Melhoramento Genético de Plantas

Arte e ciência para alterar geneticamente as

plantas e animais de modo a tender as

necessidades do homem.

Objetivo

Fornecer conhecimentos básicos sobre os

princípios da genética vegetal e sua aplicação nos

vários métodos de melhoramento, capacitando o

estudante para planejar e executar prática,

programas específicos de melhoramento de

espécies cultivadas.

Histórico

Vavilov: Evolução direcionada pelo homem

Frankel: Ajuste genético de planta a serviço do

homem

- Domesticação primitiva das plantas

- Contribuição á evolução social do homem

- Mudança do estilo de vida de nômade para

sedentário

- Desenvolvimento das artes e das grandes cidades

Início de Revolução Verde: + ou - 11.000 anos na

bacia dos rios Tigre e Eufrates

O fértil crescente: há 7.000 anos a agricultura na

região já era bem desenvolvida e as principais

cidades da mesopotânia já haviam sido irrigadas.

- As principais culturas já estavam estabelecidas em

3.000 A.C.

- Américas a revolução verde iniciou-se mais

tarde: em torno de 1.000 A.C.

Culturas mais importantes na fundação de

civilizações:

Velho mundo: cevada e trigo

Novo mundo: milho

África: sorgo granífero

Anos atrás Cultura Modo de vida reinante

9.000 moranga Nômade6.000 Feijões, pimenta e

milhoSemi-nômade e ajuntadores de

plantas4.300 Abóbora, amaranto e milho

3.800 Algodão anual Semi-sedentária, vilas

3.400 girassol Vilas1.800 fumo Outras edificações

Domesticações importantes nas Américas

Culturas importantes e de desenvolvimento

recente

- Aveia, centeio e mais recentemente seringueira e

triticale

-No de plantas superiores conhecidas: 250.000

-No de plantas utilizadas pelo homem: 3.000

-No de plantas intensamente cultivadas: 150

Ocorreu mudança de seleção automática para

seleção consciente.

Seleção primitiva: para plantas maiores, maior

número de sementes, frutos indeiscentes, frutos

coloridos, plantas anuais e autopolinizadas.

Conhecimentos exigidos do melhorista

Evolução, genética, estatística, bioquímica,

fisiologia vegetal, citologia, entomologia,

fitopatologia, nutrição de plantas e práticas

agrícolas.

Principais objetivos do melhoramento de plantas

•Aumento de produtividades

Ex: milho, trigo, algodão, soja

•Expansão de áreas de produção

EX: soja e café, sorgo

•Resistência ás doenças: Ex: milho vs carvão

Soja vs nematóide

•Resistência às pragas: Ex: precocidade vs bicudo

do algodoeiro.

•Qualidade do produto:

Ex: beterraba açucareira: de 7 a 18% de açúcar em

175 anos

Milho opaco-2: proteína com maiores teores de

lisina e triptofano

Algodão: qualidade da fibra - 28 mm a > 31 mm em

35 anos de seleção no Brasil

•Adaptação á colheita mecânica

Soja- inserção da 1ª vargem

Sorgos- de menor porte

Feijão- porte ereto e hábito determinado

Mecanismos evolutivos das espécies

cultivadas

A atuação conjunta da seleção natural e

artificial proporcionou ao melhorista moderno um

formidável acervo botânico.

Formas de evolução

Existem 3 categorias principais: mutação,

poliploidia e hibridação interespecífica.

Introdução de plantas e diversidade genética

Novas cultivares pode ser obtidas a partir de

introduções das seguintes maneiras:

•Utilização direta como cultivar, após avaliação em

ensaios de competição com materiais já cultivados;

•Seleções “de genótipos no material original, se

este heterogêneo, procedendo-se principalmente á

eliminação de ‘tipos” indesejáveis

•Cruzamento com outras cultivares, visando a

transferência de alelos de interesse.

Principais culturas introduzidas no Brasil

Cana: a introdução de canas javanesas e indianas

solucionou o problema de ataque de doenças em

canaviais nacionais, entre 1920 e 1924.

Café: introduzido em Belém em 1727: Sementes de

C. arábica existente na Guiana Francesa.

- Em 1933 iniciou-se o programa de melhoramento

do cafeeiro no IAC (Instituto Agronômico de

campinas).

-A c.v. feijão preto Rico-23 (Phaseolus vulgaris L.)

introduzida em 1954, da Costa Rica sobressai

em termos de produção de grãos, resistência a

doenças e outras características

- Após 5 anos foram distribuídos aos agricultores.

- Eucalipto introduzido por meio da Companhia

Paulista de Estradas de Ferro em 1903 no IAC e

somente em 1960 teve maior atenção.

- Maçã (Malus spp.) introduzido no final do séc.

XIX, porém teve maior atenção a partir de 1960.

- Milho introduzido no início do séc. XX.

Tipos de materiais introduzidos

- Não é aconselhável estacas, manivas, toletes, etc.

- Evitar a introdução concomitante de patógenos e

pragas (tratamentos preventivos)

- Sementes tratadas (é recomendado)

- Intercâmbio de materiais reprodutivos na forma

de cultura de tecidos, livres de patógenos.

Instituições que cuidam da introduçãoEMBRAPA- Empresa Brasileira de Pesquisa AgropecuáriaCENARGEM- Centro Nacional de Recursos Genéticos e BiotecnologiaRealiza triagem no intercâmbio de material genético entre o Brasil e outros países.EX: genótipos de mandioca, “in vitro”, na forma de cultura de meristemas, do Brasil para a Colômbia (Centro Internacional de Agricultura Tropical – CIAT)

Diversidade genética em plantas

•Mutação

São alterações ou modificações súbitas em genes

ou cromossomos, podendo acarretar variação

hereditária.

As mutações podem ser gênicas quando alteram a

estrutura do DNA ou cromossômicas quando

alteram a estrutura ou o número de cromossomos.

As mutações são espontâneas e podem ser

silenciosas, ou seja, não alterar a proteína ou sua

ação.

Podem ainda ser letais, quando provocam a morte,

ou ainda acarretar doenças ou anomalias.

As mutações também promovem a evolução já que

determinam aumento na variabilidade genética.

As Mutações gênicas: constantemente ocorre e é a

base para a seleção natural, pois a maioria são

deletérias e recessivas.

Ocorre em > probabilidade em população

geneticamente heterogênea (carregam e segregam

> alelos recessivos)

EX: centeio, cevada, feijão, linho, milho, tomate.

A) Mutações gênicas ou Mutações de ponto - envolvem mudanças em sítios específicos de um gene.• Principais tipos de mutações de ponto são:• Substituições de bases - um par de base é substituído por outro– Transição - substituição de uma base por outra da mesma categoria química (A-G / C-T)Purina A GPirimidina C T

Transversão - substituição de uma base por outra de categoria química diferente (purina por pirimidina)Purina Pirimidina A CA TG CG TPirimidina PurinaC AC GT AT G

B) Mutações Extranucleares: Modificações no

DNA de organelas como a mitocondria e

cloroplasto.

C) Mutações Cromossômicas

Também chamadas de aberrações cromossômicas,

são alterações na estrutura ou no número de

cromossomos normal da espécie.

- Podem provocar anomalias e más formações no

organismo ou até a inviabilidade dele

Mutações cromossômicas:

a) Estrutural:

Inserções e Deleções - adição ou remoção de um

ou mais pares de nucleotídeos

• Inserções e Deleções - mais freqüentes do que as

substituições de bases

• Podem levar a mudança na matriz de leitura,

alterando todos os aminoácidos após a mutação.

• Em geral tem efeitos drásticos no fenótipo.

• Deleções e Inserções em múltiplos de 3 podem

deixar a matriz intacta, embora ainda afete o

fenótipo.

Inserção

..GGG AGT GTT AGA TGG TCC ...Nova sequência…GGG AGT GTT AGT GGT CC …

..GGG AGT GTA GAT GGT CC .... TNova sequência.. GGG AGT GTA TGA TGG TCC ...

Deleção

A inserção ou a deleção alteram a matriz de leitura

e podem mudar muitos códons

Mutações silenciosas - mudança de um códon por

outro originando o mesmo aminoácido.

EX:

UUA - leucina

UUG - leucina

• Mutações de sentido trocado - mudança de um

códon por outro originando aminoácido diferente.

EX:

CAC- histidina

CAA- glutamina

– Sinônimas - códon especifica aa quimicamente

semelhante.

– Não-sinônimas - aa quimicamente diferente.

• Mutações sem sentido - substituição de um

códon para aa qualquer por um stop codon.

EX: UAC- tirosina

UAA - stop

Agentes Mutagênicos

•Físicos radiações ionizantes (raios X, radiações

alfa, beta e gama) e radiação ultravioleta.

Químicos colchicina, gás mostarda, sais de

metais radioativos, alcatrão, benzeno,

benzopireno, etc.

Uso da Mutação no Melhoramento

Quando não há variabilidade genética disponível

para a característica de interesse.

• Mutação direta - altera o fenótipo do tipo

selvagem (modificação nas proteínas pode levar a

alterações no fenótipo).

EX: Domesticação do arroz: ocorreu mutação em

apenas um par de bases no DNA causando a

mudança de um aminoácido em uma proteína

ocorrendo a redução da degrana natural.

Exemplo Prático:

Devon, Reino Unido, 2009

Mutação Natural?

b- Numéricas

Provocam alterações no número típico de

cromossomos da espécie (cariótipo).

Podem produzir anomalias graves e até a morte do

organismo.

b.1) Aneuploidias (Somias) quando acrescentam

ou perdem um ou poucos cromossomos.

b.2) Euploidias quando há a alteração de um

genoma inteiro.

b.1) Aneuploidia: termo geral que descreve os

organismos cujo número de cromossomos não é

múltiplo perfeito do conjunto básico de

cromossomos do grupo.

b.1) Aneuploidias (Somias)

Nulissomia (2n-2) perda de um par inteiro de

cromossomos. BBCC = 4 cromossomos

Monossomia (2n-1) um cromossomo a menos

no cariótipo. ABBCC = 5 cromossomos

Trissomia (2n+1) um cromossomo a mais no

cariótipo. AAABBCC= 7 cromossomos

Tetrassomia (2n+2) dois cromossomos a mais

no cariótipo. AABBCCAA = 8 cromossomos

Causas da Aneuploidia

a) Movimento retardado dos cromossomos

durante a anáfase.

b) Não disjunção de cromossomos ou cromátides

durante a meiose ou mitose.

c) Assinapse (não pareamento) de cromossomos

homólogos na meiose.

II) Euploidias descreve os casos onde há repetição de conjuntos básicos de cromossomos de uma ou mais espécies.

Monoploidia (n) quando há apenas um genoma.- São de interesse do melhorista porque a duplicação induzida de seu genoma resulta em indivíduos totalmente homozigoto e todos os cromossomos terão alelos idênticos.- A perpetuação desse tipo de indivíduo proporciona uma linha pura.

Nome Designação Constituição Número Cromossomos

Euploides

Haplóide n A B C 3

Diplóide 2n AA BB CC 6

Triploide 3n AAA BBB CCC 9

Tetraploide 4n AAAA BBBB CCCC DDDD

12

N = NO BÁSICO DE CROMOSSOMOS

Triploidias (3n) quando há três genomas.

Isso significa que cada célula possui três lotes de

cromossomos homólogos (célula 3n).

- Embora os triplóides sejam estéreis possuem

características fisiológicas e fenotípicas favoráveis

como frutos maiores e maior vigor fisiológico.

Triplóides: são altamente estéreis e reproduzem

por via assexuada.

- A triploidia ocorre em maçãs, uva e banana.

Desenvolvimento de híbridos triplóides

Envolve duas etapas:

-Obtenção de plantas tetraplóides : Indução de

poliploidia em plantas diplóides;

- Identificação das plantas tetraplóides;

- Hibridação das plantas tetraplóides com as

plantas diplóides

EX: melancia sem semente é de natureza triplóide.

Diplóides (2x = 2n = 22) x Tetraplóides (4x = 4n=44)

Frutos triplóides (3x=3n=33)

- São selecionados por não formarem sementes,

somente parecem rudimentos brancos de sementes.

A triploidia da banana: resulta na falta de

produção de sementes, indesejáveis nos frutos,

aumento e vigor da planta e tamanho do fruto.

- significa que cada célula da bananeira possui três

lotes de cromossomos homólogos (célula 3n).

Células da epiderme de folhas de plantas de tabaco com aumento de ploidia. O tamanho da célula aumenta, particularmente o tamanho dos estomas, com o aumento de ploidia. (a) Diploide; (b) tetraploide; (c) octoploide.

Qual a importância dos Poliploides?

Extrema importância em duas áreas da genética de

plantas: na evolução e no melhoramento

genético.

- Permite a obtenção de novos cultivares com

características fenotípicas superiores aos

genótipos diplóides, onde há o aproveitamento

das partes vegetativas como raízes, caules, flores

ou frutos.

Em geral, plantas poliplóides são mais vigorosas,

com frutos e sementes maiores.

- É freqüentemente atribuído aos poliplóides,

através da acumulação de diversos genomas,

maior adaptabilidade do que seus genitores

diplóides.

40% das espécies cultivadas são poliplóides :

- Alfafa (Medicago sativa);

- Algodão (Gossypium hirsutum);

- Batata (Solanum tuberosum);

- Batata doce (Ipomoea batatas);

- Café (Coffea arabica);

- Cana de açúcar (Saccharum officinarum);

- Fumo (Nicotiana tabacum);

- Morango (Fragraria ananassa);

- Trigo (Triticum aestivum).

Tipos de poliploides

A) Autopoliploides

Tem conjuntos cromossômicos múltiplos com

origem dentro de uma espécie.

Quando há 3 ou mais genomas da mesma espécie.

Exemplo:

Batata = autotetraplóide = AAAA

Cada “A” representa um conjunto básico de 12

cromossomos.

2n = 4x = 48

4x = 4 cópias do n° básico de cromossomos = 12

(4 x 12) = 48 cromossomos

N° total de cromossomas = 48 cromossomos

B) Alopoliploides

Quando ocorrem dois ou mais genomas diferentes:

AA BB.

Surgem pela duplicação dos cromossomos após um

cruzamento interespecífico.

Ocorrem freqüentemente na natureza.

EX: Trigo (Triticum aestivum) - tem o genoma

AABBDD.

T. Urartu x Aegilops speltoides

2n=2x=14 (AA) 2n=2x=14 (BB) T. turgidum x T. tauschii(2n = 4x =28, AABB) 2n=2x=14 (DD)

Triticum aestivum

2n=6x=42(AABBDD)

Alohexaplóide (3 genomas distintos)

Duplicação

Raphanobrassica tem o

genoma:

- Rabanete

(Raphanus sativus , 2n = 18)

-Repolho (Brassica oleracea,

2n = 18);

Vantagem:

Aloploidia: um processo mais eficiente.

- Consiste da hibridação entre espécies afins, com

posterior duplicação do no de cromossomos.

- Surgem na natureza pela duplicação dos

cromossomos após um cruzamento interespecífico.

Características dos poliplóides

- Maior volume nuclear

- Partes reprodutivas e vegetativas agigantadas

- Fertilização reduzida

- Alterações nos constituintes químicos

- Diminuição da velocidade de crescimento

Efeitos fenotípicos dos poliploides

Formação de órgãos vegetativos gigantes.

Ex.: cravo-de-defunto, boca-de-leão, entre outros.

- Formação de órgãos reprodutivos gigantes e de

melhor qualidade.

- Formação de frutos sem sementes.

Ex.: Banana, melancia.

Qual a importância das mutações para o

melhoramento genético de plantas?