Ocorrência e evolução da fitomelanina em caules aéreos de Vernonieae e análise dos mecanismos celulares envolvidos em sua síntese

Abstract

A melanina é um pigmento escuro resistente e que pode ser encontrado em tecidos animais, vegetais e fúngicos. Quando encontrada em tecidos vegetais é chamada de fitomelanina. A fitomelanina é comumente descrita em sementes das Asparagales, em cipselas de algumas Asteraceae e recentemente foi relatada em caules aéreos de espécies de Lychnophorinae (Vernonieae ? Asteraceae). O pigmento está relacionado à proteção contra invasões fúngicas e, ou, microbianas, contra herbivoria, alta radiação solar e dessecação. Os estudos relacionados à presença do pigmento em sementes e frutos vêm demonstrando a grande importância da fitomelanina nos estudos taxonônimos e evolutivos em Asparagales e Asteraceae. Em Asparagales, por exemplo, a ocorrência do pigmento no envoltório da semente é considerada uma sinapomorfia para a ordem. Nas Asteraceae, a ocorrência do pigmento no pericarpo da cipsela é considerada diagnóstica para certas tribos, que compõem a ?aliança da fitomelanina?. A partir da premissa de que espécies da tribo Vernonieae apresentam fitomelanina em tecidos caulinares, este estudo pretendeu entender a evolução desse pigmento em caules aéreos de Vernonieae, investigando espécies pertencentes às principais linhagens da tribo. Além disso, pouco se sabe sobre a formação desse pigmento, já que há poucos estudos relacionados à temática, especialmente aos mecanismos celulares envolvidos com a síntese e liberação do pigmento nos tecidos. Assim, com o intuito de entender quais células e quais mecanismos celulares estariam envolvidos com a síntese da fitomelanina em caules aéreos de Vernonieae, foi realizado um estudo ontogenético, estrutural e subcelular de caules da espécie Piptocarpha axillaris (Less.) Baker. Para isso, utilizaram-se metodologias usuais em anatomia vegetal e em microscopia eletrônica de transmissão. Para o entendimento da evolução da ocorrência do pigmento na tribo Vernonieae, além de análises usuais em anatomia vegetal, foi realizada a reconstrução dos estados ancestrais dos caracteres de ocorrência de fitomelanina, por máxima verossimilhança, utilizando-se uma hipótese filogenética recente de Vernonieae, baseada em dados morfológicos e moleculares. Na caracterização da ocorrência de fitomelanina em caules aéreos de Vernonieae, a presença de fitomelanina foi observada nos espaços intercelulares de esclereídes com diferentes graus de espessamento, mas mais frequente em esclereídes espessadas. Pode-se observar uma maior frequência do pigmento na medula, no floema secundário e no córtex, respectivamente. As reconstruções dos estados ancestrais dos caracteres sugerem que provavelmente o ancestral comum mais recente da tribo Vernonieae apresentava fitomelanina na região do córtex, no floema secundário e na medula. Nas demais regiões e, ou tecidos do caule, o pigmento teria surgido ao longo da evolução da tribo. Já as análises dos caules da espécie P. axillaris possibilitam observar que a polimerização da fitomelanina pode ocorrer simultâneamente ou após a esclerificação e que essa deposição aumenta de acordo com o espessamento caulinar. A partir das análises subcelulares sugerimos a participação de compostos fenólicos formados em plastídeos como importantes precursores da fitomelanina, pois foi possível observar ampla frequência de compostos eletrondensos nessas organelas. Também sugerimos a participação de material provindo do retículo endoplasmático rugoso e de ribossomos livres como precursores da fitomelanina. Foi descrito o processo de síntese, secreção e transporte de material eletrondenso até o espaço intercelular, onde o pigmento é polimerizado.<br>

Abstract : Melanin is a dark, tough pigment that can be found in animal, vegetable and fungal tissues. When found in plant tissues is called phytomelanin. Phytomelanin is commonly described in Asparagales seeds, in cypselas of some Asteraceae, and has recently been reported in aerial stems of Lychnophorinae (Vernonieae - Asteraceae) species. The pigment is related to protection against fungal and microbial invasions, against herbivory, high solar radiation and desiccation. Studies related to the presence of pigment in seeds and fruits have demonstrated the great importance of phytomelanin in the taxonomic and evolutionary studies in Asparagales and Asteraceae. In Asparagales, for example, the occurrence of the pigment in the seed envelope is considered a synapomorphy for the order. In the Asteraceae, the occurrence of the pigment in the pericarp of the cypsela is considered diagnostic for certain tribes, which make up the \"phytomelanin alliance\". From the premise that species of the Vernonieae tribe present phytomelanin in cauline tissues, this study aimed to understand the evolution of this pigment in aerial stems of Vernonieae, investigating species belonging to the main lineages of the tribe. Moreover, little is known about the formation of this pigment, since there are few studies related to the subject, especially the cellular mechanisms involved with the synthesis and release of the pigment in the tissues. Thus, in order to understand which cells and which cellular mechanisms would be involved in the synthesis of phytomelanin in aerial stems of Vernonieae, an ontogenetic, structural and subcellular study of stems of the species Piptocarpha axillaris (Less.) Baker was carried out. For this, we used usual methodologies in plant anatomy and in transmission electron microscopy. In order to understand the evolution of the pigment occurrence in the Vernonieae tribe, in addition to the usual analyzes in plant anatomy, the ancestral states of the phytomelanin occurrence characters were reconstructed by maximum likelihood using a recent phylogenetic hypothesis of Vernonieae based in morphological and molecular data. In the characterization of the phytomelanin occurrence in aerial stems of Vernonieae, phytomelanin presence was observed in the intercellular spaces of sclereids with different degrees of thickening, but more frequent in thickened sclereids. It can be observed a higher frequency of pigment in the medulla, in the secondary phloem and cortex respectively. Reconstructions of the ancestral states of the characters suggest that probably the most recent common ancestor of the Vernonieae tribe presented phytomelanin in the cortex, the secondary phloem, and the marrow. In the other regions and, or tissues of the stem, the pigment would have appeared throughout the evolution of the tribe. On the other hand, the analysis of P. axillaris stems makes it possible to observe that the polymerization of phytomelanin can occur simultaneously or after sclerification and that this deposition increases according to the thickening of the stem. From the subcellular analyzes we suggest the participation of phenolic compounds formed in plastids as the main precursors of phytomelanin, since it was possible to observe a wide frequency of electron-dense compounds in these organelles. We also suggest the participation of material coming from the rough 18 endoplasmic reticulum and free ribosomes as precursors of phytomelanin. It was described the process of synthesis, secretion and transport of electrodependent material to the intercellular space, where the pigment is polymerized.