Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Departamento de Botânica, Programa de Pós-Graduação em Botânica, 2012. / Submitted by Alaíde Gonçalves dos Santos (alaide@unb.br) on 2013-01-28T10:54:52Z No. of bitstreams: 1 2012_IzabellySaraivaSant’Ana.pdf: 4648030 bytes, checksum: c1587773e250a72ce5349091135d8e7c (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2013-02-07T12:34:37Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2012_IzabellySaraivaSant’Ana.pdf: 4648030 bytes, checksum: c1587773e250a72ce5349091135d8e7c (MD5) / Made available in DSpace on 2013-02-07T12:34:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2012_IzabellySaraivaSant’Ana.pdf: 4648030 bytes, checksum: c1587773e250a72ce5349091135d8e7c (MD5) / Hemiparasitas aéreas estabelecem conexões vasculares com suas plantas hospedeiras por meio do haustório para obter água e nutrientes minerais. Entre os nutrientes, nitrogênio (N) foi sugerido o mais limitante para o desenvolvimento dessas plantas. Os objetivos desse estudo foram (1) analisar estruturalmente a conexão do haustório secundário da hemiparasita Phthirusa ovata em ramos da hospedeira, (2) verificar as respostas fisiológicas da hemiparasita crescendo em uma hospedeira fixadora de N e outra não-fixadora e (3) as implicações do parasitismo nas respostas fisiológicas das duas hospedeiras. Para o estudo anatômico, foram coletadas raízes epicorticais e haustórios secundários de P. ovata crescendo em galhos de Dalbergia miscolobium. O estudo das respostas fisiológicas foi realizado na Reserva Ecológica do IBGE, em Brasília-DF, onde foram selecionados indivíduos de P. ovata na hospedeira fixadora de N, D. miscolobium, e não-fixadora, Byrsonima verbascifolia, e indivíduos parasitados e não-parasitados dessas hospedeiras. Foram medidos diversos parâmetros fisiológicos e a concentração foliar de macro (N, P, K, Ca, Mg e S) e micronutrientes (Zn, Fe, Mn, Cu e B). Nas secções anatômicas, observou-se que a penetração do haustório ocorreu pelas lenticelas da casca da hospedeira. Sugere-se que lenticelas e fissuras na casca da hospedeira facilitariam a penetração. Estruturalmente, se destacam grupos de braquiesclereídes com cristais prismáticos (sendo que os periféricos são células cristarque) e ocasionalmente, cristais no tecido parenquimático que podem ser caracteres distintivos da espécie. Na interface parasita-hospedeira, há células parenquimáticas comuns e células sugadoras de P. ovata em contato com o xilema secundário da hospedeira. Nessa região parasitada, houve a formação de tilos nos elementos de vaso e acúmulo de compostos fenólicos nas células do parênquima que são mecanismos de defesa da hospedeira a esta infestação parasítica. Dessa maneira, esse estudo mostrou que a conexão estabelecida por P. ovata não é xilema-xilema, mas envolve células parenquimáticas na interface. Quanto às respostas fisiológicas, P. ovata apresentou maior conteúdo de N foliar, clorofila a, clorofila total, carotenóides, maior taxa fotossintética e condutância estomática na hospedeira fixadora de N, indicando respostas positivas dessa hemiparasita a maior disponibilidade de N. O parasitismo de P. ovata afetou a eficiência intrínseca do uso da água e taxa de assimilação de CO2 da hospedeira D. miscolobium na estação seca, sem efeitos aparentes na estação chuvosa. Por outro lado, a presença da hemiparasita levou a uma redução no conteúdo de potássio foliar, razão clorofila total/carotenóides, taxa de assimilação de CO2 e condutância estomática de B. verbascifolia na estação chuvosa e do quenching não-fotoquímico relacionado à fotoproteção ((I)(NPQ) na estação seca. Esses resultados indicam que as hospedeiras foram diferentemente afetadas pela presença da hemiparasita, tendo maiores implicações em B. verbascifolia. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT / Mistletoes establish vascular connections with their host plants through the haustorium to acquire water and mineral nutrients. Nitrogen (N) has been suggested as the most limiting nutrient to the development of those hemiparasites. The objectives of this study were (1) to analyze structurally the connection that is established between the secondary haustorium of the mistletoe Phthirusa ovata and branches of the host plant; (2) check the mistletoe's physiological responses on a N-fixing and a non-fixing host and (3) the implications of the parasitism in the physiological responses of those two hosts. For the anatomical study epicortical roots and secondary haustoria of P. ovata were collected from plants attached to Dalbergia miscolobium's branches. The study of physiological responses was conducted at the IBGE Ecological Reserve, Brasilia-DF. P. ovata individuals on N-fixing (D. miscolobium), and non-fixing (Byrsonima verbascifolia) hosts, and parasitized and non-parasitized individuals of these hosts were sampled. Various physiological parameters were measured and leaf concentrations of macro (N,P, K, Ca, Mg and S) and micronutrients (Zn, Fe, Mn, Cu and B) were determined. In anatomical sections, it was observed that the haustorium penetrated the host through the bark lenticels. It is suggested that lenticels and fissures in the host bark would therefore facilitate penetration. Structurally, groups of brachysclereids with prismatic crystals stand up (peripheral ones are cristarque cells) and occasionally crystals were found in the haustorium parenchyma; they may be distinctive characters for this species. In the host-parasite interface, parenchymatic cells and sucker cells of P. ovata were in contact with the host's secondary xylem. In this parasitized region, there were formation of tylose in the vessel elements and accumulation of phenolic compounds in the parenchyma cells, which could be considered as host defense mechanisms against this parasitic infestation. Thus, this study showed that P. ovata does not establish a direct xylem-xylem connection with the host plant. An interface of parenchymatic cells of P. ovata is formed between the xylem of the hemiparasite and the xylem of the host. Regarding the physiological responses, P. ovata showed higher leaf concentrations of nitrogen, chlorophyll a, total chlorophyll, carotenoids, higher photosynthetic rate and stomatal conductance in the N-fixing host, indicating positive responses of this mistletoe to increased N availability. The parasitism by P. ovata negatively affected intrinsic water-use efficiency and CO2 assimilation rates of D. miscolobium host in the dry season, without apparent effects in wet season. In contrast, the mistletoe's presence led to a reduction in leaf concentrations of potassium, total chlorophyll / carotenoid ratios, CO2 assimilation rates and stomatal conductance of B. verbascifolia in the wet season and in non-photochemical quenching related to photoprotection ((I)NPQ) in the dry season. These results indicate that hosts were differently affected by the mistletoe presence, with major implications to B. verbascifolia.

O gênero Phoradendron é um dos mais diversos entre as plantas parasitas, agrupando cerca de 230 espécies, que apresentam grande variedade quanto à morfologia e padrões de infestação. A presente dissertação comparou os padrões de infestação de duas espécies de Phoradendron parasitando diferentes hospedeiras: Tapirira guianensis e Cedrela fissilis, além de analisar os efeitos causados por tais parasitas na funcionalidade e na anatomia da madeira destas hospedeiras. Foram realizadas análises tradicionais de anatomia da madeira, análises de microtomografia e experimentos de anatomia funcional com infiltração de corante através da madeira da hospedeira. Os resultados mostraram que, enquanto P. crassifolium forma uma galha concisa sobre os ramos de T. guianensis, Phoradendron sp. é mais agressivo ao espalhar seu sistema endofítico através da madeira de C. fissilis, causando maiores rupturas dos tecidos xilemático e floemático da hospedeira. Sugere-se que tais rupturas poderiam levar a uma alteração local do balanço auxina/citocinina e à liberação de etileno. Esta hipótese é reforçada pelas alterações anatômicas observadas em ambos os casos na interface parasita-hospedeira, tais como hiperplasia e/ou hipertrofia, maior densidade de vasos, alterações no agrupamento dos vasos e redução da espessura da parede celular das fibras. P. crassifolium também provocou severo aumento da densidade de vasos embolisados na madeira de T. guianensis, aumentando também a densidade de vasos e o tamanho de raios, além de reduzir o diâmetro transversal dos vasos e a espessura da parede celular de fibras. Tais efeitos também podem estar relacionados às altas taxas de transpiração e aos potenciais hídricos extremamente baixos apresentados por plantas parasitas, o que pode culminar no aumento da transpiração total da hospedeira, elevando a formação de embolismos, causando estresse hídrico e consequente baixa pressão de turgor nas células derivadas do câmbio. Conclui-se que cada uma das espécies de parasita aqui analisada estabeleceu uma relação única com sua hospedeira, formando diferentes padrões de infestação e alterando de modo particular a xilogênese da hospedeira / Phoradendron is one of the most diverse genera among parasitic plants, comprising ca. 230 species and showing a great variety of morphologies and infestation patterns. The present work compared the infestation patterns of two Phoradendron species on different hosts: Tapirira guianensis and Cedrela fissilis, and also analyzed their effects on the hosts\' functionality and wood anatomy. Traditional wood anatomy procedures were used, along with the technique of microtomography analysis and functional anatomy experiments using a dye ascent through host wood. Results showed that while P. crassifolium forms a defined gall in branches of T. guianensis, Phoradendron sp. is more aggressive when spreading its endophytic tissue trough the wood of C. fissilis, causing major disruptions on both xylem and phloem tissues of the host. Such disruptions could lead to a local change of the auxin/cytokinin balance and probably ethylene liberation. This hypothesis is reinforced by the anatomical alterations observed in both cases at the host-parasite interface, such as hyperplasia and/or hypertrophy, higher vessel density, alterations of vessel grouping and thin cell-walled fibres. P. crassifolium also provoked a severe increase in embolism density on the wood of T. guianensis, along with increases on vessel density and ray size, besides reductions in vessel lumen diameter and fibre cell-wall thickness. These effects could also be related to the high transpiration rates and extremely low water potential presented by parasitic plants, which may increase the host\'s total transpiration, enhancing embolism formation, causing water stress and consequent low turgor in differentiating cambium derivates. In conclusion, each parasitic plant species analyzed established a unique relationship with its host, forming different infestation patterns and differently altering its host xylogenesis

A conexão hidráulica entre plantas parasitas e suas hospedeiras representa a formação de um sistema hidráulicos híbrido. Além disso, plantas parasitas apresentam condutâncias estomáticas muito elevadas e potenciais hídricos mais extremos do que suas hospedeiras. Por estes motivos, estas associações representam ao mesmo tempo um desafio técnico de fusão funcional de dois sistemas complexos, e uma fonte de stress e sobrecarga para as hospedeiras, que tem sua copa competindo com plantas em regime de balanço hídrico muito díspar. Os objetivos deste trabalho foram analisar forma e função da conexão entre Psittacanthus robustus e Vochysia thyrsoidea, de maneira interdisciplinar entre a anatomia da madeira e arquitetura hidráulica, para testar hipóteses relacionadas a estrutura da conexão, mudanças associadas a formação do sistema híbrido e influências da sobrecarga sobre as propriedades das hospedeiras. A estrutura da conexão foi avaliada revelando novidades. A interpretação dos tecidos que formam os haustórios foi revisada, foram descritas modificações nas duas espécies relacionadas à conexão e descobriu-se uma nova estrutura nos haustórios, para a qual se propôs uma hipótese funcional. Os galhos parasitados apresentaram potenciais hídricos mais baixos, no entanto são mais eficientes no transporte de seiva. Isto se relaciona a alterações morfoanatômicas que condicionam redução da resistência ao fluxo: maior contato entre vasos, paredes intervasculares e membranas de pontoações mais delgadas. Discute-se a reação das hospedeiras no contexto de respostas ao stress hídrico / The hydraulic connection between parasitic plants and their hosts represents the formation of a hybrid hydraulic system. Besides, parasitic plants show high stomata conductance and more extreme water potentials. Because of it, these associations represent both a technical challenge for the fusion of two complex systems in a function unit, and a source of stress and overload for the hosts. The aim of this work was to analyze form and function of the connection between Psittacanthus robustus and Vochysia thyrsoidea, to test hypothesis related to connection structure, changes associated to the formation of the hybrid system and influence of the overload on the host´s properties. The interpretation of haustoria tissues was reviewed, modifications on both the species were described and a new structure was discovered in the haustoria, to which we proposed a functional hypothesis. Parasitized branches have lower water potentials, but are more efficient in sap conduction. This correlates to morphoanatomical modifications related to reduction in xylem resistance: more intervessel contacts and thinner intervascular walls and pit membranes. The reactions observed on the hosts are discussed in light of water stress responses

O gênero Phoradendron é um dos mais diversos entre as plantas parasitas, agrupando cerca de 230 espécies, que apresentam grande variedade quanto à morfologia e padrões de infestação. A presente dissertação comparou os padrões de infestação de duas espécies de Phoradendron parasitando diferentes hospedeiras: Tapirira guianensis e Cedrela fissilis, além de analisar os efeitos causados por tais parasitas na funcionalidade e na anatomia da madeira destas hospedeiras. Foram realizadas análises tradicionais de anatomia da madeira, análises de microtomografia e experimentos de anatomia funcional com infiltração de corante através da madeira da hospedeira. Os resultados mostraram que, enquanto P. crassifolium forma uma galha concisa sobre os ramos de T. guianensis, Phoradendron sp. é mais agressivo ao espalhar seu sistema endofítico através da madeira de C. fissilis, causando maiores rupturas dos tecidos xilemático e floemático da hospedeira. Sugere-se que tais rupturas poderiam levar a uma alteração local do balanço auxina/citocinina e à liberação de etileno. Esta hipótese é reforçada pelas alterações anatômicas observadas em ambos os casos na interface parasita-hospedeira, tais como hiperplasia e/ou hipertrofia, maior densidade de vasos, alterações no agrupamento dos vasos e redução da espessura da parede celular das fibras. P. crassifolium também provocou severo aumento da densidade de vasos embolisados na madeira de T. guianensis, aumentando também a densidade de vasos e o tamanho de raios, além de reduzir o diâmetro transversal dos vasos e a espessura da parede celular de fibras. Tais efeitos também podem estar relacionados às altas taxas de transpiração e aos potenciais hídricos extremamente baixos apresentados por plantas parasitas, o que pode culminar no aumento da transpiração total da hospedeira, elevando a formação de embolismos, causando estresse hídrico e consequente baixa pressão de turgor nas células derivadas do câmbio. Conclui-se que cada uma das espécies de parasita aqui analisada estabeleceu uma relação única com sua hospedeira, formando diferentes padrões de infestação e alterando de modo particular a xilogênese da hospedeira / Phoradendron is one of the most diverse genera among parasitic plants, comprising ca. 230 species and showing a great variety of morphologies and infestation patterns. The present work compared the infestation patterns of two Phoradendron species on different hosts: Tapirira guianensis and Cedrela fissilis, and also analyzed their effects on the hosts\' functionality and wood anatomy. Traditional wood anatomy procedures were used, along with the technique of microtomography analysis and functional anatomy experiments using a dye ascent through host wood. Results showed that while P. crassifolium forms a defined gall in branches of T. guianensis, Phoradendron sp. is more aggressive when spreading its endophytic tissue trough the wood of C. fissilis, causing major disruptions on both xylem and phloem tissues of the host. Such disruptions could lead to a local change of the auxin/cytokinin balance and probably ethylene liberation. This hypothesis is reinforced by the anatomical alterations observed in both cases at the host-parasite interface, such as hyperplasia and/or hypertrophy, higher vessel density, alterations of vessel grouping and thin cell-walled fibres. P. crassifolium also provoked a severe increase in embolism density on the wood of T. guianensis, along with increases on vessel density and ray size, besides reductions in vessel lumen diameter and fibre cell-wall thickness. These effects could also be related to the high transpiration rates and extremely low water potential presented by parasitic plants, which may increase the host\'s total transpiration, enhancing embolism formation, causing water stress and consequent low turgor in differentiating cambium derivates. In conclusion, each parasitic plant species analyzed established a unique relationship with its host, forming different infestation patterns and differently altering its host xylogenesis

The parasitic life style has repeatedly evolved in several occasions within nearly every life kingdom. Among Plants, parasitic clades are currently believed to have diverged 12 times independently, comprising over 1% of all extant diversity of flowering plants (Angiosperms). This great variety of species is translated into a wide array of plant habits, body sizes, modes of host infestation, photosynthetic capacity, life cycles, occupied environments, etc. Still, all of these ca. 4,600 plant species are united by the presence of a particular organ known as haustorium. Said to \"morphologically define parasitism among plants\", this peculiar plant organ carries out the main parasitic functions, from initial attachment and invasion of host tissues, to the stablishmente of a morpho-functional bridge that allows parasite-host communication and substance exchange. Considering the importance of this organ for the parasitic plant lifeform, the wide diversity of these plants is analyzed here in terms of structural and evolutionary aspects of the haustorium development. Initially, detailed studies are presented for the species characterized by two infestation modes: mistletoes, i.e., parasites the attach to host stems and branches; and endophytic parasites, i.e., plants that colonize the interior of the host body and are only visible outsite the host during the reproductive phase. Regarding mistletoes, details obtained from broad studies on their haustorium morphogenesis were used for a phylogenetic analysis of ancestral character state reconstruction and divergence time estimations. Results suggest that the change from root to aerial parasitism could have been facilitated by a common background for haustorium development shared by root parasites and early diverging mistletoes. From these early ancestors, specialization of haustorium tissue located internally to the host stems/branches would have led to evolution of different morphologies of the host-parasite connection, including the rise of a few endophytic species within mistletoe clades. In the second chapter, endoparasitism is detailed and discussed, including endophytic mistletoes but mainly focusing on the four puzzling plant families exclusively composed of species showing this infestation mode. Despite their reduced body size and endophytic system initially composed of parenchyma cells only, endoparasitic species of these four families are shown here to differentiate conductive phloem and/or xylem cells. Different strategies for the establishment of host-parasite connections are also reported and discussed as probably related to flower size. The hypothesis of parasitic plant control over host cambium differentiation is highlighted as a likely explanation for the alterations observed in host xylem and phloem anatomy. In the sequence, the third chapter is dedicated to a study of the terminology related to haustorium morphology and anatomy. A total of 48 terms are presented and discussed in an illustrated and referenced glossary. As the main result, parasitic plant haustorium is understood as a complex organ, composed of different tissues and cell types. The frequent equalization of this complete organ with one of its parts is discussed as frequently leading misunderstandings of the very parasitic nature of some species and lineages of haustorium-forming plants. Finally, the fourth chapter provides a broad comparative study of this peculiar organ in all 12 independent lineages of parasites. Methods in plant morphology and anatomy were combined with the current phylogenetic paradigm of parasitism evolution among plants. A general developmental sequence is discussed to be common in all haustoria, despite their varied ontogenetic origin. In all analyzed parasitic clades, direct host-parasite xylary connections were formed; on the other hand, phloem connections were detected in species of four clades only. A comparison between the huadotium and other plant organs discusses terminal haustoria to be a modified root, while lateral haustoria could be interpreted as either a modified stem, or as neoformation. Altogether, these results indicate the existence of very conservative mechanisms for haustorium formation throughout all of its diversity / O estilo de vida parasita tem evoluído repetidamente em várias ocasiões em quase todos os reinos da vida. Entre as plantas, acredita-se que os clados parasitas divergiram 12 vezes de forma independente, compreendendo mais de 1% de toda a diversidade existente de plantas com flores (Angiospermas). Essa grande variedade de espécies é traduzida em uma ampla gama de hábitos, tamanhos corporais, modos de infestação da planta hospedeira, capacidade fotossintética, ciclos de vida, ambientes ocupados, etc. Ainda assim, todas esses ca. 4.600 espécies de plantas estão unidas pela presença de um órgão específico conhecido como haustório. Dito como a \"definição morfológica do parasitismo entre as plantas\", este peculiar órgão vegetal realiza as principais funções parasitárias, desde a fixação inicial e invasão dos tecidos hospedeiros, até o estabelecimento de uma ponte morfofuncional que permite a comunicação parasita-hospedeira e a troca de substâncias. Considerando a importância deste órgão para a forma de vida da planta parasita, a grande diversidade destas plantas é analisada aqui em termos de aspectos estruturais e evolutivos do desenvolvimento do haustório. Inicialmente, são apresentados estudos detalhados para as espécies caracterizadas por dois modos de infestação: ervas-de-passarinho, ou seja, parasitas que se prendem a caules e ramos da hospedeira; e parasitas endofíticas, plantas que colonizam o interior do corpo hospedeiro e apenas são visíveis no exterior da hospedeira durante a fase reprodutiva. Quanto às ervas-de-passarinho, os detalhes obtidos a partir de estudos amplos sobre a morfogênese do haustório foram utilizados para uma análise filogenética de reconstrução do estado de caráter ancestral e estimativas do tempo de divergência. Os resultados sugerem que a mudança do parasitismo da raiz para o parasitismo aéreo poderia ter sido facilitada por um contexto comum para o desenvolvimento do haustório, compartilhado por parasitas de raízes e pelas primeiras ervas-de-passarinho a divergirem. A partir desses primeiros ancestrais, a especialização do tecido haustorial localizado internamente aos ramos da hospedeira levaria à evolução de diferentes morfologias da conexão parasita-hospedeira, incluindo o surgimento de algumas espécies endofíticas dentro dos clados de ervas-de-passarinho. No segundo capítulo, o endoparasitismo é detalhado e discutido, incluindo ervas-de-passarinho endofíticas, mas principalmente com foco nas quatro famílias de plantas intrigantes compostas exclusivamente por espécies que mostram esse modo de infestação. Apesar de seu tamanho corporal reduzido e do sistema endofítico inicialmente composto somente por células de parênquima, as espécies endoparasitas dessas quatro famílias são mostradas aqui como capazes de diferenciar células condutoras de floema e/ou xilema. Diferentes estratégias para o estabelecimento de conexões parasita-hospedeira também são relatadas e discutidas como provavelmente relacionadas ao tamanho das flores dessas plantas. A hipótese de controle de plantas parasitas sobre a diferenciação cambial da hospedeira é destacada como provável explicação para as alterações observadas na anatomia do xilema e floema hospedeiro. Na seqüência, o terceiro capítulo é dedicado a um estudo da terminologia relacionada à morfologia e anatomia do haustório. Um total de 48 termos são apresentados e discutidos em um glossário ilustrado e referenciado. Como principal resultado, o haustório das plantas parasitas é compreendido como um órgão complexo, composto por diferentes tecidos e tipos celulares. A frequente equalização deste órgão completo com uma de suas partes é discutida como freqüentemente levando a mal-entendidos sobre a natureza parasitária de algumas espécies e linhagens. Finalmente, o quarto capítulo fornece um amplo estudo comparativo desse órgão peculiar em todas as 12 linhagens independentes de parasitas. Métodos em morfologia e anatomia vegetal foram combinados com o atual paradigma filogenético de evolução do parasitismo entre plantas. Uma seqüência geral de desenvolvimento é discutida como sendo comum em todos os haustórios, apesar de sua origem ontogenética variada. Em todos os clados parasitas analisados, conexões xilemáticas diretas entre parasitas e hospedeiras foram obsrvadas; por outro lado, as conexões do floema foram detectadas em espécies de apenas quatro clados. Uma comparação entre o haustório e outros órgãos vegetais discute o haustório terminal como sendo uma raiz modificada, enquanto o haustório lateral pode ser interpretado como um caule modificado ou como uma neoformação. Em conjunto, estes resultados indicam a existência de mecanismos conservados para a formação de haustórios em toda a sua diversidade