A BIOTECNOLOGIA APLICADA

À AGRICULTURA E FLORESTAS

Célia Miguel Nelson Saibo

© 2013 American Society of Plant Biologists

1850 1900 1950 2000 1800

CO2

atmosférico

500 1000 1500 2000 0

População Global

Neste momento enfrentamos o maior dos

desafios

Como é que alimentamos mais pessoas sem danificar mais o nosso planeta?

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

Photo courtesy Earth Observatory NASA

© 2013 American Society of Plant Biologists

Como é que alimentamos mais pessoas

com menos recursos disponíveis?

Fess et al. (2011) Crop breeding for low input agriculture: a sustainable response to feed a growing world population. Sustainability 3: 1742-1772

Photo courtesy Earth Observatory NASA

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

© 2013 American Society of Plant Biologists

Qual é o papel da biotecnologia de

plantas na resposta aos desafios globais?

Photo credits: Xochiquetzal Fonseca/CIMMYT and IRRI

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

© 2013 American Society of Plant Biologists

As modificações genéticas apareceram

como consequência da domesticação

Variação natural dentro de uma

população

Image courtesy of University of California Museum of Paleontology, Understanding Evolution - www.evolution.berkeley.edu

Semear as sementes de “boas” plantas aumenta a sua representatividade nas gerações seguintes

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

© 2013 American Society of Plant Biologists

Durante a domesticação do milho o

tamanho das maçarocas aumentou

Photo © Robert S. Peabody Museum of Archaeology, Phillips Academy, Andover, Massachusetts. All Rights Reserved.

Maçarocas de locais arqueológicos no vale

Tehuacan, Mexico

7000 Anos atrás

500 Anos atrás

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

© 2013 American Society of Plant Biologists

O mito da alimentação natural

A comida que consumimos tem origem em plantas altamente modificadas em relação à sua forma original.

Credit: Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

© 2013 American Society of Plant Biologists

Os melhoradores podem usar várias

tecnologias para responder aos desafios

PROBLEMA

SOLUÇÃO

Propagação clonal in vitro

Melhoramento assistido

“Gene pyramiding”

Melhoria nas práticas

agronómicas

Tecnologia OGM

Seleção genómica

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

© 2013 American Society of Plant Biologists

Seleção assistida por marcadores

moleculares

Fenótipo: expressão das características

moleculares

Genótipo: sequência de todos os genes no genoma

Photo credit LemnaTec; Anderson, L.K., Lai, A., Stack, S.M., Rizzon, C. and Gaut, B.S. (2006). Uneven distribution of expressed sequence tag loci on maize pachytene chromosomes. Genome Research. 16: 115-122.

Seleção utilizando marcadores no ADN é

mais rápida do que selecionar pelo fenótipo

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

© 2013 American Society of Plant Biologists

Exemplo: introdução de um gene que

confere resistência a uma doença

Tomate (variedade de elite) Planta de tomate com características indesejáveis, mas com resistência à doença (gene de resistência indicado)

Queremos introduzir a resistência a uma doença numa variedade de tomate de elite.

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

© 2013 American Society of Plant Biologists

Cruzamos as duas plantas. Alguns dos descendentes herdam o gene de resistência à doença e outros não – como é que podemos identificar as plantas resistentes?

Photo by Stephen Ausmus USDA

Exemplo: introdução de um gene que

confere resistência a uma doença

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

© 2013 American Society of Plant Biologists

Podemos utilizar marcadores moleculares para analisar o ADN das plantas e assim identificar as que contêm o gene de resistência. É mais rápido e fácil do que infectar as plantas.

Exemplo: introdução de um gene que

confere resistência a uma doença

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

© 2013 American Society of Plant Biologists

É esta uma variedade de tomate de elite com resistência a doença? Não, metade dos genes são da planta “má”

Exemplo: introdução de um gene que

confere resistência a uma doença

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

© 2013 American Society of Plant Biologists

Temos que cruzar repetidamente com a variedade de tomate de elite, utilizando marcadores para identificar as plantas com o gene de resistência

Exemplo: introdução de um gene que

confere resistência a uma doença

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

© 2013 American Society of Plant Biologists

Após várias gerações, obtemos o tomate de elite e com resistência à doença

Os marcadores moleculares aceleram

muito os programas de melhoramento

Exemplo: introdução de um gene que

confere resistência a uma doença

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

© 2013 American Society of Plant Biologists

Transformação genética é outro método

que pode ser utilizado no melhoramento

Tomate de elite Planta resistente à doença (não é necessário ser da mesma espécie)

Tomate de elite e resistente à doença

A transformação genética permite que um único gene

seja introduzido no genoma. Este método é

mais rápido do que o melhoramento tradicional.

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

© 2013 American Society of Plant Biologists

Exemplo de transformação: bananeira resistente a

doença com um gene de pimenteiro

Resistente Suscetivel A bactéria (Xanthomonas campestris pv. musacearum) que ataca as bananeiras destrói completamente estas plantas. As bananeiras transgénicas com um gene de resistência do pimenteiro são resistentes à doença.

Tripathi, L., Mwaka, H., Tripathi, J.N., and Tushemereirwe, W.K. (2010). Expression of sweet pepper Hrap gene in banana enhances resistance to Xanthomonas campestris pv. musacearum. Molecular Plant Pathology 11: 721-731.

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

© 2013 American Society of Plant Biologists

Por que é que umas vezes se utiliza a transformação

genética e outras o melhoramento convencional?

Melhoramento convencional

1. A característica de interesse deve estar presente na população

2. Recursos genéticos devem estar disponíveis

3. Plantas devem ser propagadas sexualmente

Transformação genética

1. Genes podem ter origem em qualquer fonte

3. Plantas podem ser propagadas vegetativamente 2. Recursos genéticos não

são necessários Photo credits: Gramene.org Photo credits: Gramene.org ETH Life International

Adapted from TTPB (Plant Cell) Williams ME (2011) The Plant Cell (online), doi/10.1105/tpc.111.tt0511

sementes

teste

selecção

sementes

X

cruzamento

Melhorar uma árvore florestal demora

muito tempo!

As ferramentas da biotecnologia podem acelerar o melhoramento

Exemplo: propagação in vitro do pinheiro bravo

Propagação clonal in vitro do pinheiro bravo

Regeneração de rebentos adventícios

multiplicação axilar

Embriogénese somática

History of Agricultural Biotechnology: How Crop Development has Evolved (Nature Education) http://www.nature.com/scitable/knowledge/library/history-of-agricultural-biotechnology-how-crop-development-25885295 Engineer a crop http://www.pbs.org/wgbh/harvest/engineer/ Weed to wonder (DNA Learning Centre Cold Spring Harbor) http://www.weedtowonder.org/ Biotechnology Frequently Asked Questions (US Department of Agriculture) http://www.usda.gov/wps/portal/usda/usdahome?navid=AGRICULTURE&contentid=BiotechnologyFAQs.xml Agricultural Biotechnology (A Lot More than Just GM Crops) http://www.isaaa.org/resources/publications/agricultural_biotechnology/download/agricultural_biotechnology.pdf

Links úteis