Desenvolvimento da semente e do fruto
Etapas do desenvolvimento da semente
Terminada a fecundação, o primórdio seminal sofre um conjunto de modificações que desemboca na formação da semente madura. O desenvolvimento da semente, embora contínuo, comporta três etapas biológicas distintas (Bewley et al.,2013): fase I, histodiferenciação (histodifferentiation); fase II, expansão celular (cellular expansion); e fase III, maturação (seed maturation).
A histodiferenciação da semente caracteriza-se por uma intensa atividade mitótica e metabólica. O peso fresco sobe rapidamente, atingindo um patamar pouco depois da transição para a fase II. Neste momento, a sensibilidade ao stress hídrico da semente em formação — e consequentemente a quebra de produtividade das culturas agrícolas dirigidas à produção de semente — é máxima. No final da histodiferenciação, estão formados os tecidos e a maior parte das células que compõem a semente madura; o embrião atingiu o estádio cordiforme (v.i.).
A taxa de divisão celular diminui bruscamente no início da fase de expansão celular (fase II). A água das células dos tecidos de reserva é progressivamente substituída por substâncias de reserva, e o efeito do défice de água no solo sobre a formação da semente reduz-se consideravelmente. Embora o peso fresco se mantenha mais ou menos constante, o peso seco sobe de forma acelerada.
Na maturação (fase III), a perda de água nas sementes ortodoxas (orthodox seeds) sofre uma brusca aceleração, o peso fresco diminui drasticamente, a atividade metabólica decai acentuadamente e a tolerância à dessecação e a temperaturas extremas atinge o seu máximo. A capacidade de germinação, i.e., a maturação fisiológica, é adquirida antes do final desta fase. À maturação fisiológica corresponde o ponto máximo de acumulação de peso seco. No final da maturação, as sementes ortodoxas entram em quiescência (quiescence) ou ficam dormentes. Recorde-se que quiescência significa «suspensão do crescimento» imposta por causas externas; é, na prática, um sinónimo de latência e de ecodormência. Nas sementes ortodoxas dormentes, o embrião é incapaz de prosseguir de imediato o seu desenvolvimento e dar origem a uma nova planta, mesmo em condições ambientais favoráveis à germinação (v. «Dormência e germinação da semente»).
As sementes recalcitrantes (recalcitrant seeds) não entram em dormência e mantêm elevados teores de água na maturação, o que as torna invariavelmente sensíveis à dessecação e a temperaturas baixas (geralmente abaixo dos 10 °C) (Vozzo, 2002). Nestes casos, a germinação pode ocorrer sem a prévia embebição em água. A maturação (fase III) não é, portanto, um estádio de desenvolvimento claramente delimitado neste tipo de sementes. Cerca de 7% das espécies de angiospérmicas produzem sementes recalcitrantes, sendo estas particularmente frequentes nas regiões tropicais e húmidas (Bewley et al., 2013). Produzem sementes recalcitrantes espécies como os Quercus (carvalhos), o castanheiro, o cacaueiro, o abacateiro, a mangueira e o coqueiro. Ao contrário das sementes ortodoxas, não podem ser conservadas congeladas e permanecem viáveis apenas durante um curto período de tempo. Por exemplo, a semente da mangueira tem de ser semeada 10 a 15 dias após a colheita do fruto; a castanha, mesmo bem conservada, mantém-se viável apenas durante 3 a 4 meses.
Embriogénese
Diferenciação do embrião
O embrião diferencia-se a partir do zigoto diploide. Os estudos de genética molecular demonstram que a diferenciação do corpo do embrião é controlada por uma elaborada rede genética que assegura uma rigorosa sequência de eventos morfogenéticos (Elhiti & Stasolla, 2013). Durante o seu desenvolvimento inicial, o embrião e o endosperma são nutridos pelo nucelo, um tecido que, na grande maioria das angiospérmicas, acaba por ser consumido e desaparecer (exceto nas sementes perispérmicas). A embriogénese prolonga-se, geralmente, até ao final da maturação (fase III) e desenrola-se em paralelo com a formação do endosperma.
O primeiro passo da embriogénese envolve uma divisão mitótica assimétrica do zigoto em duas células-filha: a célula basal (basal cell) e a célula apical (apical cell). A primeira fica voltada para o micrópilo (polo micropilar) e a segunda para a calaza (polo calazal) (Maheshwari, 1950; Figura 296-A). Logo nesta primeira divisão celular fica definida uma polaridade apical-basal irreversível que acompanhará a planta por toda a vida.
A célula basal é substancialmente maior e mais vacuolizada do que a célula apical. Nas angiospérmicas, esta célula dá origem ao suspensor, uma coluna estrutural (formada por uma ou mais células) que tem por função transferir nutrientes e reguladores de crescimento da planta-mãe para o embrião em formação. O suspensor atua mecanicamente, empurrando o embrião para o interior da cavidade onde está alojado o endosperma nutritivo; é por esta razão que o embrião surge embebido neste tecido nas sementes endospérmicas (com exceção das gramíneas). O número de células do suspensor varia de espécie para espécie. Pontualmente, a célula basal pode contribuir com algumas células para a construção do próprio embrião. Nas monocotiledóneas, a célula basal dá origem apenas à célula mais proximal do suspensor; o embrião e as restantes células do suspensor têm origem na célula apical (Bewley et al., 2013). Nos fetos e nas gimnospérmicas, o suspensor tem um metabolismo comparativamente muito menos ativo.
O corpo principal do embrião diferencia-se a partir da célula apical. Numa primeira fase, forma-se uma cadeia mais ou menos linear de células, característica do estádio de pró-embrião, que evolui em seguida para uma forma esférica de simetria radial (estádio globular), ainda sem tecidos verdadeiramente diferenciados (Figura 296-A). No final do estádio globular, ficam definidos os domínios celulares (grupos contíguos de células) que originarão os meristemas radicular e apical, bem como os cotilédones (Bewley et al., 2013).
Nas plantas com dois cotilédones, o embrião assume então a forma de um coração estilizado com simetria bilateral (estádio cordiforme), marcando o prenúncio da diferenciação anatómica dos dois cotilédones (Figura 296-B). Nas monocotiledóneas, o embrião progride para uma forma cilíndrica (embrião cilíndrico), uma vez que dispõe de apenas um cotilédone para diferenciar (Maheshwari, 1950). Os embriões nos estádios cordiforme ou cilíndrico dispõem já de tecidos meristemáticos especializados, concretamente, o meristema apical do caule e o meristema apical radicular.
Mais para o final da embriogénese (estádio de torpedo), o embrião alonga-se significativamente, completa-se a diferenciação anatómica dos meristemas primários e as células do suspensor degeneram naturalmente (por morte celular programada ou pela simples compressão física exercida pelo embrião em crescimento). Nas sementes cotiledonares, é nesta fase que se desenrola o grosso da transferência de reservas nutritivas do endosperma para os cotilédones. A diferenciação culmina no estádio cotiledonar, onde o embrião apresenta todos os seus órgãos morfológicos perfeitamente diferenciados e os tecidos vasculares provisórios bem nítidos. A embriogénese termina, o embrião perde água e, no caso das sementes ortodoxas, a semente entra em quiescência ou dormência. O embrião está maduro.
Diferenciação do endosperma
Numa fase inicial, o endosperma cresce a uma taxa superior à do embrião. Nas plantas com endosperma nuclear (nuclear endosperm), o tipo dominante nas angiospérmicas, o crescimento deste tecido de reserva faz-se, em grande parte, através do aumento do volume de células que acumulam vários núcleos sem que ocorra citocinese (células cenocíticas). A taxa de crescimento volumétrico da semente decai no momento em que ocorre a celularização destes núcleos livres (Sundaresan, 2005). No endosperma celular (cellular endosperm), as células são uninucleadas e individualizadas desde o primeiro momento (e.g., Magnolia e em várias monocotiledóneas). As gimnospérmicas possuem também um endosperma de base celular (Taylor et al., 2009).
Nas angiospérmicas, o endosperma pode permanecer na semente madura (originando sementes albuminosas) ou ser totalmente reabsorvido (originando sementes exalbuminosas). Em regra, as monocotiledóneas são albuminosas (pontualmente perispérmicas), enquanto as "dicotiledóneas" são exalbuminosas, embora existam exceções a esta tendência (v. «Estrutura da semente»). A formação de cotilédones de grande dimensão e com abundantes reservas faz-se, em grande parte, à custa da desmobilização das reservas acumuladas inicialmente no endosperma. Como foi referido na primeira parte desta obra, as sementes cotiledonares tendem a germinar mais rapidamente do que as sementes albuminosas porque a via de transferência das suas reservas para o eixo embrionário é mais direta e rápida. Esta vantagem fisiológica é suficiente para explicar a evolução independente das sementes cotiledonares em múltiplas linhagens de plantas com flor.
Diferenciação do tegumento
Recorde-se que os tegumentos do primórdio seminal dão origem ao episperma, i.e., à «casca» protetora que envolve a semente (v. «Episperma»). O episperma das angiospérmicas pode apresentar um ou dois tegumentos (cada qual com uma ou mais camadas de células), consoante o primórdio seminal original seja unitegumentado ou bitegumentado. O tegumento acompanha ativamente o crescimento em volume da semente. A maturação anatómica e o endurecimento (esclerificação) do tegumento decorrem em simultâneo com a maturação das restantes partes funcionais da semente.
Tamanho da semente
O tamanho da semente das angiospérmicas está fortemente correlacionado com o volume de reservas acumulado, quer sob a forma de endosperma (nas sementes albuminosas), quer nos cotilédones (nas sementes exalbuminosas) (Sundaresan,2005). As sementes muito grandes têm, por norma, abundantes tecidos de reserva.
Com até 30 cm de comprimento e 25 kg de peso, o coco-do-mar (Lodoicea maldivica, Arecaceae), uma palmeira endémica do litoral das Ilhas Seicheles, no Oceano Índico, detém o recorde da maior semente do mundo (Figura 297). No extremo oposto do espetro evolutivo encontram-se as orquídeas, cujas sementes medem apenas entre 0,2 e 0,8 mm. As sementes das orquídeas são desprovidas de reservas energéticas e dependem estritamente da infeção e cooperação com fungos simbióticos (micorrizas) para germinar (Harper et al., 1970; Eriksson & Kainulainen, 2011).
O tamanho da semente é um caracter funcional intensamente estudado em ecologia. As sementes tendem a ser maiores nas zonas tropicais e em plantas que, pelo menos numa fase inicial do seu ciclo de vida, crescem em habitats sombrios (Moles et al., 2007). A explicação ecofisiológica mais plausível é a seguinte: como as florestas tropicais equatoriais e de monção são hiperdiversas e caracterizadas por um sub-bosque sombrio, as plântulas atingem a autossuficiência fotossintética de forma tardia; portanto, para se estabelecerem e crescerem em altura à procura de luz, necessitam de um "capital" energético inicial abundante fornecido pela semente. Por outro lado, sementes grandes requerem animais grandes para a sua dispersão e, nas florestas tropicais, os frugívoros dispersores são tipicamente maiores do que nas regiões extratropicais. Uma semente de grande calibre pode também funcionar como um mecanismo de saciação: fornece alimento suficiente aos insetos fitófagos e, ainda assim, retém energia sobrante no cotilédone para germinar e viabilizar a plântula, como ocorre em várias espécies de carvalhos (Quercus, Fagaceae) (Yi & Yang, 2010).
As áreas tropicais abertas (savana) e as regiões mediterrânicas, com uma estação seca bem marcada, são ecossistemas propícios à evolução de leguminosas e gramíneas de sementes relativamente grandes. Nestas ecologias, mal caem as primeiras chuvas, é vantajoso investir em plântulas de crescimento explosivo, construídas a partir de reservas abundantes, que ocupem rapidamente o espaço disponível. Alguns dos cereais (e.g., trigo, centeio e cevada) e das leguminosas (e.g.,ervilha, lentilha e fava) mais cultivados no planeta têm a sua origem evolutiva numa destas regiões — o Sudoeste da Ásia (o Crescente Fértil). O elevado potencial agroeconómico destas espécies tem uma clara explicação evolutivo-climática, o que, por sua vez, determinou o surgimento das primeiras civilizações agrícolas no Sudoeste Asiático. Trata-se, no fundo, de um determinismo ecológico e botânico da própria história da humanidade (cf. Diamond, 1997).
Em contraste, as sementes pequenas estão muito mais sujeitas à contingência estocástica de encontrar um microssítio seguro para germinar. Em contrapartida, são produzidas em quantidades massivas (existe nas plantas um marcado trade-off alocativo entre o número de sementes por indivíduo e a dimensão individual da semente) e o vento transporta-as com enorme facilidade, frequentemente a longas distâncias (Harper et al., 1970).
Diferenciação do fruto
Fases da formação do fruto
A diferenciação do fruto depende de estímulos cuja fisiologia ainda é parcialmente mal compreendida, produzidos durante a germinação do pólen, o crescimento do tubo polínico ou, mais frequentemente, durante ou logo após a fecundação (Gillaspy et al., 1992). A conversão do ovário em fruto evidencia-se precocemente por um intumescimento visível dos tecidos carpelares. Regra geral, as flores não fecundadas abortam: o ovário para de crescer, a flor senesce e acaba por se desprender (abcisão) e cair ao solo.
A transição efetiva da flor para o fruto em desenvolvimento designa-se por vingamento (fruit set). Muitas espécies experimentam uma acentuada queda natural de flores não fecundadas durante o período de vingamento. De facto, as plantas produzem invariavelmente mais flores do que o número de frutos que conseguem suportar fisiologicamente, essencialmente por duas razões: (i) quanto maior for o número de flores (floral display), mais atraente é a planta para os polinizadores animais; e (ii) a manutenção de uma margem de segurança amortece os impactos negativos no sucesso reprodutivo resultantes de eventuais acidentes durante a ântese e a fecundação (e.g., tempo frio ou herbivoria). Na prática agronómica, para avaliar a taxa de vingamento logo após a queda das pétalas, seccionam-se longitudinalmente várias flores: os ovários apresentam-se verdes e intumescidos nas flores fecundadas, mas escurecidos (necrosados) nas flores abortadas.
Pouco depois da iniciação do fruto, quantidades massivas de fotoassimilados e nutrientes são desviadas (translocadas) em direção à semente e ao pericarpo nascente, que passam a atuar como os principais "rabanos" (sinks) metabólicos da planta. Logicamente, quanto maior for a carga de frutos, mais deprimido será o crescimento vegetativo da planta nesse ciclo.
Distinguem-se tipicamente três fases fisiológicas na formação do fruto (Monselise, 1986):
- Fase I (Multiplicação): Caracterizada por uma intensa proliferação mitótica (divisão celular).
- Fase II (Crescimento): A divisão celular abranda drasticamente, passando o crescimento a ocorrer pelo aumento acentuado do volume individual das células (expansão celular impulsionada por pressão de turgescência).
- Fase III (Maturação): A expansão celular cessa e ocorrem profundas alterações estruturais e bioquímicas no fruto (mudança de cor, degradação de ácidos, síntese de açúcares e compostos aromáticos).
A duração e a dinâmica destas três fases variam de espécie para espécie, e mesmo entre cultivares. No tomate, por exemplo, a fase I dura em média 7 a 10 dias, e a fase II cerca de 6 a 7 semanas (Varga & Bruinsma, 1986). Nas prunoideas — fruteiras da subfamília Prunoideae (Rosaceae) —, a lenhificação do endocarpo (o endurecimento do caroço) ocorre na transição entre as fases I e II, verificando-se nessa altura um acentuado abrandamento temporário na curva de crescimento do fruto (Augustí, 2010). É durante a fase II que o embrião geralmente evolui do estádio globular até ao estádio de torpedo.
As dimensões finais do fruto dependem de múltiplos fatores. Quanto mais células contiver o ovário e mais intensa for a divisão celular na fase I, maior será o potencial de calibre do fruto (fatores com forte controlo genético). Subsequentemente, quanto maior for o número de sementes viáveis e maior a superfície foliar (relação fonte-dreno) disponível por fruto, mais fotoassimilados este conseguirá capturar para expandir as suas células na fase II. Por conseguinte, polinizações deficientes (baixo número de sementes) resultam frequentemente em vingamentos fracos e em frutos pequenos, assimétricos ou deformados. Uma vez que, para a mesma superfície foliar, o calibre dos frutos é inversamente proporcional à carga instalada, muitas culturas exigem a prática de monda (remoção manual ou química de flores/frutos nascentes) ou de podas de frutificação para assegurar calibres de elevado valor comercial.
Na fase III, os frutos carnudos acumulam grandes quantidades de açúcares, reduzem a sua acidez e alteram a sua pigmentação (degradação da clorofila e síntese de carotenoides/antocianinas); os frutos secos, por seu turno, perdem água e os seus tecidos senescem e endurecem. O amadurecimento é tipicamente desencadeado após as sementes atingirem a maturação fisiológica (Gillaspy et al., 1992). Trata-se de um processo bioquímico substancialmente distinto da senescência foliar, pois envolve a conversão ativa de metabolitos (e.g., amido em açúcares simples) e não apenas a sua desmobilização. Os frutos maduros destacam-se frequentemente da planta-mãe através da formação de uma zona de abcisão na base do pedúnculo. O desenvolvimento e a maturação são orquestrados por uma complexa rede de sinalização hormonal — com o etileno a assumir o papel de "hormona do amadurecimento" —, temática amplamente detalhada nos compêndios de fisiologia vegetal.
Do ponto de vista da fisiologia pós-colheita, os frutos dividem-se em dois grandes grupos fisiológicos. Os frutos climatéricos (e.g., maçã, pera, pêssego, diospiro, tomate, abacate, banana e quivi) apresentam um pico autocatalítico de produção de etileno e um aumento abrupto da taxa respiratória durante a maturação. Esta característica permite que sejam colhidos no estádio de desenvolvimento prévio à "maturação fisiológica" (antes do pico de etileno, frequentemente ainda duros e sem as características organoléticas finais) e amadureçam posteriormente em conservação ou armazenamento sob atmosfera controlada. O abacate, aliás, não completa o seu amadurecimento enquanto estiver ligado à árvore. Já os frutos não climatéricos (e.g., uva, morango, cereja, citrinos, ananás, melancia e a maioria das abóboras) não apresentam este pico respiratório e não aumentam os seus teores de açúcar depois de destacados da planta-mãe. Consequentemente, a sua colheita exige a avaliação de índices de maturação na própria planta (e.g., de sólidos solúveis, senescência de gavinhas adjacentes ou alterações da cor), sob pena de chegar ao consumidor ácidos ou imaturo.
Partenocarpia
Os frutos sem semente formam-se primordialmente através de dois mecanismos botânicos: (i) partenocarpia ou (ii) estenospermia (Varoquaux et al., 2000). Na partenocarpia, o fruto diferencia-se sem que haja qualquer fecundação, como acontece no ananás, na bananeira e em diversas cultivares de citrinos (e.g., laranjeira 'Baía'). Na viticultura, os pequenos bagos verdes e sem semente (fenómeno designado por "bagoinha") tão frequentes em alguns cachos maduros são igualmente de origem partenocárpica (Magalhães, 2008). Algumas espécies requerem o estímulo físico ou químico do pólen no estigma para iniciar o desenvolvimento do fruto, mesmo sem fecundação (partenocarpia estimulada); outras dispensam totalmente estímulos externos (partenocarpia autónoma).
A estenospermia, por seu turno, exige a fecundação efetiva do primórdio seminal, mas o desenvolvimento embrionário é subsequentemente abortado numa fase precoce. Este fenómeno é o responsável pela ausência de sementes duras em certas cultivares de melancia e de videira (e.g., uva 'Sultanina'). Na prática comercial, é difícil distinguir visualmente a estenospermia da partenocarpia. Além da forte componente genética, ambos os fenómenos são frequentemente promovidos por stresses ambientais (temperaturas e humidades extremas). A indução agronómica da partenocarpia s.l. —através da aplicação exógena de fitorreguladores (e.g., auxinas) ou de melhoramento genético — tem sido amplamente utilizada para garantir a produtividade em condições climáticas adversas à polinização (como ocorre na produção de tomate de estufa em climas frios). A ausência de sementes acrescenta valor comercial ao fruto, facilita o processamento industrial e, em certas culturas como a beringela, retarda a senescência e prolonga o tempo de prateleira (shelf life) (Knapp et al., 2017).
Frutificação sincrónica, em massa e alternante
A concentração espacial e temporal da maturação de diásporos numa janela extremamente curta — a frutificação sincrónica (synchronous fruiting) — confere à planta uma vantagem evolutiva inegável: a rápida saciação das populações locais de herbívoros, o que maximiza a proporção de sementes que escapam à predação (Kelly & Sork, 2002). Muitas gramíneas pratenses adotam esta estratégia, frutificando de forma explosiva ao mesmo tempo que a palatabilidade e o valor nutritivo da sua biomassa vegetativa colapsam. Os predadores veem-se inundados com uma superabundância instantânea de alimento, ultrapassando a sua capacidade de consumo.
Quando esta produção simultânea e massiva de frutos ocorre de forma episódica, com intervalos interanuais imprevisíveis (de 1 a vários anos de intervalo), o fenómeno é designado na ecologia florestal por frutificação em massa (mast fruiting) (Herrera et al., 1998; Kelly & Sork, 2002). Os ciclos de 1 a 13 anos observados nas Dipterocarpaceae das florestas do Sudeste Asiático constituem um dos casos de estudo mais célebres na literatura (Sun et al., 2007). Nas latitudes temperadas, o masting é o padrão reprodutivo natural dos pinheiros (Pinus) e dos carvalhos (Quercus). A explicação evolutiva para a frutificação sincrónica e para o masting é idêntica: ambas assentam na hipótese de saciação dos predadores (predator satiation hypothesis) (Kelly & Sork, 2002).
O conceito agronómico de alternância de produção (safra e contrassafra; alternate bearing) é o equivalente domesticado da frutificação em massa ecológica. Enquanto na natureza a irregularidade interanual é uma estratégia vital de sobrevivência e fuga aos predadores, na agricultura as fortes flutuações de produtividade são indesejáveis. A domesticação e o melhoramento selecionaram árvores com tendência para uma frutificação mais regular e anual. A alternância de produção observada hoje nos pomares é, portanto, uma manifestação vestigial e mitigada dessa biologia ancestral (Goldschmidt, 2013). Para atenuar os ciclos bienais (comuns na oliveira e na macieira), a agricultura moderna recorre à monda criteriosa, podas corretivas e fitorreguladores.
Os mecanismos fisiológicos que controlam o masting e a alternância continuam sob intenso debate. O modelo clássico assenta na exaustão de recursos: uma supersafra esgota os hidratos de carbono da árvore, inibindo a diferenciação floral no ano seguinte até que as reservas sejam reconstituídas (Prasad & Sakai, 2015). Outro vetor de inibição é estrutural e hormonal. Na oliveira, por exemplo, o elevado consumo de recursos pelos frutos na "safra" limita severamente o crescimento dos novos lançamentos vegetativos; havendo ramos mais curtos, existirão estruturalmente menos gomos disponíveis para diferenciar flores para o ano seguinte (Rodrigues & Arrobas, 2010). Sabe-se ainda que as sementes em desenvolvimento nos frutos produzem níveis elevados de giberelinas, hormonas que transitam para os gomos adjacentes e inibem ativamente a indução floral da campanha vindoura. Assim, os mecanismos subjacentes são múltiplos, envolvendo interações complexas entre balanços de carbono, arquitetura da copa, constrangimentos ambientais e sinalização endógena, não havendo um mecanismo fisiológico universal (Goldschmidt, 2005; Pearse et al., 2016).