Análise do desenvolvimento e evolução de gavinhas em Bignonieae, Resumos de Evolução

Baixe Análise do desenvolvimento e evolução de gavinhas em Bignonieae e outras Resumos em PDF para Evolução, somente na Docsity!

Mariane S ilveira de S ouSa -Baena

evolução e deSenvolviMento

de gavinhaS eM B ignonieae

(B ignoniaceae )

São Paulo

Mariane S ilveira de S ouSa-Baena

evolução e deSenvolviMento

de gavinhaS eM B ignonieae

(B ignoniaceae )

São Paulo

SOUSA-BAENA, MARIANE SILVEIRA DE

EVOLUÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE GAVINHAS EM

BIGNONIEAE (BIGNONIACEAE)

183 páginas

Tese (Doutorado) - Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo. Departamento de Botânica.

1. Gavinhas foliares 2. Desenvolvimento 3. Evolução 4. Folhas compostas
2. Bignoniaceae 6. SHOOTMERISTEMLESS 7. LEAFY/FLORICAULA 8. genes ARP I. Universidade de São Paulo. Instituto de Biociências. Departamento de Botânica.

coMiSSão Julgadora :

____________________________

Prof(a). Dr(a).

____________________________

Prof(a). Dr(a).

____________________________

Prof(a). Dr(a).

____________________________

Prof(a). Dr(a).

____________________________

Profa. Dra. Lúcia G. Lohmann

Dedico esta tese, com muito amor e gratidão, ao Eduardo por ter me dado todo apoio,

incentivo e ter sonhado junto comigo ...

Segue o teu destino,

Rega as tuas plantas,

Ama as tuas rosas.

O resto é a sombra

De árvores alheias.

Fernando Pessoa

agradeciMentoS

Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPQ , pela bolsa de doutorado concedida, e á Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES , pela bolsa PDEE concedida, a qual financiou meus estudos na UC Davis, Estados Unidos, por um ano.

Á Universidade de SãoPaulo e ao Instituto de Biociências , em especial: ao Laboratório de Sistemática Vegetal , ao Laboratório de Anatomia Vegetal e ao Laboratório de Genética Molecular de Plantas – GATE , por terem me recebido para que eu pudesse desenvolver as diversas partes deste trabalho.

Á UCDavis - Universidade da California-campus Davis, em especial ao laboratório da Dra. Neelima Sinha , que me recebeu e financiou o meu trabalhos por dois anos.

Á MORPH - Molecular and Organismic Research in Plant History , por ter me concedido um auxilio que financiou parte do meu trabalho na UCDavis.

Á American Society of Plant Biologists – ASPB , por conceder o auxílio que me permitiu participar da conferência “Plant Biology 2009, Hawaii”, e ter minha primeira experiência numa conferência internacional.

Á minha orientadora, Lucia Garcez Lohmann , por ter compartilhado seu conhecimento de maneira tão generosa, por ter acreditado no meu trabalho, me incentivado e me ajudado de várias formas nesses quatro anos de trabalho. Com a sua competência, generosidade e trabalho incansável a Lúcia abre caminhos para que muitos possam crescer profissionalmente e será sempre um exemplo a ser seguido….por isso, por toda sua contribuição a Botânica, pela seriedade e brilho com que desenvolve a sua pesquisa, eu sempre a admirarei. A oportunidade que ela me deu de desenvolver esse projeto mudou minha carreira na Botânica pra sempre, me trouxe experiências profissionais e de vida muito enriquecedoras e por isso serei pra sempre grata.

Á minha co-orientadora, Neelima Roy Sinha , por ter me recebido em seu laboratório e me dado a oportunidade de aprender tanto, por ter tido tanta paciência com as minhas dificuldades com a língua inglesa logo que cheguei em Davis e também por ter me dado a oportunidade de permanecer por mais tempo desenvolvendo meus trabalhos em seu laboratório na UCDavis ao me contratar através da Universidade.

Aos colaboradores da minha tese, Magdalena Rossi e Andrew Doust , pelos conselhos, revisões e correções de projeto. Em especial á Magda, que me orientou durante o treinamento que fiz no GATE, me ensinando desde as coisas mais básicas como o design de primers até abrindo as portas de sua casa para que eu pucesse coletar Cuspidaria convoluta do seu lindo caramanchão.

Loeuille , Rebeca Viana , Maria Fernanda Calió, Juliana Lovo, Juliana Rando, Jenifer Lopes , Livia Echternacht Andrade , Herbert Serafim de Freitas , Euder Glendes Martins , Abel Cangussu Leandro Assis , Matheus (Bozo) Santos e Pedro Fiaschi , pelo ambiente de trabalho sempre agradável e divertido e pelo apoio durante a fase de término da tese. Em especial à Rebeca Viana , nossa excelente representante discente, pela ajuda durante as reuniões da CCP!

Aos integrantes do Grupo de Estudos em Evolução e Biologia Comparada – GEEBiC - grupo coordenado pela Lúcia Lohmann. A composição do grupo vai mudando ao longo do tempo, então gostaria de agradecer especialmente aos meus comtemporâneos: Suzana Alcantara, Alice Calvente, Marcelo Rodrigo Pace, Flavio Gomes-Silva, Carolina Mittelstaedt, Fabiana Firetti, Richard Charles Winkworth, Hugo Cota-Sanchez, Alexandre Rizzo Zuntini, Anselmo Nogueira, Vânia Pretti, Miriam Kaehler, Luiz Henrique Fonseca, Dayane Tarabay e Melina Sakiyama. Obrigada por toda ajuda de vocês durante as prévias de qualificação e defesa, e por tudo que aprendi durante nossas discussões nas reuniões de sexta. Nesse grupo encontrei um ambiente heterogêneo em conhecimento que só encontrei lá, e que contribuiu muito para o meu crescimento e amadurecimento como Botânica. Além disso lá encontrei pessoas admiráveis e fiz amigos que levarei pra vida toda.

Ao meu marido Eduardo Baena , pelo apoio incondicional durante todo o tempo em que desenvolvi este trabalho...apoio espiritual, emocional, logístico, psicológico.....por ter tido tanta paciência comigo durante meus “stresses” de fim de tese. Especialmente, por me dar perspectiva e me trazer a realidade (das maneiras mais inusitadas e engraçadas!) nos momentos em que eu achava que se não colocasse “aquele” parágrafo na tese tudo estaria perdido…Por ter cuidado de mim com tanto amor quando tive problemas de saúde em Davis, por ter se aventurado nessa jornada comigo tornando-a possível.

Á minha mãe, Eliane Silveira , meu irmão Lucas Silveira Domingues , minha avó Wanda Silveira , meu avô Ivo Silveira e ao meu padrasto João Domingues , pelo amor e apoio incondicionais…. por entenderem e muitas vezes perdoarem a minha ausência, por torcerem pelo meu sucesso sempre e por vibrarem de alegria comigo nos dias em que a vida me dá um SIM! Por me darem um lar harmonioso e pacífico pra onde sempre posso voltar e recarregar minhas energias…AMO VOCÊS DE TODO MEU CORAÇÃO!

Ao meu sogro, Luiz Baena , por ter nos acolhido em sua casa, me dando meu segundo lar harmonioso e pacífico onde pude terminar minha tese com tranquilidade!

Á minha tia Leoni Siqueira , minha prima Lucia Siqueira e meu tio Paulo Assunção por todo apoio e pela ajuda financeira que me deram quando eu estava morando em Davis. A ajuda de vocês foi crucial para que essa tese pudesse ser concluída e por isso eu serei eternamente grata.

A minha flozinha, Gisele Rodrigues Costa , técnica do Laboratório de Anatomia Vegetal, por tudo...por ser essa profissional incrível, essa amiga maravilhosa, essa pessoa iluminada....por ter sempre torcido por mim de maneira tão sincera, por toda a ajuda no laboratório e durante as coletas na matinha

do IB. Senti muita falta das nossas conversas e risadas (ou melhor gargalhadas!!) no tempo que passei em Davis.

Ao Marcelo Rodrigo Pace , pelo companheirismo e amizade. Por estar ao meu lado desde os tempos do mestrado, passando pelos cursos de pós-graduação do Marcelo Dornelas em Campinas e nossas viagens malucas e divertidas pra lá de manhã bem cedinho, pelas discussões botânicas, filosóficas e todas as outras….enfim por ser esse amigo pra todas as horas, por ser essa pessoa tão generosa, pesrpicaz, inteligente e com um senso de humor tão maravilhoso que alegra todos que estão em volta.

Á Suzana Alcantara por todo incentivo, amizade e carinho, por todas as conversas “científicas”, com as quais sempre aprendo muito, e por todas as outras conversas, que sempre acabam em ótimas risadas. Pelos e-mails e conversas no Skype no tempo que eu estava em Davis, que me fizeram sentir tão melhor por tantas vezes, e pelo dia ótimo dia que passamos juntas, chiquérrimas, em São Francisco. Também por todo apoio na fase final da tese, sendo meu “cérebro acessório” e me dando conselhos valiosos.

Ao Flavio Gomes-Silva , por todas as nossas conversas divertidíssimas. A companhia do Flavio principalmente nos dois primeiros anos do meu doutorado fez com que minha rotina ficasse muito mais leve e agradável.

Ás meus amigos das “antigas” e outros não tão “das antigas” assim do laboratório de anatomia vegetal: Vera Alves Lima, Deusa Abreu, Luciana Witovisk, Ana Maria Yoshitake, Viviane Jono, Marina Millanelo, Marina Cattai, André Lima, Tassia Santos, Gustavo Burin, Giuliano Locosseli, Cristiane Gonçalves e Paula Elbl. Infelizmente alguns desses amigos eu não vejo tão frequentemente quanto eu gostaria, mas eles me acompanharam em boa parte da minha caminhada na Botânica, fazem parte da minha história e contribuíram de maneiras variadas para o meu crecimento profissional e pessoal ao longo dos anos.

aBStract

Angiosperm leaves have undergone major functional and structural modifications over time,

and currently exist in a wide diversity of forms, sizes, and arrangements. For example, in the tribe

Bignonieae (Bignoniaceae), leaves are generally 2-3-foliolated, and the terminal leaflet is often modified

into tendrils.These tendrils present varied morphologies (simple, bifid, trifid or multifid) and are

thought to have been involved in the diversification of Bignonieae. Despite the importance of tendrils

for climbing plants, little is still known about the biology of tendrils in the angiosperms. To date, no

data is available on the genes that control tendrilled-leaf development in species other than pea ( Pisum

sativum ). Even though KNOX1 genes control leaf development in the majority of compound-leaved

angiosperms, in pea, KNOX1 is completely excluded from the leaf primordium and its development is

regulated by LEAFY/FLORICAULA ( LFY/FLO ). This observation suggests that the development of other

tendrilled-leaves might also be exclusively regulated by LFY/FLO as well. This study investigated the

evolution and development of tendril types in Bignonieae in order to further understand how changes

in leaf morphogenesis led to current patterns of variation in tendril morphology. We further analyzed

the expression patterns of SHOOTMERISTEMLESS ( STM , KNOX1 gene), PHANTASTICA (PHAN) and

LFY/FLO during leaf development in three representatives of Bignonieae with different tendril types in

order to better understand the structure, origin and genetic basis of leaf tendrils in this plant clade. Our

results demonstrate that leaves in Bignonieae develop acropetally, as well as indicates that trifid tendrils

are ancestral in the tribe, with the evolution of other tendril types involving heterochonic shifts in the

leaf basic developmental pathway. Furthermore, transcripts of STM were detected in developing leaves,

revealing that tendrilled leaves of Bignonieae develop differently from those of pea. The anatomical

analysis revealed that tendrils are bilaterally symmetrical and present some characteristics that are similar

to leaflets, further corroborating earlier suggestions that tendrils indeed represent modified leaflets. This

observation was further reinforced by the expression pattern of PHAN (an adaxial identity gene), as PHAN

transcripts were confined to the adaxial domain of the tendril primordia in branched-tendrilled species,

in a pattern very similar to that observed in leaflet primordia. In B. callistegioides , a simple-tendrilled

species, PHAN was expressed throughout the entire tendril, indicating a certain degree of disruption in

the establishment of the adaxial domain. The differences encountered in the expression pattern of PHAN

amongst species with different tendril types indicate a possible correlation of the expression of PHAN

with tendril branching. Furthermore, it suggests an important role for PHAN in the establishment of

tendril polarity and in the rise of the various tendril types encountered in Bignonieae. In addition, the

pattern of expression of LFY/FLO in developing leaves has led us to infer that LFY/FLO may present an

important role for the separation of new organs from meristematic zones.

ÍNDICE

CAPÍTULO 2. NOT ALL TENDRILLED LEAVES ARE REGULATED EXCLUSIVELY BY

• INTRODUÇÃO GERAL
  • Regulação gênica do desenvolvimento de folhas...............................................................
  • Gavinhas: origens, desenvolvimento e regulação gênica...................................................
  • A família Bignoniaceae e a tribo Bignonieae.....................................................................
  • Referências bibliográficas...................................................................................................
• (B IGNONIACEAE , LAMIALES ) C APÍTULO 1. EVOLUTION AND DEVELOPMENT OF TENDRILS IN BIGNONIEAE
  • Resumo...............................................................................................................................
  • Manuscrito referente ao Capítulo 1....................................................................................
  • Abstract...............................................................................................................................
  • Introduction........................................................................................................................
  • Material and Methods.........................................................................................................
  • Results................................................................................................................................
  • Discussion...........................................................................................................................
  • Conclusion..........................................................................................................................
  • Literature cited....................................................................................................................
• BIGNONIEAE (BIGNONIACEAE , LAMIALES ) LEAFY/FLORICAULA : EXPRESSION PATTERNS OF STM , LFY/FLO AND PHAN IN
  • Resumo...............................................................................................................................
  • Manuscrito referente ao Capítulo 2....................................................................................
  • Abstract...............................................................................................................................
  • Introduction.........................................................................................................................
  • Material and Methods.........................................................................................................
  • Results.................................................................................................................................
  • Discussion...........................................................................................................................
  • Conclusion..........................................................................................................................
  • Literature cited....................................................................................................................
• CONCLUSÃO GERAL

S ouSa -Baena , M.S. I ntrodução geral

16

INTRODUÇÃO GERAL

O estabelecimento de correspondências entre os processos de desenvolvimento permite uma

visão mais acurada da identidade dos vários órgãos. Ao invés de simplesmente indicar uma certa

identidade morfológica em uma estrutura madura, estudos de ontogênese e de genética molecular podem

revelar quando e como estas identidades foram formadas (Gleissberg 2003). A genética molecular do

desenvolvimento tem descoberto genes regulatórios com profunda influência sobre a morfologia das

plantas, com mutantes destes genes sendo conhecidos há décadas. Por um longo tempo duvidava-se que

estes genes desempenhassem um papel importante na evolução de estructuras morfológicas no entanto,

seu papel na macroevolução já está bem estabelecido (Bachmann & Gailing 2003). De fato, a maioria

destes genes causa sérias deformações e reduzem severamente o “fitness” das plantas mutantes.

Um número considerável de biólogos têm discutido o papel dos “processos de desenvolvimento”

na determinação de padrões evolutivos e na determinação da biodiversidade de aspectos fenotípicos. O

tema principal desta discussão não é original. No entanto, a existência de novas técnicas em biologia

molecular têm permitido com que se possa alcançar resultados que não eram sequer imaginados quando

tais questões surgiram (Vergara-Silva, 2003). A “evolução do desenvolvimento”, ou “Evo-Devo”, visa o

entendimento de como a diversidade morfológica surgiu através de mudanças nos programas genéticos

de desenvolvimento (Love, 2003). A sua questão central é entender se homólogos morfológicos possuem

ou não um mesmo “repertório genético molecular” como base para seu desenvolvimento.

A evolução das interações regulatórias entre genes pode ser a base de muitas novidades evolutivas.

No entanto, ainda não sabemos como exatamente isso acontece (Tautz 2002). Os mecanismos de

desenvolvimento são bastante complexos, visto que a mesma estrutura pode ser formada por repertórios

moleculares diferentes em clados diferentes, ou que um mesmo gene pode atuar na formação de estruturas

diferentes (Endress 2003). Porém, a biologia molecular já dispõe de técnicas que são refinadas o suficiente

para que estes mecanismos possam ser melhor entendidos possibilitando assim, estudos comparativos e

reconstruções filogenéticas detalhadas e confiáveis dos processos de desenvolvimento (Sarkar & Robert

2003).

S ouSa -Baena , M.S. I ntrodução geral

17

Como a evolução do desenvolvimento é uma área comparativa do conhecimento, deve-se

considerar a idéia de homologia em detalhe durante os estudos nesta área (Cracraft 2006). O conceito de

homologia surgiu dentro da sistemática comparativa paleontológica e morfológica e permaneceu nesta

área de estudo durante os últimos 150 anos (Cracraft 2006). Em sua forma mais básica, homologia

significa equivalência de formas e é normalmente interpretada com base na similaridade de posições

ou correspondência explicada por ancestralidade comum (Williams & Humphries 2003). Segundo

Pinna (1991), homologia deve ser analisada num contexto evolutivo e é equivalente à sinapomorfia.

Cada proposta de homologia envolve dois estágios que estão associados com a criação de hipóteses e

legitimação das mesmas. A criação das hipóteses de homologia baseadas em similaridade é denominada

homologia primária, a qual pode ou não ser legitimizada posteriormente através de uma análise cladística

(Pinna 1991).

O surgimento da evolução do desenvolvimento (Love & Raff 2003; Gilbert 2003), levou a uma

reavaliação de vários conceitos clássicos dentro da biologia, como heterocronia, homeose, heterotopia,

novidade evolutiva e homoplasia, além de homologia (Muller & Wagner 1991; Li & Johnston 2000;

Cronk 2002; Baum & Donoghue 2002; Hall 2003; Rutishauser & Moline 2005; Wagner et al. 2005). Em

particular, novos dados demonstrando padrões de desenvolvimento semelhantes em organismos pouco

relacionados tornaram evidente a necessidade de uma readequação dos conceitos clássicos mencionados

acima (Laubichler & Maienschein 2003; Hall 2003; Cracraft 2005; Brigandt & Griffiths 2007; Jaramillo

& Kramer 2007; Wagner 2007). Essa readequação, levou a uma re-circunscrição de alguns desses

conceitos e acabou por facilitar a análise de dados ontogenéticos a luz das filogenias, permitindo assim

um melhor entendimento da evolução do desenvolvimento dos organismos (Raff 2000).

Regulação gênica do desenvolvimento de folhas...............................................................

A arquitetura primária das plantas é derivada do meristema apical caulinar (MAC), o qual produz

folhas, internos, e gemas axilares. Diferenças aparentemente simples na iniciação dos órgãos a partir do

meristema podem resultar em morfologias dramaticamente divergentes (Reiser et al. 2000). Ao longo

da evolução, uma variedade de folhas com formas, tamanhos e arranjos variáveis surgiram através de

S ouSa -Baena , M.S. I ntrodução geral

19

Em Eschscholzia californica , eudicotiledônea basal, o desenvolvimento foliar é também regulado

pelo gene FLORICAULA/LEAFY ( EcFLO ), além do gene KNOX1 ( EcKNOX1 ). Especula-se que o

controle redundante da dissectação da folha por diversos genes KNOX da classe 1 e pelo gene EcFLO

possa ter permitido uma subfuncionalização de aspectos específicos do controle da dissectação das folhas

(Groot et al. 2005). Assim, é possível que a presença de duas vias redundantes para a atividade da

blastozona foliar, as vias KNOX 1 e LFY/FLO , seja a condição ancestral nas eudicotiledôneas.

Outro gene regulador da morfogênese das folhas é o PHANTASTICA. Mutações neste gene

causam perda da polaridade abaxial-adaxial em folhas e órgãos florais, gerando folhas filiformes, com

características abaxiais em toda a circunferências que são morfologicamente semelhantes à gavinhas ou

espinhos (Waites & Hudson 1995). Pesquisas com plantas que possuem folhas simples sugerem que a

justaposição de células destinadas à superfície adaxial da epiderme com células da superfície abaxial seja

necessária para o desenvolvimento correto da lâmina foliar (Kim et al. 2003a, 2003b).

Em plantas com folhas simples, o gene PHAN expressa-se no primórdio foliar incipiente e em

folhas em desenvolvimento, em um padrão que é mutuamente exclusivo ao padrão de expressão dos

genes KNOX1. Já em tomate, ambos ( KNOX e PHAN ) expressam-se concomitantemente no primórdio

foliar, apresentando domínios de expressão temporal e espacialmente coincidentes, com funções que

podem ser dependentes entre si. A aquisição de uma regulação positiva entre os genes KNOX e PHAN

no primórdio foliar pode ter sido uma mudança evolutiva significativa no primórdio foliar das folhas

simples da espécie ancestral para introduzir a formação de folíolos (Kim et al. 2003b).

Os estudos da morfogênese foliar estão progredindo rapidamente no campo da genética molecular

e análise funcional. Investigações simultâneas de organismos-modelo como milho, Arabidopsis ,

Antirrhinum , ervilha e tomate podem permitir não só a montagem do “quebra-cabeças” de como as

folhas são feitas, mas também a descoberta das relações de equivalência entre diferentes partes das folhas

(Sinha 1999). O atual desafio é explorar se os mecanismos regulatórios, que controlam o desenvolvimento

da folha em espécies-modelo, são conservados em outras espécies, e como estes mecanismos evoluíram

e produzir as diversas formas atualmente existentes de folhas (Champagne & Sinha 2004).

S ouSa -Baena , M.S. I ntrodução geral

20

Gavinhas: origens, desenvolvimento e regulação gênica...................................................

Ao se falar em gavinhas, as primeiras imagens que veem a cabeça são as gavinhas de abóbora

(Cucurbitaceae) ou videira (Vitaceae), provavelmente devido ao nosso contato frequente com essas plantas

por causa do seu antigo e extensivo uso na alimentação dos seres humanos (Maynard and Maynard 2000;

Newman 2000). Contudo, gavinhas surgiram em várias famílias de angiospermas, representando um lindo

exemplo de evolução convergente (Gerrath et al. 2008). Gavinhas são estruturas definidas por sua função,

independentemente da sua origem ontogenética, representando órgãos vegetativos especializados para

escalar, que prendem a planta num suporte, enrolando-se nele. Dentre as angiospermas, estas estruturas

podem ser derivadas de folhas, ramos, inflorescências, folíolos ou estípulas (Tabela 1; Fig. 1; Putz &

Holbrook 1991).

A família Cucurbitaceae compreende muitas gêneros compostos basicamente por plantas de

hábito lianescente, incluindo diversas espécies com gavinhas (Schaefer & Renner 2011). Nesta família

as gavinhas se desenvolvem na região axilar das folhas (Fig. 1H), e várias origens ontogenéticas já foram

atribuídas a elas incluindo flores modificadas (Darwin 1875), caules modificados (Sensarma 1955), e

órgãos de origem mista, derivados de folhas e caules (Sensarma 1955). Estudos sobre a anatomia nodal

e a vascularização sugerem que as gavinhas de Cucurbitaceae podem ser divididas em duas categorias

principais (Sensarma 1955): (1) Gavinhas nos quais o suplemento vascular é inteiramente derivado do

sistema vascular da gema axilar, e (2) Gavinhas nas quais o suplemento vascular é derivado do traço

vascular da gema axilar e do traço vascular da folha. No primeiro tipo de gavinhas, a organização do

seu sistema vascular indica que estas gavinhas não podem ser consideradas folhas modificadas. Este

tipo de gavinha apresenta um anel fechado de esclerênquima, típico dos caules de Cucurbitaceae, não

representando pecíolos modificados ou a nervura principal de uma folha que não sofreu expansão da

lamina. Além disso, por causa de características do seu suplemento vascular, estas gavinhas também

não podem ser consideradas uma gema axilar com atividade modificada, sendo classificada como uma

ramificação do eixo da gema axilar. Gavinhas com esse tipo de vascularização ocorrem em Cucumis e

Cucurbita , dentre outros gêneros (Fig. 1H; veja tabela 1). No segundo caso de gavinhas, o suplemento