmodesmas. Esta interao parece formar um sistema dinmico de regulao espacial e temporal das divises celulares

no CO por feedback, uma vez que mutantes de genes da classe CLV apresentam MACs maiores, com o domnio das clulas-tronco aumentado, coincidindo com a expanso da regio de expresso de WUS e com o CO altamente desorganizado (Schoof et al. 2000, Baurle & Laux 2003, Williams & Fletcher 2005). De acordo com estas informaes, o modelo vigente para explicar o mecanismo que assegura a manuteno da organizao e atividade do MAC de A. thaliana prope que WUS seja expresso no CO, logo abaixo das clulas que expressam e liberam CLV3, um peptdeo sinalizador que aparentemente atua como ligante e ativador do complexo cinase no receptor formado pela juno de CLV1 e CLV2. Uma vez ativado, o sistema CLV1/CLV2/CLV3 restringe o domnio de expresso de WUS a poucas clulas no CO, e como WUS tambm ativa a expresso de CLV3 na regio vizinha ao CO, ele acaba, portanto, limitando sua prpria expresso e promovendo a expanso do domnio das clulastronco (figura 1). Dessa forma, a interao entre WUS e CLAVATAs parece estabelecer um mecanismo de auto-regulao que garante a manuteno de um nmero aproximadamente constante de clulas-tronco no MAC. Entretanto, evidncias recentes levantam a possibilidade da existncia, ainda que no totalmente elucidada, de mecanismos alternativos de interao entre WUS e CLV3 para o controle das clulas-tronco no MAC (Brand et al. 2000, Schoof et al. 2000, Green et al. 2005, Reddy 2008). A l m d o s i s t e m a W U S / C L AVATA s , o estabelecimento e a manuteno do MAC tambm dependem da expresso de genes KNOX, como o caso de SHOOTMERISTEMLESS (STM). Este gene codifica um fator de transcrio encontrado em toda a extenso do MAC onde no h diferenciao celular (figura 1), e sua expresso parece ser essencial para o correto funcionamento meristemtico, uma vez que plantas mutantes com distrbios deste fator de transcrio falham na manuteno da organizao e atividade do MAC (Clark et al. 1996, Endrizzi et al. 1996, Long et al. 1996). Os fentipos dos mutantes stm e wus so ligeiramente semelhantes entre si, marcados pela perda precoce do potencial meristemtico das clulas do MAC, levando o meristema ao esgotamento da atividade e perda do crescimento aberto (Endrizzi et al. 1996, Laux et al. 1996). No entanto, tais mutantes diferem no modo com que estes eventos ocorrem, uma vez que em stm as clulas meristemticas so direcionadas precocemente formao de rgos, e em wus elas so mantidas em um estado desorganizado e

30518004 miolo.indd 533

08/04/10 11:19

534

Hoehnea 36(4): 525-549, 2009

no-meristemtico em termos histolgicos (Endrizzi et al. 1996, Mayer et al. 1998). STM atua como repressor da diferenciao celular no MAC, mantendo as clulas meristemticas em um estado morfologicamente indiferenciado, bem como permitindo a proliferao celular mais rpida nos flancos do meristema onde no h formao de primrdios foliares (Long et al. 1996, Lenhard et al. 2002, Scofield & Murray 2006, Bgre et al. 2008). Parte destas funes de STM deve-se sua atividade na regulao direta dos teores de citocininas por meio da ativao da expresso do gene isopentenil transferase (IPT7, no caso de A. thaliana), que codifica uma enzima determinante na via biossinttica de citocininas. Este mecanismo auxilia na manuteno de teores relativamente elevados de citocininas no MAC, o que tido como necessrio para a preservao da atividade e identidade das clulas-tronco no centro do meristema caulinar (Jasinski et al. 2005, Scofield & Murray 2006, Kyozuka 2007). Na realidade, como ilustrado na figura 1, a regulao dos teores e da sinalizao de citocininas possui estreita relao com dois componentes-chave do sistema de controle gnico no MAC: STM, participando tanto por meio do mecanismo supracitado quanto pelo papel promotor das citocininas sobre sua prpria expresso (Jasinski et al. 2005), e WUS, inibindo diretamente a expresso de alguns reguladores negativos de respostas s citocininas (ARR5, ARR6, ARR7 e ARR15 de A. thaliana), e tendo a sua prpria expresso promovida por esta classe hormonal (Leibfried et al. 2005). A conexo entre as vias de sinalizao das citocininas e auxinas pode ocorrer, por exemplo, por meio do gene MONOPTEROS, que codifica o fator de transcrio pertencente famlia de reguladores de respostas s auxinas (tambm conhecidos como ARFs), desempenhando papel importante na organizao estrutural do MAC durante e aps a embriognese (Hardtke & Berleth 1998, Guilfoyle et al. 1998, Vidaurre et al. 2007). O balano entre estas duas classes hormonais possui ao crtica na definio dos destinos celulares nos flancos do MAC: a razo auxina/citocinina elevada, combinada com teores aumentados de giberelinas e a expresso do gene ASYMMETRIC LEAVES1 (AS1), determinam o local de iniciao do primrdio foliar (Jasinski et al. 2005, Shani et al. 2006, Kepinski 2006). Como ilustrado na figura 1, sabe-se que a atuao do fator de transcrio AS1 nas regies de organognese foliar ocorre em conjunto com AS2

(ASYMMETRIC LEAVES2) por meio da inibio direta da expresso dos genes KNOX, incluindo STM, a qual realizada pela ligao do complexo protico AS1AS2 regio promotora dos genes KNOX, silenciando as suas respectivas expresses (Guo et al. 2008). Em contrapartida, no interior do MAC os fatores de transcrio KNOX parecem atuar, pelo menos em parte, na inibio da expresso de AS1 (Byrne et al. 2000), assim como inibem o aumento dos teores de giberelinas tanto pela represso do gene GA20-oxidase, o qual codifica uma enzima-chave na via biossinttica desta classe hormonal, assim como pela induo da expresso de GA2-oxidase, gene que codifica uma enzima regulatria do passo que leva inativao de giberelinas (Sakamoto et al. 2001a, b, Jasinski et al. 2005). Alm disso, foi verificado que as citocininas e as giberelinas tambm desempenham suas atividades antagnicas no MAC por meio da inibio recproca de vias que modulam tanto a biossntese quanto a ao desses hormnios (Shani et al. 2006). Por outro lado, como ilustrado na figura 1, as giberelinas e auxinas sobrepem-se no que diz respeito sua distribuio e ao nos flancos do MAC, ao passo que ambas encontram-se presentes em concentraes relativamente elevadas em regies especficas da periferia meristemtica, onde participam no crescimento por expanso celular (Veit 2009). Como citado anteriormente, o acmulo localizado de auxina nos flancos do MAC, controlado por protenas transportadoras deste hormnio (PIN1 e AUX/LAX), marcam a posio onde ocorrer a formao do primrdio foliar, coincidindo com teores de citocininas relativamente reduzidos (Rast & Simon 2008). Como representado na figura 1, a regulao do processo que marca as clulas nos flancos do MAC para a organognese envolve outros componentes alm dos j citados, como o caso dos genes CUPSHAPED COTYLEDON 1 e 2 (CUC1/CUC2), os quais inibem localmente a proliferao celular e contribuem para o estabelecimento das fronteiras meristemticas para organognese (Vroemen et al. 2003, Aida & Tasaka 2006, Heisler & Jnsson 2007, Gmez-Mena & Sablowski 2008). Padro de organizao e funcionamento do meristema apical radicular - Conforme j mencionado, os papis promotores das auxinas e citocininas sobre a proliferao versus diferenciao celular nos meristemas caulinares e radiculares apicais so fortemente opostos. Diferentemente do

30518004 miolo.indd 534

08/04/10 11:19


535

Figura 1. Diagrama simplificado de um pice radicular, mostrando os padres de localizao e interao dos principais elementos que asseguram a organizao e a manuteno da atividade do meristema apical caulinar (MAC). Flechas indicam regulao positiva e barras em T indicam regulao negativa. P1, P2 e P3 indicam os primrdios foliares em ordem temporal de formao. O fator de transcrio WUS (WUSCHEL) atua em conjunto com as protenas CLAVATA 1, 2 e 3 (CLVs 1, 2 e 3) no controle do nicho de clulas-tronco. SHOOTMERISTEMLESS (STM), por sua vez, atua juntamente s citocininas (CKs) e giberelinas (GA) na regio de elevada taxa mittica do MAC, estabelecendo um balano entre estas classes hormonais favorvel s CKs. Na regio de iniciao dos primrdios foliares verifica-se a predominncia de GA e AIA (cido indolilactico, a principal auxina de ocorrncia natural), assim como separada do MAC pela expresso dos genes CUP-SHAPED COTYLEDON 1 e 2 (CUC1/CUC2). ASYMMETRIC LEAVES1 e 2 (AS1/AS2) atuam em conjunto na regio perifrica do MAC onde ocorre alongamento e/ou diferenciao celular. Figure 1. Simplified schematic representation of a shoot tip showing the general patterns of interactions between some of the main signalling molecules responsible for the shoot apical meristem (SAM) architecture and activity maintenance. The proposed model was mainly based on the model plant Arabidopsis thaliana. Arrows and T-bars represent positive and negative regulation, respectively. P1, P2 and P3 indicate leaf primordia in temporal order of formation. The transcription factor WUS (WUSCHEL), expressed in the organizing center (red circle), acts together with the proteins CLAVATA 1, 2 and 3 (CLV1, CLV2 and CLV3) to control the stem cell niche. SHOOT MERISTEMLESS (STM) operates with cytokinins (Cks) and gibberellins (GA) in the region of the SAM with more frequent cellular division (yellow region), establishing a hormonal balance between these hormonal classes favorable to CKs. In the region of leaf primordia initiation, marked in white, a predominance of GA and IAA (indolilacetic acid, the main natural auxin species) is evident; the separation of this SAM region (boundary marked in black) depends on the expression of CUP-SHAPED COTYLEDON 1 and 2 (CUC1/2) genes. ASYMMETRIC LEAVES 1 and 2 (AS1/AS2) act together in the SAM peripheral region, marked in green, where cell elongation and/or division occurs.

30518004 miolo.indd 535

08/04/10 11:19

536

Hoehnea 36(4): 525-549, 2009

Figura 2. Diagrama simplificado de um pice radicular, mostrando os padres de localizao e interao dos principais elementos que asseguram a organizao e a manuteno da atividade do meristema apical radicular (MAR). Flechas pretas indicam regulao positiva e a seta azul indica a direo preferencial do fluxo de auxina rumo ao MAR, o qual auxilia no acmulo desta classe hormonal (crculo azul) na regio que engloba o nicho de clulas-tronco. Nesta regio a auxina participa no controle da expresso dos genes PLT1 e PLT2 (PLETHORA1 e 2) (crculo amarelo), os quais desempenham papel determinante na manuteno do nicho de clulas-tronco. Esta funo compartilhada com os fatores de transcrio WOX5 (WUSCHEL-related homeobox5) e SCR (SCARECROW), sendo a expresso do ltimo regulada por SHR (SHORTROOT) proveniente do estelo. Figure 2. Schematic representation of the root tip showing the general localization and the essential signaling molecule interactions involved in the root apical meristem (RAM) architecture and activity maintenance. Black arrows indicate positive regulation and the blue arrow indicates the preferential direction of the auxin flow towards the RAM, which contributes to the accumulation of this hormone (blue circle) in the apical region that includes the stem cell niche. In this region, auxin participates in the control of PLT genes expression (region with higher expression of PLT1 and PLT2 delimited by a yellow circle), which play a crucial role in the maintenance of the stem cell niche. This function is shared by the transcription factors WOX5 (WUSCHEL-related homeobox5) and SCR (SCARECROW), being the expression of SCR regulated by SHR (SHORT ROOT) derived from the estele.

observado no MAC, os efeitos antagnicos entre estas duas classes hormonais determinam o tamanho do meristema apical radicular (MAR) por meio do papel promotor da auxina sobre as divises celulares, bem como pelo papel promotor desempenhado pelas citocininas na diferenciao celular (Grieneisen et al. 2007, Dello-Ioio et al. 2007). No entanto, ambos os meristemas apicais possuem em comum um sistema sinalizador coordenado por fatores de transcrio importantes no controle e manuteno de suas clulastronco (Sarkar et al. 2007). A distribuio da auxina na raiz, coordenada principalmente por protenas PIN, um componente-

chave para o estabelecimento e manuteno do MAR, controlando rigidamente as divises celulares, especialmente, devido ao seu acmulo na regio que engloba as clulas-tronco radiculares (figura 2). As clulas-tronco do MAR geram clulas derivadas que iro sofrer um nmero determinado de divises mitticas antes de entrarem na zona de alongamento celular, para, finalmente, diferenciaremse e alcanarem a maturidade. A taxa de crescimento radicular e o tamanho do MAR so definidos, portanto, pela taxa de diviso celular no meristema e pela extenso de diferenciao celular que ocorre na zona de transio entre a regio de diviso e de alongamento

30518004 miolo.indd 536

08/04/10 11:19


537

celular (Magyar et al. 2005, Grieneisen et al. 2007, Bgre et al. 2008). Assim como o MAC possui o centro organizador constitudo por clulas-tronco com baixa taxa de diviso celular e que conferem a identidade caulinar, o MAR possui uma regio equivalente denominada centro quiescente (CQ), donde se presume que sejam originadas todas as clulas da raiz (Ivanov 2004). O CQ de A. thaliana composto por apenas quatro clulas que raramente entram em diviso celular, sendo que estas, juntamente com as clulas iniciais justapostas ao CQ, formam o nicho de clulas-tronco do MAR (Weigel & Jrgens 2002, Laux 2003, Scheres 2007). O CQ mantm a identidade de clulas-tronco das suas iniciais imediatas por meio da sinalizao de curta distncia estabelecida pelo contato direto clula-a-clula, via plasmodesmas, o qual assegura a manuteno do posicionamento apical e do nmero de clulas-tronco nas razes em crescimento. A perda das conexes ntimas entre as clulas derivadas da diviso de iniciais adjacentes ao CQ leva posterior diferenciao celular. Assim, o CQ pode ser interpretado como um grupo celular com organizao dinmica e especfica do MAR, e no como uma populao de clulas-tronco formadas durante a embriognese e assim mantidas durante a vida da planta (van den Berg et al. 1997, Ivanov 2004, Dinneny & Benfey 2008). Alm da influncia do acmulo de auxina, o nicho das clulas-tronco no MAR depende tambm da ao combinada de diferentes genes, como PLETHORA1 (PLT1), PLETHORA2 (PLT2), SCARECROW (SCR), e SHORT ROOT (SHR) (Di Laurenzio et al. 1996, Helariutta et al. 2000, Sabatini et al. 2003, Aida et al. 2004). Os fatores de transcrio PLT1 e PLT2 atuam de maneira aditiva e positiva na manuteno da organizao e funcionamento do MAR, tanto que os mutantes plt1plt2 (com deficincia para ambos os genes PLTs) apresentam severa inibio do crescimento radicular devido diferenciao prematura das clulas do MAR. Conforme esquematizado na figura 2, a regio de acmulo de auxina coincide com o local onde as protenas PLTs tambm se encontram em maior concentrao, regio correspondente ao nicho das clulas-tronco radicular, onde promovem o estabelecimento e manuteno deste grupo de clulas. No entanto, concentraes relativamente mais reduzidas de PLTs esto relacionadas ao estmulo da proliferao celular no MAR. Os genes-alvo que se encontram sob regulao dos fatores de transcrio PLTs ainda so pouco conhecidos, porm, sabe-se que a

transcrio de PLTs promovida por teores elevados de auxina e inibida pelo produto de transcrio do gene RETINBLASTOMA RELATED1, um homlogo em plantas do gene supressor de tumores humanos (Aida et al. 2004, Galinha et al. 2007, Bgre et al. 2008). A organizao e a manuteno do MAR so controladas tambm por um mecanismo paralelo, porm complementar, ao sistema coordenado por PLTs, no qual participam os fatores de transcrio SHR e SCR; ambos pertencentes famlia GRAS. SCR expresso nas clulas do CQ e da endoderme, sendo que as razes de mutantes scr apresentam perodo de crescimento limitado, coincidindo com a reduo precoce do nmero de clulas no MAR, ausncia de CQ e a no-separao entre a endoderme e a camada mais interna do crtex. SHR, por sua vez, transcrito no estelo (periciclo e sistema vascular); plantas mutantes para este fator de transcrio apresentam deficincias fenotpicas semelhantes quelas observadas nos mutantes scr (Benfey et al. 1993, Scheres et al. 1995, Ivanov 2004). Atualmente, sabe-se que tanto SCR quanto SHR desempenham funes relacionadas especificao e regulao funcional do nicho de clulas-tronco do MAR, assim como controlam as divises assimtricas de clulas derivadas da inicial do crtex e endoderme, definindo tambm o destino das clulas endodrmicas (Di Laurenzio et al. 1996, Helariutta et al. 2000, Heidstra et al. 2004, Sena et al. 2004). O mecanismo de ao desses fatores de transcrio ocorre por meio do trnsito da protena codificada pelo gene SHR, via plasmodesmas, do estelo para clulas do CQ, iniciais do crtex/endoderme e clulas da prpria endoderme, onde interage com a protena SCR para formar o complexo protico SHR/SCR, localizado nos ncleos, o qual leva ativao da transcrio gnica do prprio SCR nestes locais (figura 2). Adicionalmente, SHR atua na modulao direta tanto da biossntese de brassinoesterides quanto na sinalizao das giberelinas, participando tambm, de maneira indireta, da regulao dos teores / sinalizao de auxina, brassinoesterides e giberelinas (Nakajima et al. 2001, Shimada et al. 2003, Levesque et al. 2006, Cui et al. 2007, Benkov & Hejtko 2009). Assim como para o MAC, espera-se que outras vias sinalizadoras paralelas ou que se cruzem PLT1/ PLT2 e SHR/SCR sejam descobertas no controle da organizao e atividade do MAR. Dentre as molculas sinalizadoras que vm sendo identificadas como importantes para assegurar as funes do MAR, encontra-se o gene WOX5 (do Ingls WUSCHEL-

30518004 miolo.indd 537

08/04/10 11:19

538

Hoehnea 36(4): 525-549, 2009

related homeobox5), o qual expresso especificamente no CQ e cuja perda de funo nas clulas iniciais do MAR causa a diferenciao terminal das clulas deste meristema (figura 2). WOX5 representa um gene homlogo ao WUS encontrado no CO do MAC, e sua expresso depende da sinalizao dada pelas auxinas via MONOPTEROS, fornecendo indicaes de que a auxina atuaria na regulao de genes da famlia WOX pelo menos nas razes. No entanto, at o presente momento no foram encontrados indcios de uma relao equivalente envolvendo a regulao de WUS por auxina no MAC (Kamiya et al. 2003, Sarkar et al. 2007, Veit 2009). A expresso especificamente localizada de WOX5 no CQ do MAR, assim como de WUS no CO do MAC, parece atuar na manuteno do nicho de clulas-tronco, inibindo a diferenciao destas clulas, sem, todavia, participar da determinao do destino de clulas filhas das iniciais meristemticas (Tucker & Laux 2007). Apesar da descoberta de WOX5 ter acenado com a possibilidade da existncia de um mecanismo regulador do nicho de clulas-tronco do MAR equivalente ao sistema WUS/CLVs presente no MAC, as evidncias obtidas at o momento no sustentam tal hiptese. Uma das contradies desta proposta decorre do fato das protenas relacionadas CLV encontradas nas razes (protenas CLE), apesar de serem expressas no MAR e atuarem na reduo do nmero de clulas meristemticas, tal qual CLV3 no MAC, no terem sua ao relacionada ao controle das clulas do CQ, opondo-se ao de CLV3 no MAC, o qual contribui na regulao do nmero de clulas no CO por inibir a expresso de WUS (CasamitjanaMartinez et al. 2003, Ivanov 2004). Assim, apesar do avano considervel obtido no entendimento de alguns mecanismos regulatrios das clulas do MAR, estes ainda so menos compreendidos do que os envolvidos no controle do MAC. Por exemplo, a despeito da importncia do balano redox na regulao da quiescncia das clulas no MAR, via ao de auxina (Kerk & Feldman 1995, Jiang et al. 2003, Ivanov 2004), no se sabe ainda exatamente como esse mecanismo interage com os demais sinais envolvidos na manuteno e atividade do MAR. Padres de organizao e funcionamento do periciclo e meristemas axilares - Alm dos meristemas apicais (primrios) que so especificados durante a embriognese (MAC e MAR), muitos tipos meristemticos so formados durante o desenvolvimento ps-embrionrio, destacando-se os

meristemas presentes nos sistemas caulinar e radicular, responsveis pela formao, respectivamente, de gemas axilares e razes laterais (Beveridge et al. 2007). Ainda no est totalmente elucidado se as clulas responsveis pela origem ps-embrionria desses meristemas so definidas em decorrncia da atividade do MAC e/ou do MAR, ou se elas so especificadas de novo durante a diferenciao celular. No entanto, a hiptese mais aceita para a sua origem na maioria das plantas defende que os meristemas axilares caulinares derivariam de grupos de clulas separadas do MAC durante a iniciao do primrdio foliar que manteriam a identidade meristemtica nas axilas foliares, enquanto as razes laterais seriam iniciadas a partir do periciclo, cujas clulas reteriam a potencialidade meristemtica aps deixarem o MAR (DiDonato et al. 2004, Maughan et al. 2006, Beveridge et al. 2007). Na parte area pode-se encontrar um ou mais meristema(s) axilar(es) na base de cada folha originada. Em caules no estado vegetativo, a retomada da atividade dos meristemas axilares ocorre em ordem acrpeta, primeiro nas axilas das folhas mais maduras e distantes do pice caulinar e, posteriormente, nas axilas de folhas mais jovens (Long & Barton 2000). Os meristemas axilares possuem o mesmo potencial de desenvolvimento do MAC, uma vez que cada um deles pode formar uma ramificao caulinar completa ou inflorescncias durante o desenvolvimento reprodutivo. Sendo assim, os meristemas axilares so os principais elementos na determinao da arquitetura e do sucesso reprodutivo das plantas. No entanto, o padro de ramificao caulinar no estado vegetativo no depende apenas da formao dos meristemas axilares, mas tambm do controle negativo exercido pelo pice do caule principal sobre a liberao das gemas laterais (Schmitz & Theres 2005, Ongaro & Leyser 2008, Ongaro et al. 2008). Esta flexibilidade na atividade dos meristemas axilares possibilita uma variao considervel na arquitetura do sistema caulinar, permitindo que a planta adapte sua forma s condies ambientais vigentes. De fato, o desenvolvimento das gemas formadas pelos meristemas axilares regulado por vrios sinais ambientais e endgenos. No entanto, os mecanismos sinalizadores mais finos envolvidos no controle deste processo so ainda pouco compreendidos. Dentre as molculas conhecidas como importantes mediadoras na transduo dos sinais ambientais que regulam a atividade desses meristemas destacam-se as classes hormonais das citocininas e auxinas (Cline 1991, Simons et al. 2007, Ongaro & Leyser 2008, Ongaro et al. 2008).

30518004 miolo.indd 538

08/04/10 11:19


539

O estgio inicial do desenvolvimento dos meristemas axilares coincide com alguns pontos de controle da iniciao dos primrdios foliares nos flancos do MAC, cujos elementos sinalizadores foram apresentados no item anterior. Este processo tambm caracterizado pela ausncia inicial da expresso de CLV3 e WUS, os quais so tidos como mantenedores da populao de clulas-tronco no MAC, ao passo que a expresso destes genes re-estabelecida no MAC do ramo lateral logo aps a liberao das gemas axilares para o crescimento (McSteen & Leyser 2005, Keller et al. 2006, Beveridge et al. 2007). Ao contrrio do que observado no caule, a formao de rgos laterais na raiz ocorre a certa distncia do MAR, a partir do periciclo, tecido este que difere amplamente dos tecidos vegetais maduros por manter a ploidia caracterstica da espcie, assim como ocorre nos meristemas apicais do caule e da raiz (DAmato 1978). Nas plantas com razes gemferas, as gemas formadas endogenamente so tambm originadas a partir do periciclo. Nestas plantas, as clulas do periciclo formam primrdios de razes laterais quando na presena de concentraes favorveis de auxina, enquanto que teores relativamente mais elevados de citocininas desencadeiam a diferenciao de primrdios de gemas; no entanto, em termos histolgicos ambos os primrdios de rgos so semelhantes nos estgios iniciais de formao (Peterson 1975). Recentemente verificou-se que o periciclo parece ser um meristema constitudo por duas populaes de clulas com potenciais diferenciados de desenvolvimento; o periciclo xilemtico parece apresentar maior pluripotencialidade do que se supunha at pouco tempo atrs, ao passo que o periciclo floemtico parece no apresentar equivalncia em tal atributo de desenvolvimento (Atta et al. 2009). Dessa forma, algumas clulas do periciclo, localizadas na posio oposta aos plos xilemticos, retm a atividade meristemtica aps deixar o MAR, mantendo a potencialidade organogentica inerente a esse rgo (Maughan et al. 2006, Beveridge et al. 2007). Alm disso, as clulas do periciclo envolvidas na iniciao de razes laterais possuem caractersticas citolgicas tipicamente meristemticas, como citoplasma denso, ncleos grandes e vacolos pequenos (Dubrovsky et al. 2001, Parizot et al. 2007). Uma vez definido o grupo de clulas que ir se dividir e formar o primrdio de raiz lateral, este se diferencia em um rgo com um estelo central e um meristema apical ativo, permitindo que a raiz lateral cresa de maneira semelhante raiz primria (Mathesius 2008).

De maneira intrigante, indcios consistentes deram indicaes de que um maior nmero de clulas do periciclo possuiria potencial para iniciar a formao de razes laterais do que as poucas que, de fato, se envolvem no processo. De acordo com essa sugesto, todas as clulas do periciclo apresentariam capacidade de entrar rapidamente em diviso mittica devido expresso contnua de genes que codificam algumas protenas determinantes para a progresso do ciclo celular. No entanto, at pouco tempo atrs inexistiam descries de marcadores especficos que possibilitassem a identificao precisa das clulas que seriam recrutadas como iniciadoras de razes laterais no periciclo, ou ainda de mutantes deficientes especificamente na definio destas clulas (Roudier et al. 2003, De Smet et al. 2006, Beveridge et al. 2007). Sobre esta questo, Dubrovsky et al. (2008) demonstraram recentemente que o acmulo localizado de auxina nas clulas do periciclo representa um sinal necessrio e suficiente para especificar a identidade das clulas iniciadoras de razes laterais. De acordo com estes autores, a ativao de respostas auxina em uma regio especfica do periciclo (visualizada em plantas transformadas com o promotor DR5, sensvel auxina) estaria relacionada a um padro de divises celulares que desencadearia a formao do primrdio de raiz lateral. Estes resultados vieram esclarecer a maneira geral pela qual a auxina participa na formao de razes laterais, uma vez que muitos indcios anteriores j a indicavam como um regulador central neste processo de organognese (Fukaki et al. 2007). Alm dos meristemas apresentados at o momento (axilares do caule e periciclo na raiz), outros tipos meristemticos podem ser formados durante o desenvolvimento ps-embrionrio vegetal. Um exemplo interessante d-se pela formao de estruturas nodulares em razes de leguminosas resultantes da interao simbitica entre estas plantas e algumas bactrias fixadoras de nitrognio do gnero Rhizobium. Os ndulos normalmente so iniciados de novo por meio de divises celulares no crtex radicular, resultantes da sinalizao desencadeada pela infeco bacteriana na epiderme da raiz, levando consolidao do primrdio nodular com um meristema funcional que lhe permitir crescer (Hirsch 1992, Mathesius 2008, Oldroyd & Downie 2008). At o momento foram identificados poucos genes que codificam reguladores do desenvolvimento nodular em razes de leguminosas, no entanto, um dos elementos reconhecidos como cruciais na formao destas estruturas so os chamados fatores de nodulao

30518004 miolo.indd 539

08/04/10 11:19

540

Hoehnea 36(4): 525-549, 2009

Estado determinado e indeterminado dos meristemas - Os meristemas podem perder a capacidade de formao de novas clulas, seja pela parada do seu funcionamento em um perodo especfico do desenvolvimento vegetal, seja pela diferenciao de suas clulas-tronco em estruturas especializadas. Em funo disso, os meristemas so chamados de determinados ou indeterminados conforme, respectivamente, a manuteno ou a perda da organizao e atividade meristemticas tpicas de rgos em crescimento (Bathlmy & Caraglio 2007, Shishkova et al. 2008). No meristema determinado h um programa gentico que desencadeia a parada da produo de novas clulas em um estgio especfico do desenvolvimento vegetal. Este tipo de meristema comumente responsvel pela formao de rgos com tamanho e forma definidos; enquanto os meristemas indeterminados esto mais relacionados formao de partes vegetais que podem crescer por perodos variveis e que apresentam diferentes tamanhos e formatos, de acordo com as condies ambientais (Sablowski 2007). Os ndulos fixadores de nitrognio presentes nas razes de plantas leguminosas so bons exemplos de alterao na determinao meristemtica durante o desenvolvimento, uma vez que, normalmente, so indeterminados no incio do desenvolvimento por possurem um meristema ativo; por outro lado, quando maduros usualmente perdem a atividade meristemtica, sendo, portanto, determinados e desprovidos da capacidade de crescimento. Por outro lado, os meristemas foliares e a maioria dos florais podem ser lembrados como exemplos de meristemas com padro de atividade determinado na parte area vegetal (Bauer et al. 1997, Shishkova et al. 2008). Os mecanismos de controle hormonal e gnico dos meristemas apicais relatados nos itens anteriores ilustram alguns dos pontos que asseguram a organizao e a atividade meristemticas e, portanto, a manuteno do carter indeterminado dos mesmos. Assim, em um MAC indeterminado

(fatores Nod). Os fatores Nod participam na ativao concomitante de respostas na epiderme radicular (decorrentes da infeco bacteriana) e no crtex da raiz (que levam formao do meristema nodular). O estabelecimento do meristema nodular mediado por mudanas hormonais, sendo as citocininas de importncia central na maioria dos casos (Oldroyd & Downie 2008, Mathesius 2008, Verni et al. 2008).

ativo o estado vegetativo pode ser mantido por um longo perodo, durante o qual primrdios foliares so formados sucessivamente em seus flancos, originando tambm os meristemas axilares. Dependendo de fatores extrnsecos e/ou intrnsecos, o MAC pode manter-se no estado vegetativo, gerando um nmero indeterminado de fitmeros, ou ainda entrar em um programa de desenvolvimento determinado, produzindo um nmero fixo de segmentos caulinares, o que normalmente resulta na formao de estruturas reprodutivas (McSteen & Leyser 2005, Barthlmy & Caraglio 2007, Shishkova et al. 2008). A converso do MAC vegetativo em meristema floral (mudana de fase) induzida por mltiplos sinais ambientais e endgenos que, em ltima instncia, convergem em pontos-chave de regulao para o estabelecimento da identidade floral. Uma vez sob controle desta rede sinalizadora, o meristema apical normalmente adquire uma natureza determinada refletida pela diferenciao terminal de suas clulas, as quais se tornam comprometidas com a formao de um nmero especfico de rgos florais (Zik & Irish 2003, Sablowski 2007, Shishkova et al. 2008). Alguns dos sinais endgenos indutores da mudana de fase do MAC so produzidos nas folhas e transportados para o meristema apical caulinar, desencadeando uma srie de mudanas, inclusive morfolgicas, denominadas coletivamente de evocao floral. Em geral, os meristemas florais apresentam crescimento determinado, sendo que em algumas espcies o MAC pode se transformar em um meristema floral que originar uma nica flor, ao passo que em outras, como A. thaliana, o MAC vegetativo inicialmente convertido em uma inflorescncia, a qual, posteriormente, produz meristemas florais em seus flancos. Em algumas poucas espcies o MAC vegetativo pode originar um meristema floral de natureza indeterminada, o qual no apresenta um programa gentico que pr-defina o nmero de rgos florais que sero formados (Zik & Irish 2003, Sablowski 2007, Kanrar et al. 2008). O estabelecimento do padro determinado de crescimento do meristema floral depende da expresso de genes regulatrios que conferem a identidade floral. Estes genes fazem parte de um programa de expresso gnica iniciada durante a transio do meristema vegetativo para o desenvolvimento reprodutivo (Zik & Irish 2003, Sablowski et al. 2007, Kanrar et al. 2008). Assim, a induo floral est atrelada ao estabelecimento do crescimento determinado do meristema apical, sendo que este processo coincide

30518004 miolo.indd 540

08/04/10 11:19


541

Figura 3. Padres de expresso e interao de alguns genes importantes para o estabelecimento do estado determinado do meristema caulinar floral. Flechas indicam regulao positiva e barras em T indicam regulao negativa. Linha tracejada contnua indica interao demonstrada experimentalmente entre os elementos; e linha tracejada indica interao possvel entre os elementos, porm, trata-se de uma via sinalizadora em processo de elucidao. LFY (LEAFY - elemento fundamental para a identidade caulinar floral) e WUS (WUSCHEL - determinante para a identidade caulinar vegetativa) atuam conjuntamente na induo da expresso de AG (AGAMOUS), cujo produto de transcrio tido com repressor da expresso de WUS, levando extino do nicho das clulas-tronco e, consequentemente, o estabelecimento do crescimento determinado. Figure 3. Expression patterns and interaction of some key genes involved in the establishment of the determinate state of the shoot floral meristem. Arrows and T-bars represent positive and negative regulation, respectively. Solid lines represent interactions between the transcription factors for which experimental evidence is available; broken line indicates predicted interaction between these elements. LFY (LEAFY - key element for the floral identity) and WUS (WUSCHEL - crucial for the vegetative shoot identity) act together in the induction of AG (AGAMOUS) expression, whose transcription product is believed to repress WUS expression, resulting in the extinction of the stem cell niche and, consequently, the establishment of determinate growth.

CONSTANS1 e FLOWERINGLOCUS T representam pontos de convergncia e integrao das diversas redes sinalizadoras necessrias especificao da identidade do meristema floral (Lee et al. 2000, Boss et al. 2004, Corbesier et al. 2007). O gene LFY codifica um fator de transcrio que confere identidade floral ao meristema em resposta aos sinais indutores da florao, cuja funo exercida, inicialmente, pela regulao positiva da expresso de APETALA1, CAULIFLOWER e LATE MERISTEM IDENTITY1, os quais iro participar, em ltima anlise, na diferenciao dos rgos florais (Weigel et al. 1992, Liljegren et al. 1999, William et al. 2004, Saddic et al. 2006). Conforme apresentado na figura 3, a especificao do estado determinado do meristema floral depende da expresso do gene que codifica o fator de transcrio AGAMOUS (AG), pertencente famlia MADS (Yanofsky et al. 1990). A expresso de AG ocorre em reposta ligao direta e conjunta de LFY e WUS nas regies regulatrias da transcrio deste gene, sendo que o produto da transcrio de AG conhecido por reprimir a prpria expresso de WUS, levando perda da atividade das clulas-tronco e, conseqentemente, proporcionando a determinao meristemtica (Lohmann et al. 2001, Lenhard et al. 2001, Sablowski et al. 2007). Evidncias recentes apontam para a participao de novos elementos ainda no muito bem conhecidos que regulariam a expresso de AG, influenciando, portanto, os demais fatores envolvidos no controle da determinao do meristema floral (Das et al. 2009).

Estudos do desenvolvimento meristemtico em espcies-modelo versus diversidade vegetalMuito de nosso conhecimento sobre as redes de sinalizao que regulam o desenvolvimento vegetal, incluindo o desenvolvimento meristemtico, est baseado na planta-modelo A. thaliana. Esta espcie foi eleita como principal modelo para estudos genticos devido ao seu ciclo reprodutivo curto, genoma pequeno, manipulao gentica simples, e facilidade de crescimento e anlise das populaes devido ao seu pequeno porte (Meyerowitz 1989, LevYadun & Sederoff 2000). Como visto resumidamente nesta reviso, os estudos de gentica, bioqumica, biologia molecular e biologia celular realizados prioritariamente nesta espcie tm possibilitado um avano considervel no conhecimento sobre

com o silenciamento temporrio de genes-chave na manuteno do carter indeterminado do MAC, como os fatores de transcrio KNOX e WUS (Mayer et al. 1998, Scofield & Murray 2006, Guo et al. 2008). Um grande corpo de evidncias d suporte existncia de uma rede gnica complexa estabelecida para explicar a transio do MAC vegetativo para a identidade meristemtica floral em A. thaliana. Segundo o modelo simplificado de sinalizao neste processo de transio, os genes LEAFY (LFY), SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF

30518004 miolo.indd 541

08/04/10 11:19

542

Hoehnea 36(4): 525-549, 2009

as funes gnicas nas cascatas de sinalizao intracelular e intercelular que regulam importantes mecanismos do desenvolvimento vegetal. No entanto, a extrapolao dos mecanismos moleculares descobertos em A. thaliana para as demais plantas, em parte, negligencia a filogenia vegetal altamente ramificada, cujas divergncias evolutivas entre gimnospermas e angiospermas, bem como entre monocotiledneas e eudicotiledneas, apresentam elementos complexos em relao s distncias evolutivas entre os diferentes grupos do ponto de vista da seleo natural. Dessa forma, a extrapolao das redes de sinalizao molecular descobertas em A. thaliana para os demais vegetais depende ainda de estudos comparativos da biologia evolutiva e do desenvolvimento entre A. thaliana e as demais espcies vegetais, a fim de se distinguir princpios fundamentais daqueles que esto sujeitos variao e seleo durante o curso da especiao (Winter et al. 2002, Chaw et al. 2004, Nardmann & Werr 2007). Segundo Nardmann & Werr (2007), este tipo de abordagem traz consigo o desafio de que a origem das espcies estaria relacionada, de acordo com a teoria evolutiva de Darwin, seleo natural (Darwin 1859), e este evento ocorreria em funo do fentipo e no no nvel gnico. Desta forma, a filogenia de seqncias de DNA pode identificar o repertrio gnico compartilhado pelas espcies existentes, porm, somente estudos sobre a funo de certos genes, bem como a maneira pela qual eles esto integrados nas redes regulatrias do desenvolvimento, podero fornecer informaes mais precisas sobre os mecanismos que determinam certos fentipos selecionados nas espcies. De fato, apesar de se ter descoberto, nos ltimos anos, diversos genes envolvidos na morfognese das plantas, ainda se sabe muito pouco sobre a conservao funcional destes nos diversos grupos vegetais evolutivamente distanciados. Este tipo de conhecimento depende de anlises sobre a funo dos respectivos genes ortlogos em uma variedade de espcies vegetais que no se restrinjam apenas s espcies-modelo mais estudadas atualmente (DavidSchwartz & Sinha 2007). A seleo criteriosa de espcies-chave portadoras de atributos particulares de desenvolvimento para utilizao como plantasmodelo poderia auxiliar no entendimento de questes que persistem sobre os mecanismos que controlam, por exemplo, o estabelecimento, a organizao, a manuteno e a determinao meristemtica.

Orchidaceae representa um grupo de plantas com elevado potencial de contribuio nesta vertente, uma vez que uma das maiores famlias entre as angiospermas, constituda de cerca de 25.000 espcies encontradas e adaptadas aos mais diferentes ambientes, com elevada diversidade de caractersticas do desenvolvimento (Mabberley 1997, Huang et al. 2008). No por acaso, Charles Darwin pioneiramente as reconheceu como plantas extremamente apropriadas para estudos de processos evolutivos, devotando um livro inteiro para anlises sobre As vrias formas pelas quais as orqudeas so fertilizadas por insetos (Darwin 1877). Apesar dessas indicaes promissoras, as orqudeas ainda continuam relativamente pouco representadas em estudos sobre especiao, evoluo e isolamento reprodutivo, assim como de sinais moleculares que controlam o desenvolvimento (Peakall 2007). Dentre os estudos conduzidos sobre a atividade meristemtica em orqudeas, destacam-se aqueles realizados com espcies pertencentes ao grupo Catasetinae, mais especificamente Catasetum fimbriatum, uma planta epfita cujos meristemas, especialmente os radiculares, possuem elevado grau de complexidade e plasticidade nas respostas fisiolgicas e morfolgicas. Os meristemas apicais de suas razes, por exemplo, convertem-se rapidamente em meristemas caulinares ectpicos quando isolados e incubados in vitro (Kerbauy 1984, Colli & Kerbauy 1993), sendo que este evento peculiar foi recentemente descoberto como dependente do estgio do desenvolvimento radicular. Conforme constatado por Rodrigues et al. (2007), a capacidade de converso do MAR em um meristema caulinar ectpico aumenta medida que a raiz envelhece, cessa o seu crescimento e o MAR se torna determinado. Ainda de acordo com estes autores, a parada do crescimento radicular decorre de diversas modificaes estruturais, metablicas e hormonais no MAR, as quais ocorrem de maneira gradual durante o envelhecimento radicular, proporcionando a devida competncia para o estabelecimento de um meristema caulinar ectpico no MAR desta orqudea (Rodrigues et al. 2007, 2008). Sendo assim, os MARs de C. fimbriatum diferem dos tecidos meristemticos da maioria das angiospermas, onde comumente observase um maior potencial regenerativo em tecidos relativamente mais jovens (Kerbauy 1999). Com relao atividade do MAC de C. fimbriatum, vale destacar uma correlao inversa entre o estado indeterminado deste meristema e o desenvolvimento

30518004 miolo.indd 542

08/04/10 11:19


543

dos pseudobulbos, sendo que este resulta numa inibio total das divises celulares no pice caulinar desta orqudea. Todavia, a atividade do MAC pode ser rapidamente retomada aps a transferncia das plantas para o escuro, processo este coincidente com um acmulo acentuado de citocininas nas plantas como um todo (Suzuki et al. 2004). Uma das dificuldades destas pesquisas a inexistncia de uma espcie-modelo de orqudea bem estudada no contexto fisiolgico, gentico e molecular. Esse tipo de dificuldade tambm encontrado em muitas outras espcies devido, principalmente, falta de mutantes e aos ciclos de vida longos. Todavia, alguns destes desafios podem ser minimizados com sucesso por meio da utilizao de diferentes ferramentas de estudo, criatividade e persistncia, alm da escolha de uma espcie-alvo interessante aos propsitos da pesquisa realizada (Peakall 2007, David-Schwartz & Sinha 2007). Diferentes abordagens experimentais vm sendo utilizadas para superar tais dificuldades. Entretanto, em muitos casos, os genes sob investigao no se comportam de acordo com o esperado nas vias de sinalizao descritas para as principais espcies-modelo, possivelmente, devido ocorrncia de modificaes nas interaes entre eles, seus reguladores e/ou entre seus alvos (Doebley & Lukens 1998, Wray et al. 2003, David-Schwartz & Sinha 2007). Estudos com genes sabidamente importantes no desenvolvimento meristemtico apresentaram importantes modificaes entre as espcies at o momento analisadas, como o caso do sistema WUS/ CLV, essencial no controle das clulas-tronco do MAC de A. thaliana, o qual parece ter sofrido adaptaes significativas durante a especiao vegetal. Assim, a ttulo de exemplo, em Zea mays verificou-se a existncia de dois parlogos de WUS (ZmWUS1 e ZmWUS2), os quais, diferentemente do observado em A. thaliana, podem tambm contribuir para o desenvolvimento foliar. Estes dados revelam que os padres de expresso de WUS em gramneas possuem adaptaes distintas em relao ao modelo vegetal A. thaliana, sugerindo uma diversidade significante de mecanismos responsveis pela especificao dos nichos de clulas-tronco durante a evoluo das angiospermas (Nardmann & Werr 2006, 2007).

graas s pesquisas sobre os mecanismos de controle da atividade meristemtica. O foco principal destes estudos tem se voltado mais especificamente aos mecanismos moleculares envolvidos no controle da capacidade das clulas-tronco pluripotentes tanto de manter sua prpria populao em nichos especficos no interior dos meristemas quanto de originar clulas derivadas que se diferenciaro em tecidos caulinares e radiculares. No entanto, a quase totalidade dos dados disponveis na literatura atual tem se concentrado em descobertas provenientes de pesquisas realizadas com Arabidopsis thaliana. Estes estudos, juntamente com outros realizados em outras poucas espcies, tm permitido um progresso considervel na compreenso sobre a maneira pela qual a organizao e o funcionamento dos meristemas so mantidos e, particularmente, sobre o papel desempenhado por diversas molculas sinalizadoras neste processo. Espera-se que, em breve, seja possvel a realizao de anlises comparativas entre diferentes grupos vegetais sobre o grau de conservao funcional dos genes descobertos como essenciais no controle meristemtico das principais plantas-modelo.

Literatura citadaAida, M. & Tasaka, M. 2006. Genetic control of shoot organ boundaries. Current Opinion in Plant Biology 9: 72-77. Aida, M., Beis, D., Heidstra, R., Willemsen, V., Blilou, I., Galinha, C., Nussaume, L., Noh, Y-S., Amasino, R. & Scheres, B. 2004. The PLETHORA genes mediate patterning of the Arabidopsis root stem cell niche. Cell 119: 109-120. Atta, R., Laurens, L., Boucheron-Dubuisson, E., Guivarch, A., Carnero, E., Giraudat-Pautot, V., Rech, P. & Chriqui, D. 2009. Pluripotency of Arabidopsis xylem pericycle underlies shoot regeneration from root and hypocotyl explants grown in vitro. The Plant Journal 957: 626-644. Barlow, P.W. 1997. Stem cells and founder zones in plants, particularly their roots. In: C.S. Potten (ed.). Stem Cells. Academic, London, pp. 29-57. Barthlmy, D. & Caraglio, Y. 2007. Plant architecture: a dynamic, multilevel and comprehensive approach to plant form, structure and ontogeny. Annals of Botany 99: 375-407. Bauer, P., Poirier, S., Ratet, P. & Kondorosi, A. 1997. MsEnod12A expression is linked to meristematic activity during development of indeterminate and determinate nodules and roots. Molecular Plant 10: 39-49.

ConclusesUma melhor compreenso do desenvolvimento das plantas tem sido alcanada nos ltimos anos

30518004 miolo.indd 543

08/04/10 11:19

544

Hoehnea 36(4): 525-549, 2009 Chaw, S.M., Chang, C.C., Chen, H.L. & Li, W.H. 2004. Dating the monocot dicot divergence and the origin of core eudicots using whole chloroplast genomes. Journal of Molecular Evolution 58: 424-441. Clark, S.E., Jacobsen, S.E., Levin, J.Z. & Meyerowitz, E . M . 1 9 9 6 . T h e C L AVATA a n d S H O O T MERISTEMLESS loci competitively regulate meristem activity in Arabidopsis. Development 122: 1567-1575. Cline, M.G. 1991. Apical dominance. Botanical Review 57: 318. Colli, S. & Kerbauy, G.B. 1993. Direct root-tip conversion of Catasetum fimbriatum into protocorm-like bodies. Effects of auxin and cytokinin. Plant Cell, Tissue and Organ Culture 33: 39-44. Corbesier, L., Vincent, C., Jang, S., Fornara, F., Fan, Q., Searle, I., Giakountis, A., Farrona, S., Gissot, L., Turnbull, C. & Coupland, G. 2007. FT protein movement contributes to long-distance signaling in floral induction of Arabidopis. Science 316: 1030-1033. Cui, H., Levesque, M.P., Vernoux, T., Jung, J.W., Paquette, A.J., Gallagher, K.L., Wang, J.Y., Blilou, I., Scheres, B. & Benfey, P.N. 2007. An evolutionarily conserved mechanism delimiting SHR movement defines a single layer of endodermis in plants. Science 316: 421-425. DAmato, F. 1978. Chromosome number variation in cultured cells and regenerated plants. In: T.A. Thorpe (ed.). Frontiers of plant tissue culture. University of Calgary Press, Calgary, pp. 287-295. Darwin, C. 1859. On the origin of species by means of natural selection or the preservation of favored races in the str

Artigo complementar - Meristemas

Documents

Transcript of Artigo complementar - Meristemas