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

40

50

60

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

20

30

40

50

60

70

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

70

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

50

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.