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
Domesticações importantes nas Américas
Anos atrás
Cultura
Modo de vida
reinante
9.000
moranga
Nômade
6.000
Feijões, pimenta e Semi-nômade e
milho
ajuntadores de
4.300
Abóbora,
plantas
amaranto e milho
3.800
Algodão anual
Semi-sedentária,
vilas
3.400
girassol
Vilas
1.800
fumo
Outras edificações
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,
fisiologia
vegetal,
citologia,
bioquímica,
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 introdução
EMBRAPA- Empresa Brasileira de Pesquisa
Agropecuária
CENARGEM- Centro Nacional de Recursos
Genéticos e Biotecnologia
Realiza 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
G
Pirimidina C
T
Transversão - substituição de uma base por outra
de categoria química diferente (purina por
pirimidina)
Purina
Pirimidina
A
C
A
T
G
C
G
T
Pirimidina
Purina
C
A
C
G
T
A
T
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 GTA GAT GGT CC ....
T
Nova sequência
.. GGG AGT GTA TGA TGG TCC ...
Deleção
..GGG AGT GTT AGA TGG TCC ...
Nova sequência
…GGG AGT GTT AGT GGT CC …
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,
benzopireno, etc.
alcatrão,
benzeno,
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).
Exemplo Prático:
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.
Mutação Natural?
Devon, Reino Unido, 2009
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
cromossomos do grupo.
conjunto
básico
de
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
ABC
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)
Duplicação
T. turgidum
(2n = 4x =28, AABB)
x
T. tauschii
2n=2x=14 (DD)
Triticum aestivum
2n=6x=42(AABBDD)
Alohexaplóide (3 genomas distintos)
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?