Caracterização morfo-anatômica e fisiológica de Cattleya warneri T. Moore e Cattleya rupestris (Lindl.) Van den Berg in vitro sob diferentes espectros de luz

Abstract

O bioma Mata Atlântica é um hotspot mundial de biodiversidade, mas também um dos mais ameaçados devido ao avanço acelerado das áreas urbanas e rurais. A família Orchidaceae é um dos principais componentes desse ecossistema, com destaque para o gênero Cattleya. Este estudo foca em Cattleya warneri T. Moore e Cattleya rupestris (Lindl.) Van den Berg, ambas nativas e endêmicas do Brasil. C. warneri, espécie epífita, encontra-se classificada como vulnerável, principalmente em razão do extrativismo comercial e da destruição de habitats. Considerando sua distribuição restrita e ambientes fragmentados, essas espécies demandam estudos de propagação e medidas de conservação. O objetivo deste estudo foi avaliar aspectos morfo-histológicos e fisiológicos de plantas de C. warneri e C. rupestris cultivadas in vitro sob diferentes espectros luminosos, os tratamentos foram constituídos de lâmpadas tipo LED nas cores: branco (400 a 700 nm), vermelho (660 nm), azul+vermelho 40%/60%, respectivamente (450 nm e 665 nm) e azul (450 nm). Os resultados estão organizados e distribuidos nos capítulos II, III e IV. O percentual de germinação de sementes foi avaliado aos 30 dias de cultivo in vitro, as fases do desenvolvimento inicial, pigmentos fotossintéticos, microscopias ópticas e de transmissão e microscopia confocal foram análises realizadas aos 120 dias de cultivo in vitro, considerado inicial para as espécies estudadas. As variáveis de crescimento altura de planta (cm), tamanho de maior raiz (cm), número de folhas, número de raizes, número de brotos, pigmentos fotossintéticos e densidade estomática foram avaliadas aos 360 dias de cultivo in vitro. 45 dias após retirada do ambiente in vitro, avaliou-se sobrevivência de mudas. Ambas espécies apresentaram maior percentual de germinação sob o tratamento com lâmpadas LED azul+vermelho, fato que mostra de forma promissora a capacidade de espectros de luz específicos modificarem o processo de germinação destas espécies. Quanto ao percentual de plantas nos estádios de desenvolvimento inicial, C. warneri e C. rupestris demonstraram maiores percentuais de plantas completas (estádio 4 com folhas e raizes) sob o tratamento com lâmpadas LED azul+vermelho, acelerando, portanto, o processo de formação de plantas adultas. Os pigmentos fotossintéticos relacionados a clorofila total e carotenoides em C. warneri apresentaram maiores médias nas LEDs azul e azul+vermelho, por sua vez, para C. rupestris ocorreram algumas variações, além do destaque ser para os LEDs vermelho e azul+vermelho o LED branco também mostrou resultados promissores para antocianinas e carotenoides. Para as análises de microscopia óptica, confocal e eletrônica de transmissão foram considerados os diferentes fenótipos de folhas encontradas em cada tratamento. Observou-se autofluorescência do cloroplasto mesmo em folhas albinas de C. warneri, em que o LED branco e azul teve destaque. Os cloroplastos de folhas verdes mostraram maior intensidade de fluorescência com os LEDS branco e vermelho. Em C. rupestris o tratamento com LEDs vermelho mostrou maior intensidade de autofluorescência do cloroplasto em folhas verdes; em folhas vermelhas, a LED branco e azul+vermelho se destacou. O estudo da ultraestrutura mostrou alterações nos cloroplastos, em C. rupestris o fato ocorreu em todos os tratamentos e variações de folhas, exceto em folhas verdes na LED branco aonde observou-se cloroplastos típicos com membranas tilacoides empilhadas, formando o granum e grupos de mitocôndrias localizados de forma adjacente aos cloroplastos, refletindo seu papel cooperativo na fotorrespiração. Após 360 dias de cultivo in vitro, as plantas sob LEDs branco e vermelho apresentaram maior comprimento de raiz, enquanto o LED vermelho destacou-se pelo número de folhas. LEDs vermelho, branco e azul geraram mais raizes que o tratamento com LED azul+vermelho. O LED vermelho também resultou nas maiores concentrações de clorofila e maior densidade estomática. Todas as plantas sobreviveram após 45 dias de aclimatização, indicando boa adaptação ao ambiente ex vitro. Os efeitos dos diferentes espectros luminosos sobre as plantas de C. warneri e C. rupestris nos cultivos in vitro foram evidentes tanto nas características morfológicas quanto fisiológicas. A luz desempenhou um papel crucial em vários processos fisiológicos das plantas, influenciando diretamente o crescimento e o desenvolvimento das espécies. Em resumo, os resultados indicam que diferentes espectros luminosos têm efeitos distintos sobre o desenvolvimento morfológico e fisiológico das orquídeas estudadas, com a luz vermelha desempenhando um papel fundamental no crescimento radicular e na fotossíntese, enquanto a luz azul contribuiu para a formação da parte caulinar e o aumento da eficiência na produção de pigmentos. O uso estratégico desses espectros pode ser um recurso valioso na otimização do cultivo in vitro de C. warneri e C. rupestris, promovendo um crescimento mais expressivo, antecipando o desenvolvimento das plantas e favorecendo a adaptação das mudas às condições ex vitro.

Abstract: The Atlantic Forest biome is a global biodiversity hotspot; however, it is also one of the most threatened, mainly due to the accelerated expansion of urban and rural areas. The family Orchidaceae is one of the main components of this ecosystem, with emphasis on the genus Cattleya. This study focuses on Cattleya warneri T. Moore and Cattleya rupestris (Lindl.) Van den Berg, both native and endemic to Brazil. C. warneri, an epiphytic species, is classified as vulnerable, mainly due to commercial extractivism and habitat destruction. Considering their restricted distribution and fragmented environments, these species require propagation studies and conservation measures. The objective of this study was to evaluate morpho-histological and physiological aspects of C. warneri and C. rupestris plants cultivated in vitro under different light spectra. The treatments consisted of LED lamps with the following colors: white (400?700 nm), red (660 nm), blue + red at 40%/60%, respectively (450 nm and 665 nm), and blue (450 nm). The results are organized and presented in Chapters II, III, and IV. Seed germination percentage was evaluated at 30 days of in vitro culture. Initial developmental stages, photosynthetic pigments, optical and transmission electron microscopy, and confocal microscopy analyses were performed at 120 days of in vitro culture, which was considered an early stage for the studied species. Growth variables, including plant height (cm), longest root length (cm), number of leaves, number of roots, number of shoots, photosynthetic pigments, and stomatal density, were evaluated at 360 days of in vitro culture. Seedling survival was assessed 45 days after removal from the in vitro environment. Both species showed higher germination percentages under the blue + red LED treatment, demonstrating the promising ability of specific light spectra to modify the germination process of these species. Regarding the percentage of plants at early developmental stages, C. warneri and C. rupestris exhibited higher percentages of complete plants (stage 4, with leaves and roots) under the blue + red LED treatment, thus accelerating the formation of adult plants. Photosynthetic pigments related to total chlorophyll and carotenoids in C. warneri showed higher mean values under blue and blue + red LEDs. In C. rupestris, some variations were observed; in addition to the prominence of red and blue + red LEDs, white LED also showed promising results for anthocyanins and carotenoids. For optical, confocal, and transmission electron microscopy analyses, different leaf phenotypes observed in each treatment were considered. Chloroplast autofluorescence was observed even in albino leaves of C. warneri, with white and blue LEDs showing greater prominence. Chloroplasts in green leaves exhibited higher fluorescence intensity under white and red LEDs. In C. rupestris, the red LED treatment showed greater chloroplast autofluorescence intensity in green leaves, while in red leaves, white and blue + red LEDs stood out. Ultrastructural analysis revealed alterations in chloroplasts; in C. rupestris, these occurred in all treatments and leaf variations, except in green leaves under white LED, where typical chloroplasts with stacked thylakoid membranes forming grana and groups of mitochondria located adjacent to chloroplasts were observed, reflecting their cooperative role in photorespiration. After 360 days of in vitro culture, plants grown under white and red LEDs showed greater root length, while the red LED stood out for the number of leaves. Red, white, and blue LEDs produced more roots than the blue + red LED treatment. The red LED also resulted in higher chlorophyll concentrations and greater stomatal density. All plants survived after 45 days of acclimatization, indicating good adaptation to the ex vitro environment. The effects of different light spectra on C. warneri and C. rupestris plants cultivated in vitro were evident in both morphological and physiological characteristics. Light played a crucial role in several plant physiological processes, directly influencing growth and development. In summary, the results indicate that different light spectra have distinct effects on the morphological and physiological development of the studied orchids, with red light playing a fundamental role in root growth and photosynthesis, while blue light contributed to shoot formation and increased efficiency in pigment production. The strategic use of these spectra may be a valuable resource for optimizing the in vitro cultivation of C. warneri and C. rupestris, promoting more vigorous growth, accelerating plant development, and enhancing seedling adaptation to ex vitro conditions.