Anther development in Miconia (Melastomataceae) species with different reproductive systems

A principal forma de reprodução das angiospermas é a sexuada, que envolve obrigatoriamente a produção (gametogênese) e a fusão (fecundação) dos gametas haplóides. Entretanto, um número expressivo de espécies se reproduz assexuadamente por meio de apomixia, na qual a meiose é ausente ou modificada e os embriões são formados sem que haja fecundação. Dois tipos básicos de apomixia são reconhecidos: um em que o embrião se origina no interior de um megagametófito com número cromossômico somático (não reduzido); e outro, em que não há formação do megagametófito e o embrião se origina de células do núcleo ou do tegumento do óvulo. Espécies apomíticas são relatadas com mais frequência entre as Poaceae, Asteraceae, Rosaceae e Rutaceae, famílias com grande importância econômica. No entanto, vários estudos têm revelado cada vez mais exemplares apomíticos entre as Melastomataceae, principalmente em Miconia, gênero parafilético que inclui cerca de 1050 espécies. Levando em consideração o grande número de grãos de pólen inviáveis produzidos pelas espécies apomíticas neste gênero e a frequente utilização da forma e do desenvolvimento dos estames no reconhecimento de relações evolutivas entre os membros do grupo, este trabalho teve como objetivos (1) comparar o desenvolvimento dos estratos parietais da antera e dos grãos de pólen de Miconia albicans (espécie apomítica sem produção de grãos de pólen), M. stenostachya (espécie apomítica com baixa porcentagem de grãos de pólen viáveis) e M. paucidens (espécie sexuada com alta porcentagem de grãos de pólen viáveis); (2) estudar as características estruturais e ultraestruturais relacionadas à inviabilidade dos grãos de pólen de M. albicans e M. stenostachya; e (3) analisar a relação entre a epiderme e o endotécio no mecanismo de deiscência das anteras das espécies apomíticas M. albicans, M. fallax, M. leucocarpa, M. stenostachya e M. sellowiana, e das espécies sexuais M. chamissois, M. minutiflora, M. paucidens, M. pseudonervosa, e M. theaezans. A estrutura, ultraestrutura e micromorfologia da parede da antera e dos grãos de pólen foram analisadas em anteras fixadas em solução contendo glutaraldeído e processadas segundo protocolos de rotina para microscopia de luz e microscopias eletrônicas de transmissão e varredura. A forma e a viabilidade dos grãos de pólen maduros e a forma do tubo polínico foram analisadas a partir de grãos de pólen frescos coletados de anteras de flores recém-abertas, submetidos a testes de hidratação e de germinação "in vitro". A detecção dos principais grupos de substâncias químicas presentes nos vários estratos parietais da antera e nos grãos de pólen foi feita por meio da aplicação de reagentes e corantes específicos às seções finas e aos grãos de pólen frescos. Em M. albicans, M. stenostachya e M. paucidens, as anteras são tetrasporangiadas, o desenvolvimento da parede da antera é do tipo monocotiledôneo e os grãos de pólen não apresentaram substâncias de reserva ao longo do desenvolvimento; em M. paucidens, as células do tapete apresentaram cristais e proteoplastos no citoplasma. A antera em estádio de deiscência é constituída pela epiderme e pelo endotécio não funcional. Em M. albicans, a ausência de figuras meióticas indica que a meiose é um evento raro nessa espécie; as anteras maduras apresentaram-se vazias ou contendo estruturas semelhantes a grãos de pólen com paredes mal formadas e sem conteúdo. Em M. stenostachya, irregularidades meióticas levaram à formação de micrósporos de diferentes tamanhos e em número maior que quatro; a porcentagem nula de germinação dos grãos de pólen de M. stenostachya indicou que mesmo os grãos de pólen corados e com parede bem formada são inviáveis. Em M. paucidens, os grãos de pólen são alongados e liberados da antera parcialmente desidratados, havendo a formação do tubo polínico após a hidratação proporcionada pelo contato com a superfície estigmática. Em todas as espécies analisadas, o mecanismo de deiscência envolve a degradação da epiderme da antera numa região em que a cutícula é ausente e não depende da ação do endotécio, já que este tecido não apresenta nenhum tipo de especialização que possa ser relacionada à deiscência das anteras.Most angiosperms reproduce sexually, with the production (gametogenesis) and fusion (fertilization) of the haploid gametes. However, some of them do so in an asexual way, called apomixis, a way of reproduction with the production of seeds which embryos are produced without fertilization of the egg cell. There as two main types of apomixis: one in which the embryo is formed inside the megagametophyte with somatic chromosome level (unreduced); and another one, in which there is no megagametophyte formation and the embryo is formed from ovule nucellar or tegument cells. Apomixis is often studied in Poaceae, Asteraceae, Rosaceae and Rutaceae families, probably due to its economical value. However, many studies have shown an increasing number in the tropical flora, mainly among Miconia (Melastomataceae), a paraphyletic genus with about 1050 species. Taking into account the amount of unviable pollen grains in apomictic Miconia and the importance of stamen morphology and development to the phylogenetic studies, this study aimed to (1) compare the anther and pollen grain development in Miconia albicans (apomictic species with lacks pollen grains), M. stenostachya (apomictic species with low percentage of viable pollen grains) and M. paucidens (sexual species with high percentage of viable pollen grains); (2) study the structure and ultrastructure characteristics related to the pollen grains development in M. albicans and M. stenostachya; and (3) study the relationship of the endothecium and the epidermis with the poricidal anther dehiscence mechanism in the apomicts M. albicans, M. fallax, M. leucocarpa, M. stenostachya and M. sellowiana, and in the sexual species M. chamissois, M. minutiflora, M. paucidens, M. pseudonervosa, and M. theaezans. Anthers in various stages of development were studied under light microscopy and scanning and transmission electron microscopes. The shape and the viability of mature pollen grains and the pollen tube shape were examined in fresh pollen grains obtained from mature anthers, which were submitted to hydration and "in vitro" germination testes. Tests for the main groups of chemical substances were applied to thin sections and to fresh pollen grains. M. albicans, M. stenostachya and M. paucidens have tetrasporangiated anthers, anther wall development following the "monocotyledonous" type, and pollen grains which lack reserve substances during all steps of development; in M. paucidens, crystals and proteoplasts were found inside the tapetal cell cytoplasm. The dehiscent anthers have epidermis and non-functional endothecium. The absence of meiotic figures in M. albicans may indicate that the meiosis is a rare event in this species; its mature anthers were also empty or with pollen grain-like structures, but completely empty and with abnormal pollen wall. The meiotic irregularities observed in M. stenostachya gave rise to the microspores with abnormal size (smaller or bigger than the normal ones) and often with more than four per tetrad; the null percentage of pollen grain germination in M. stenostachya showed that even the well-stained pollen grains were unviable. M. paucidens showed elongated pollen grains that are released from anther in a partially dehydrated way, being the pollen tube originated after the pollen grain hydration when in contact with the stigmatic surface. In all of the species studied, the anther dehiscence mechanism is a consequence of cell degradation in a portion that lack cuticle being, for this, independent of the endothecium layer