1. GENTICA NA AGROPECURIA 2. GENTICA NA AGROPECURIA Lavras - MG 2012 Autores MagnoAntonioPatto Ramalho Joo Bosco dos Santos CsarAugusto BrasilPereira Pinto ElaineAparecidade Souza Flvia MariaAvelar Gonalves Joo Cndido de Souza 5a Edio Revisada 3. 2012 by MagnoAntonio Patto Ramalho, Joo Bosco dos Santos, CsarAugusto Brasil Pereira Pinto, Elaine Aparecida de Souza, Flvia Maria Avelar Gonalves e Joo Cndido de Souza Brasil Pereira Pinto. 5a Edio Revisada - 2012. Nenhuma parte desta publicao pode ser reproduzida, por qualquer meio ou forma, sem a autorizao escrita e prvia dos detentores do copyright. Direitos de publicao reservados Editora UFLA. Impresso no Brasil ISBN: xxxxxxxxxxxxx UNIVERSIDADE FEDERALDE LAVRAS Reitor: Antnio Nazareno Guimares Mendes Vice-Reitor: Jos Roberto Soares Scolforo Editora UFLA Campus UFLA - Pavilho 6 - Nave 2 Caixa Postal 3037 37200-000 Lavras MG Tel: (35) 3829-1532 Fax: (35) 3829-1551 E-mail: editora@editora.ufla.br Homepage: www.editora.ufla.br Diretoria Executiva: Renato Paiva (Diretor) Conselho Editorial: Renato Paiva (Presidente), Brgida de Souza, Flvio Meira Borm, Joelma Pereira e Luiz Antnio Augusto Gomes Administrao: Sebastio Gonalves Filho Secretaria Geral: Mariana Coelho Alonso Comercial/Financeiro: Glaucyane Paula Araujo Ramos e Quele Pereira de Gois Reviso de Texto: Rose Mary Chalfoun Bertolucci Referncias Bibliogrficas: Patrcia Carvalho de Morais Editorao Eletrnica: Fernanda Campos Pereira, Patrcia Carvalho de Morais e Renata de Lima Rezende Capa: Ernani Augusto de Souza Junior Ficha Catalografica Preparada pela Diviso de Processos Tcnicos da Biblioteca da UFLA xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 1.xxxxxxxxxxxxxxxx2.xxxxxxxxxxxxxxx3.xxxxxxxxxxxxxxxx 4.xxxxxxxxxxxxxx.5.xxxxxxxxxxxxxxx.I.xxxxxxxxxx. CDD xcxxxxxx 4. PREFCIO Aaceitao do livro Gentica naAgropecuria nas edies anterioresfoimuito grande, estimulando a publicao dessa nova edio. Como a gerao de novos conhecimentos cientficos enorme especialmente na Gentica, necessrio que as publicaes sejam constantemente revisadas e atualizadas. Nessa nova edio do livro procurou-se atualizar algunstemas. Todos os seis autores so professores da disciplina de Gentica de vrios cursos de graduao daUFLAh longo tempo. Na abordagemdos temasutilizou-se dessa experincia dos autores para expor os mesmos de modo o mais didtico possvel. Procurou-se tambm utilizardeexemplosligadosagropecuria.Deveserenfatizado, contudo,queo conhecimento de gentica obtido emqualquer organismo pode ser extrapolado para qualquer outro. Enfatizamos que essa publicao fruto da nossa experincia de ensino e, sobretudo por isso estamos vidos por sugestes da comunidade acadmica, professores, alunos de graduao e ps-graduao, que possammelhorar o contedo ou o modo de apresentao das nossas futuras edies. Os autores 5. SUMRIO 1 IMPORTNCIA DO ESTUDO DA GENTICA........................................... 13 1.1 INTRODUO................................................................................... 13 1.2 A GENTICA E SUA IMPORTNCIA............................................. 15 2 VARIAO E SEU SIGNIFICADO BIOLGICO............................ 23 2.1 INTRODUO................................................................................... 23 2.2 CONSERVAO DA VARIABILIDADE GENTICA................... 25 2.3 CONSERVAO DA VARIABILIDADE GENTICA NO BRASIL...................................................................................................... 28 2.4 CONSERVAO DA VARIABILIDADE GENTICA NO MUNDO..................................................................................................... 30 PROBLEMAS PROPOSTOS.............................................................. 33 3 GENTICA MOLECULAR.................................................................. 35 3.1 INTRODUO.................................................................................. 35 3.2 NATUREZA QUMICA DO MATERIAL GENTICO.................... 35 3.3 COMPOSIO QUMICA E ESTRUTURA DOS CIDOS NUCLICOS.............................................................................................. 41 3.4 FUNES DO MATERIAL GENTICO.......................................... 50 3.5 MANIFESTAO FENOTPICA...................................................... 76 3.6 ORIGEM DA VARIABILIDADE GENTICA.................................. 77 3.7 GENES, ALELOS E DNA................................................................. 82 PROBLEMAS PROPOSTOS............................................................. 84 4 ORGANIZAO DO MATERIAL GENTICO E DIVISO CELULAR.................................................................................................... 87 4.1 INTRODUO................................................................................... 87 4.2 DIVISO CELULAR......................................................................... 93 6. 4.3 CONSEQUNCIAS GENTICAS DA MITOSE.............................. 97 4.4 FORMAO DOS GAMETAS......................................................... 98 4.5 CONSEQUNCIAS GENTICAS DA MEIOSE.............................. 108 PROBLEMAS PROPOSTOS............................................................. 111 5 MENDELISMO....................................................................................... 113 5.1 INTRODUAO................................................................................... 113 5.2 ETAPAS NO ESTUDO DO CONTROLE GENTICO DE UM CARTER......................................................................................................... 113 5.3 CONCEITOS COMUMENTE UTILIZADOS PELOS GENETICISTAS............................................................................................... 119 5.4 ESTUDO DO CONTROLE GENETICO EM ANIMAIS................... 120 5.5 LEI DA DISTRIBUIO INDEPENDENTE.................................... 123 5.6 GENERALIZAES DAS PROPORES MENDELIANAS......... 126 5.7 MODO PRTICO PARA DETERMINAO DOS GAMETAS E DOS DESCENDENTES DE CRUZAMENTOS...................................... 127 PROBLEMAS PROPOSTOS.............................................................. 135 6 INTERAES ALLICAS E NO-ALLICAS................................ 141 6.1 INTRODUO................................................................................... 141 6.2 INTERAES ALLICAS................................................................ 141 6.3 INTERAES NO-ALLICAS OU GNICAS............................. 148 6.4 AUMENTANDO A COMPLEXIDADE............................................. 161 PROBLEMAS PROPOSTOS.............................................................. 164 7 BIOMETRIA............................................................................................ 167 7.1 INTRODUO................................................................................... 167 7.2 LEIS DE PROBABILIDADE.............................................................. 167 7.3 DISTRIBUIO DE PROBABILIDADE.......................................... 169 7.4 PROBABILIDADE DE SE OBTER UMA DETERMINADA COMBINAO GENOTPICA............................................................... 175 7.5 TESTE DE SIGNIFICNCIA - TESTE 2 5 ...................................... 177 PROBLEMAS PROPOSTOS.............................................................. 182 8 ALELISMO MLTIPLO....................................................................... 185 7. 8.1 ALELISMO MLTIPLO E A VARIABILIDADE DAS POPULAES................................................................................................. 185 8.2 EXEMPLOS DE ALELISMO MLTIPLO EM ANIMAIS.................. 187 8.3 EXEMPLOS DE ALELISMO MLTIPLO EM PLANTAS................. 192 8.4 TESTE DE ALELISMO.................................................................................. 201 PROBLEMAS PROPOSTOS.......................................................................... 204 9 LIGAO, PERMUTA GENTICA E PLEIOTROPIA.................. 207 9.1 INTRODUO................................................................................... 207 9.2 ESTIMATIVA DA FREQUNCIA DE RECOMBINAO (FR)....... 210 9.3 BASES CROMOSSMICAS DA PERMUTA................................... 214 9.4 PROVA CITOGENTICA DA OCORRNCIA DA PERMUTA....... 215 9.5 MAPA GENTICO............................................................................. 216 9.6 PLEIOTROPIA................................................................................... 226 9.7 CORRELAO GENTICA E SELEO INDIRETA.................... 228 PROBLEMAS PROPOSTOS.............................................................. 230 10 EFEITOS DO AMBIENTE NA EXPRESSO GNICA................. 235 10.1 INTRODUO................................................................................ 235 10.2 EFEITOS DO AMBIENTE NA MANIFESTAO FENOTPICA............................................................................................ 235 10.3 PENETRNCIA E EXPRESSIVIDADE........................................ 239 10.4 INTERAO GENTIPOS X AMBIENTES................................. 241 10.5 ESTIMATIVAS DE CONTRIBUIO DO EFEITO DOS GENTIPOS, AMBIENTES E DA INTERAO GENTIPOS X AMBIENTES.................................................................................................... 224 PROBLEMAS PROPOSTOS............................................................ 247 11 HERANA E SEXO.............................................................................. 251 11.1 INTRODUO............................................................................... 251 11.2 DETERMINAO DO SEXO PELAS CONDIES AMBIENTAIS.................................................................................................. 251 11.3 DETERMINAO GENTICA DO SEXO.................................... 252 11.4 GENES MASCULINIZANTES E FEMINILIZANTES................... 255 8. 11.5 EVOLUO DOS CROMOSSOMOS SEXUAIS........................... 257 11.6 DETERMINAO DO SEXO EM ABELHAS............................... 258 11.7 GINANDROMORFOS...................................................................... 259 11.8 DETERMINAO DO SEXO EM PLANTAS............................... 261 11.9 HEREDITARIEDADE EM RELAO AO SEXO......................... 262 PROBLEMAS PROPOSTOS............................................................ 268 12 GENTICA QUANTITATIVA............................................................ 271 12.1 INTRODUO................................................................................. 271 12.2 HIPTESE DOS FATORES MLTIPLOS POLIGENES.......... 271 12.3 INTERAES ALLICAS............................................................ 279 12.4 PREDIO DA MDIA DE UM CARTER EM POPULAES OBTIDAS POR CRUZAMENTO............................................................. 291 12.5 EMPREGO DE VARINCIA NO ESTUDO DOS CARACTERES QUANTITATIVOS................................................................................... 300 PROBLEMAS PROPOSTOS.................................................................. 312 13 GENTICA DE POPULAES......................................................... 317 13.1 INTRODUO............................................................................... 317 13.2 FREQUNCIAS ALLICAS E GENOTPICAS........................... 317 13.3 EQUILBRIO GENOTPICO DAS POPULAES...................... 319 13.4 TESTE DE EQUILBRIO DE HARDY-WEINBERG................... 321 13.5 ESTIMATIVA DAS FREQUNCIAS ALLICAS COM DOMINNCIA COMPLETA.................................................................... 321 13.6 FATORES QUE ALTERAM AS FREQUNCIAS ALLICAS E GENOTPICAS DE UMA POPULAO.............................................. 322 PROBLEMAS PROPOSTOS............................................................ 335 14 ABERRAES CROMOSSMICAS................................................ 337 14.1 INTRODUO................................................................................ 337 14.2 ABERRAES CROMOSSMICAS NUMRICAS.................... 337 14.3 ABERRAES CROMOSSMICAS ESTRUTURAIS................ 347 PROBLEMAS PROPOSTOS........................................................... 362 15 TEORIA SINTTICA DA EVOLUO............................................ 367 9. 15.1 INTRODUO............................................................................... 367 15.2 PROCESSO QUE CRIA VARIABILIDADE MUTAO......... 367 15.3 PROCESSOS QUE AMPLIAM A VARIABILIDADE.................. 368 15.4 PROCESSOS QUE ORIENTAM AS POPULAES PARA MAIOR ADAPTAO........................................................................... 370 15.5 ESPECIAO.................................................................................. 376 15.6 CONCEITO DE ALGUNS TERMOS.............................................. 378 16 EFEITO MATERNO E HERANA EXTRACROMOSSMICA.. 379 16.1 INTRODUO................................................................................ 379 16.2 EFEITO MATERNO........................................................................ 379 16.3 HERANA EXTRACROMOSSMICA........................................ 382 16.4 DIFERENA ENTRE EFEITO MATERNO E HERANA EXTRACROMOSSMICA.................................................................... 390 PROBLEMAS PROPOSTOS........................................................... 391 17 BIOTECNOLOGIA............................................................................... 395 17.1 INTRODUO............................................................................... 395 17.2 TCNICAS BIOTECNOLGICAS APLICADAS AOS VEGETAIS.............................................................................................. 395 17.3 TCNICAS BIOTECNOLGICAS APLICADAS AOS ANIMAIS DOMSTICOS...................................................................... 412 PROBLEMAS PROPOSTOS........................................................... 418 18 MARCADORES MOLECULARES.................................................... 421 18.1 INTRODUO............................................................................... 421 18.2 MARCADORES MORFOLGICOS............................................. 421 18.3 MARCADORES MOLECULARES............................................... 422 18.4 EMPREGO DOS MARCADORES MOLECULARES.................. 445 PROBLEMAS PROPOSTOS.......................................................... 473 19 REGULAO DA EXPRESSO GNICA...................................... 477 19.1 INTRODUO............................................................................... 477 19.2 PROCARIOTOS.............................................................................. 478 19.3 EUCARIOTOS................................................................................ 488 10. RESPOSTAS DOS PROBLEMAS PROPOSTOS.................................. 501 GLOSSRIO............................................................................................... 525 BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR.................................................... 555 11. 13 Importncia do Estudo da Gentica 1.1INTRODUO Gentica o estudo de dois fenmenos distintos: a hereditariedade e a variao. A hereditariedade o fenmeno pelo qual os descendentes se assemelham aos seus ascendentes. Como ser visto, no transcorrer da leitura desta publicao a informao para expresso fenotpica dos diferentes caracteres passada de pais para filhos por meio dos gametas. Emcontrapartida, a variao pode ser definida como sendo todas as diferenas ambientais ougenticas entre os organismosrelacionados pela descendncia. Dessa forma, asvariaestanto podemserdecorrentesexclusivamentedo meio e,portanto, no hereditrias, como tambmpodemser produzidas por alteraes na constituio gentica, sendo, nesse caso, hereditrias. Aparentemente, a hereditariedade e a variao so foras antagnicas. Isso porque, enquanto ahereditariedadeest relacionadacoma semelhana entre osindivduos no decorrer das geraes, a variao faz com que os indivduos sejamdiferentes. Embora antagnicas nesse aspecto, a hereditariedade e a variao so foras que se completam, pois, se por um lado a variao permite que existam diferenas sobre as quais atua a seleo havendo o melhoramento e evoluo, por outro lado, o resultado da seleo s ser positivo, ou seja, ser mantido, se a variao sobre a qualela atuou for herdvel. bem provvel que a gentica tenha despertado a ateno do homem h muitos e muitos anos. Existemevidncias de que h 10 mil anos, o homem j se preocupava com a seleo de plantas e animais para sua sobrevivncia. Muitas hipteses foram formuladas para explicar a transmisso das caractersticas hereditrias ao longo do tempo. Porm, a gentica recebeu seu maior impulso por meio dos trabalhos do monge agostiniano Gregor Mendel(Figura 1.1), realizados no finaldo sculo XIX e que receberamcrdito apenas no incio do sculo XX. H relatosde inmeros outrospesquisadoresantes de Mendelquetentaramelucidar as bases da hereditariedade, sem, contudo obteremsucesso. H algumas razes parao xito de Mendel, entre elas: a)Aescolha do material experimental. Ele trabalhou comervilha, uma planta deciclo curto, descendncia numerosa eque ocupa pequeno espao;b)Estudou vrios caracteres da ervilha, emrealidade sete, visando a ter certeza dos resultados obtidos; c) Foi 1 IMPORTNCIA DO ESTUDO DA GENTICA 12. 14 Gentica na Agropecuria persistente emconduzir o trabalho eemdefender suas idias, que eramdiferentes detudo que ocorria na poca. de se imaginar a sua angstia, como monge, tentando explicar os seus resultados acientistasfamosos da poca. Infelizmente, o trabalho de Mendel s foireconhecido em 1900, 16 anos aps a sua morte(1884),quandotrspesquisadores:DeVries,CorrenseTschermak, independentemente, mostraramque a teoria do mongeAgostiniano era correta.Assim, 1900 foiconsiderado o marco zero, ouo ano do nascimento da gentica. poressa razo que ela conhecida como uma cinciado sculo XX. A gentica , portanto, uma cincia relativamente nova, mas que tem evoludo espetacularmente, sobretudo porque despertou a ateno de vrios ramos do conhecimento humano. Estima-se que o tempo necessrio para dobrar o conhecimento cientfico de cerca de dez anos, mas esse tempo de apenas cinco anos para as cincias biolgicas e, no caso especfico da gentica, de pouco mais de um ano. FIGURA 1.1. Johannes Gregor Mendel. Filho de agricultores, nasceu na cidade de Brno, em 22 de julho de 1822. Aos 25 anos entrou para um mosteiro, onde pde continuar seus estudos em Zoologia, Botnica, Fsica e Matemtica. Em 1857, com cerca de 35 anos, iniciou em uma pequena rea do convento os seus trabalhos de hibridao com ervilha, que duraram cerca de 6 anos e contriburam decisivamente para elucidar os princpios da transmisso das informaes hereditrias (Freire Maia, 1995). 13. 15 Importncia do Estudo da Gentica 1.2 AGENTICAESUAIMPORTNCIA A gentica uma das cincias que foi, e ser a que mais temcontribudo para o bem estar da humanidade. Para evidenciar esse fato, os dados do crescimento populacionalso uma boa prova. Na figura 1.2, pode-se observar o que ocorreu com o crescimento da populao ao longo do tempo e o que estimado at 2025. Para se ter uma melhor ideia do que isso representa atualmente, a cada segundo nascemtrs novos habitantes. Emumdia, a populao do planeta acrescida de 240 mil habitantes. Quais as consequncias do crescimento populacional dessa magnitude? Sero inmeras as consequncias, entre elas pode-se citar:i)incremento nos problemas desadeda populao. ii) ademanda poralimento ser crescente. iii) as questes ambientaisprincipalmente relacionadas ao consumo de gua, produo de lixo e muitos outros iro acentuar. iv) aumento da competio no mercado de trabalho, entre outros. Agentica contribuiu e continuar contribuindo na soluo desses problemas. No caso da sade, por exemplo, quanto maior a densidade demogrfica mais fcil a disseminao dos agentes patognicos e as epidemias so muito mais frequentes. No o objetivo dessa publicao enfocar a gentica mdica, contudo, vale salientar que, atualmente, h evidncias de que praticamente todas as patologias so hereditrias. No sem propsito, que entre as reas da gentica, a mdica a que mais cresce e possui uma maior contingentede profissionais envolvidos no seu estudo. Atnaquesto do saneamento bsico, a gentica contribuiu eter participao decisiva no futuro. Alguns organismos j foram selecionados visando despoluio de reas contaminadas. Essa uma rea emque as perspectivas da gentica emcontribuir na reduo do impacto ambiental enorme. Nesse momento, o que interessa mostrar a participao da gentica na soluo dos problemasdecorrentesdademandadealimentos,fibrasebiocombustvel. Nodifcilimaginar o consumo dirio de alimentos de uma populao superior a 8 bilhes de habitantes em 2025. Almdo mais, o crescimento populacionalocorre especialmentenos centros urbanos. O que se espera que a grande maioria da populao se concentre emcidades commais de 100 milhabitantese que, apenas umaparcela se dedique produo de alimentos primrios. Isso indica que, alm da necessidade de produzir uma maior quantidade de alimentos, essa atividade ser realizadapor umcontingente de agricultores, proporcionalmente, beminferior ao existente nos dias de hoje. Nosseus primeirosanos, a gentica sepreocupou emconhecer o controle gentico dos caracteres. Porm, a partir dos anos 50 foram intensificadas as pesquisas sobre a natureza qumicadogene, seu funcionamento eregulao que contriburamparao desenvolvimento de uma novarea, agentica moleculareumadastecnologiasgeradas ado DNArecombinante. 14. 16 Gentica na Agropecuria Esses dados s no so mais dramticos porque a experincia do passado possibilita afirmar queo homemdispede tecnologiapara produzir alimentosnaquantidadee qualidade necessriasparaatenders necessidadesdapopulao. Dentreastecnologiasquecontriburam e devero continuarcontribuindo para oaumento na produo dealimentos, o melhoramento gentico de plantas e animais se destaca. Nesse aspecto, so conhecidos muitos exemplos da contribuio efetiva do melhoramento gentico. Entre os inmeros casos, umdos mais expressivos foia produo de milho hbrido, iniciada comos trabalhos de G.H. Shull, E.M. East e D.J. Jones, nas duasprimeiras dcadas do sculo XX.At 1940, quando os primeiros hbridos foramrecomendados aos agricultores, a produtividade foipraticamente a mesma (Figura 1.3).Apartir da, o crescimento em produtividade foiespetacular. Em Minnesotta (EUA), porexemplo, a produtividade passoude 2010 kg/ha em1930, para aproximadamente 10.000 kg/ha em2010. FIGURA 1.2. Crescimento da populao humana a partir de 1650 e sua projeo para o ano de 2025. 15. 17 Importncia do Estudo da Gentica FIGURA 1.3. Dados da produtividade de gros de milho (t/ha) de 1860 a 2008 nos Estados Unidos. Esseexpressivo aumentonaprodutividadepodeseratribudo melhoriadeumasriede prticas culturais;porm, o melhoramento gentico, pela incluso do milho hbrido no sistema produtivo, foiresponsvelporcercade58%desseganho emprodutividade.Seforconsiderado que s os Estados Unidos produzem atualmente mais de 260 milhes de toneladas/ano de milho, fcildeduzira importnciasocialeeconmica doaprimoramento gentico obtido. O melhoramento gentico das plantas temsido realizado de vrias formas, como, por exemplo, a introduo de alelos de resistncia a pragas e doenas, s condies adversas de solo e clima e tambmmelhorando a arquitetura da planta. Nesse ltimo aspecto, destacou- se umtrabalho realizado comacultura do arroz, que foifundamentalno que se denominou de revoluo verde e contribuiu para que a partir de 1960, quando a populao do planeta sofreu o seu maior crescimento, no houvesse falta desse importante alimento. O cultivo do arroz, em quase todo planeta realizado sob o sistema de inundao. At 1960, uma das cultivares mais utilizadas era a PETAque tinha porte alto. Para incrementar a produo de gros porrea, eranecessrio utilizardoses crescentesdefertilizantesnitrogenados. Contudo, quando essas plantas de porte alto recebiamdoses crescentes de nitrognio, o crescimento vegetativo era excessivo e elas acamavam, colocando os gros em contato com a gua. Nessa situao, a produtividade de gros reduzia, ao invs de aumentar como era de se esperar (Figura 1.4). Os geneticistas encontraramuma linhagemque crescia pouco, planta 16. 18 Gentica na Agropecuria baixa, DEE-GEE-WOO-GEN. A produtividade dessa linhagem era muito baixa, impossibilitando o seu uso comercial. Emcruzamento, contudo, coma PETApossibilitou a obteno de plantas de porte intermedirias e muito produtivas. Desse trabalho, foiobtida, por exemplo, a cultivar IR-8, que, ao contrrio da PETA, apresentava grande resposta ao fertilizante nitrogenado, semacamar, permitindo obter enorme produtividade de gros por rea, to necessria em vrias regies do planeta em que a demanda por arroz era grande e a rea agrcola era escassa, tais como: China, Filipinas e muitos outros pases. FIGURA1.4. Aobteno da cultivar IR-8, (A) proveniente do cruzamento da Peta, muito alta e a DEE-GEE-WOO-GEN, muito baixa. (B) comparao da performance das cultivares de arroz PETA e IR-8 em doses crescentes de nitrognio, tanto em ano agrcola com pouca ou muita precipitao (chuva). Fonte: Chrispeels e Sadava (1994). A contribuio do melhoramento gentico no Brasil tambm foi decisiva. O pas apresentou a maior taxa de crescimento no sculo XX, quando a populao aumentou 10 vezes. No entanto, o incremento emprodutividade emgros por rea, possibilitou que no s fosse possvel alimentar toda a populao como tambm houve grande excedente exportvelcompraticamente a mesma rea agrcola (Figura 1.5). 17. 19 Importncia do Estudo da Gentica FIGURA 1.5. Produo (milhes de toneladas) e rea colhida de gros (milhes de hectares) no Brasil. (IBGE, 2011). Apenas para exemplificar, ser considerado o caso da soja. Essaleguminosa at 1970 concentrava-se no sul do Brasil. Isso porque, a soja uma espcie originria da China, domesticada e cultivada sob condies de dias longos, isto , mais de 18 horas de luz. Quando as cultivares existentes antes de 1970, eramcultivadas mais prximas do equador em que o comprimento do dia prximo de 12 horas, floresciam precocemente sem as plantas atingiremumbomdesenvolvimento vegetativo. Como consequncia, a produtividade por rea era muito baixa, impedindo o seu cultivo comercialmente. Geneticistas brasileiros, conseguiramselecionar plantas comperodo juvenillongo. Essas plantas, mesmo comdias curtos, vegetamprimeiro, atingemumbomcrescimento, e s ento iniciamo florescimento. Nessa condio, a produtividade obtida economicamente vivel. Almdesse carter, os geneticistas selecionaramplantas mais adaptadas a regies sob vegetao de cerrado. Por exemplo, foramselecionadas estirpes de Rhizobium adaptadas ao cultivo de solo de cerrado. Como resultado desses esforos, no se empregam mais fertilizantes nitrogenados no cultivo da soja no Brasile a produo passou de pouco mais de 2 milhesde toneladasem1970paraprximo de60milhes nasafrade2009/2010.Aumento de praticamente 30 vezes em30 anos (Figura 1.6).Adicionalmente ocorreu a economia de fertilizantes nitrogenados que atualmente superior a 4milhes de toneladas. O eucalipto, outra espcie extica, um exemplo de muito sucesso obtido por pesquisadores brasileiros. Em 1960, a produtividade era de 20 m3 /ha/ano de madeira, atualmente ela superior a 45 m3 /ha/ano. Aprodutividade de celulose que era 5,8t/ha/ano passou para mais de 11t/ha/ano. Esse excepcionalincremento emumperodo to curto foi 18. 20 Gentica na Agropecuria decorrente da melhoria do manejo e, sobretudo, ao melhoramento gentico. Foram selecionados os indivduos superiores e que foram perpetuados por meio de propagao assexuada, (clone). FIGURA 1.6. Evoluo da produo de soja no Brasil. Fonte: IBGE (2009). Todas as informaesdisponveis apontamque a agriculturabrasileira serresponsvel no s para atender ao mercado interno de alimentos, fibras e biocombustvel, mas tambm o mercado externo. Isso porque em vrios pases em que a populao crescente, no existemmais possibilidades de incrementos na produo de produtos vegetais. No caso dos animais, a contribuio do melhoramento gentico tambm teve o mesmo sucesso obtido com as plantas. O melhoramento das aves, por exemplo, proporcionou a obteno de novos hbridos, tanto visando produo de carne como de ovos, que contriburampara uma verdadeira revoluo na avicultura. Como prova disso, as companhias de melhoramento gentico de aves conseguiram aumentar o peso mdio das aves de 1.500 g aos 105 dias, em 1930, para 2.300 g aos 42 dias, em 2008. Como pode ser observado, o melhoramento gentico proporcionou aumento de 53% no peso mdio das aves e, principalmente, reduo de 63 dias no perodo para estarememcondio de seremabatidas. Simultaneamente, a converso alimentar passou de 3,50:1 para 1,88:1. Em se tratando de postura, a melhoria da eficincia das aves foiequivalente, ou superior quela obtida para a produo de carne.As aves caipiras - no melhoradas - produzem, em mdia, 60 a 80 ovos /ave/ano, ao passo que as aves melhoradas esto produzindo 270 ovos/ave/ano. Esses dados mostram que o melhoramento gentico possibilitou uma verdadeira revoluo na explorao avcola, permitindo que os produtos da avicultura se Produox106 (t) 19. 21 Importncia do Estudo da Gentica tornassemmais competitivos no mercado. O Brasil atualmente o principalexportador de carnes e ovos, mas ainda pode e deve desenvolver o melhoramento gentico das aves, reduzindo a necessidade da importao de matrizes de outros paises. A bovinocultura brasileira, tanto de leite como de carne, tambmapresentou enorme crescimento nos ltimos anos. Na tabela 1.1, mostra-se a participao de alguns pases na produo de carne bovina. Veja que o Brasil o segundo mair produtor e , atualmente, o principalexportador de carne do planeta. Isso foipossvelemrazo damelhoria do manejo, dos aspectos de sanidade animal e, sobretudo, ao melhoramento gentico. Nesse ltimo aspecto, vale salientar que o Brasil exporta matrizes selecionadas para inmeros pases, evidenciando o trabalho realizado emmelhoramento gentico animalno pas. TABELA 1.1. Principais pases produtores e exportadores de carne bovina no perodo de 2001 a 2007. (Dados 1.000 toneladas equivalente de carcaa). Fonte:Agroanalysis (2008). Pas Produtores 2001 2007 % do mercado EUA 11.983 12.096 20,0 Brasil 6.895 9.470 15,7 Unio Europia 8.346 8.175 13,5 China 5.503 7.494 12,4 Argentina 2.640 3.200 5,3 ndia 1.770 2.500 4,1 Mxico 1.925 2.200 3,6 Austrlia 2.049 2.197 3,6 Mundo 53.377 60.437 100,0 Pas Exportadores 2001 2007 % do mercado Brasil 741 2.189 28,8 Austrlia 1.376 1.400 18,4 ndia 365 735 9,7 EUA 1.029 649 8,5 Argentina 169 532 7,0 Total 5.842 7.605 100,00 Aimportncia dagenticano se limitaao melhoramento gentico deplantas e animais. Vrias contribuies so tambmconhecidas emoutras reas, como na medicina. O caso da produo de penicilinailustra bemesse fato, uma vez que a linhagemoriginaldePenicillium chrysogennum, utilizada por Fleming, produzia 2mg/lde penicilina, enquanto as linhagens melhoradas atuais produzem20g/l, ou seja, umaumento 10 milvezes emrelao produo original. 20. 22 Gentica na Agropecuria Como advento da biotecnologia especialmente a tecnologia do DNArecombinante e a genmica, contribuies importantes ocorreram, tais como: a produo de insulina e do hormnio de crescimento somatostatina. Amaior eficincia da produo desses produtos permitiu atender demanda mundialque crescente e a umpreo muito mais acessvel. No caso das plantas a introduo da resistncia ao herbicida glifosato e a vrios insetos (Bt), ambos os genes encontrados em bactrias do solo, para plantas de soja, milho e outros vegetais, temmelhorado sensivelmente o manejo das culturas. A esperana que em breve, algumas plantas e/ou animais domsticos possam ser transformados emverdadeiras fbricas de medicamentos. Esse fato j vemocorrendo no caso de ovelhastransgnicas que produzemuma protenateraputica, antitrombina humana, que j comercializada nos EUA e Europa. Pesquisadores da regio nordeste do Brasil, utilizandocaprinostransgnicosestotrabalhando ativamentenaproduodeprotenahumana. O consumo de leite dessas cabras pelas populaes mais carentes, poder suprir as necessidades dos indivduos, sobretudo de certas protenas que so deficientes emalgumas crianas. Em 1997, foi divulgado o primeiro caso de clonagem em animais - a obteno da ovelha Dolly, por geneticistas escoceses. Pouco tempo depois geneticistas brasileiros conseguiramclonar o primeiro bovino, que foidenominado de Vitria. Essas descobertas mostram, mais umavez, a capacidade criativado homeme vislumbravrias possibilidades de queoscientistas, conscientesdasuaresponsabilidade, podero no futurodesenvolverinmeras tecnologias que, certamente, permitiro que muitas realizaes da gentica, atualmente consideradas como fico, tornem-se realidade. O sequenciamento do DNA-genoma, de vriasespcies atualmente umarotina. Esse fato permitevislumbrar inmeras contribuies no s emtermos deconhecimento cientfico da atuao dosgenes, como de aplicao tecnolgica, visando melhoria do padro de vida da sociedade humananunca antes imaginada. Finalmente,meritriocomentarqueopapeldosgeneticistasquedesenvolverampesquisas relacionadas coma agropecuria temsido reconhecido pela sociedade emvrias ocasies. Tanto assimque geneticistas j foramlaureados como prmio Nobel. Entre eles, merece meno o Dr. Norman Borlaug que recebeu o prmio Nobel da Paz de 1970 pelas suas pesquisas, durante mais de vinte e cinco anos, no melhoramento do trigo, e tambma Dra. Barbara McClintockque, trabalhando comcitogenticado milho, recebeu o prmio Nobelde Fisiologia e Medicinaem1983, visto queos seus trabalhos abriramperspectivas, entre outras coisas, paraquemuitas doenas hereditrias pudessemsermais eficientementecontroladas. 21. 23 Variao e Seu SignificadoBiolgico 2.1 INTRODUO Todos os organismos que constituem uma dada espcie animal ou vegetal so semelhantes, emdecorrncia de receberemmaterialgentico de ancestrais comuns. Porm, emuma anlise mais detalhada de dois ou mais indivduos dessa espcie, notamos que eles nemsempre socompletamente idnticos, ao contrrio, notam-sediferenas fenotpicas para vrias caractersticas. Essas diferenas constituemavariao. Para que possamos entender melhor a natureza dessa variao preciso inicialmente forneceralgunsconceitos.Oprimeiroo quedenominamosdecarter, ouseja, asinformaes queidentificamumindivduo. Assim,tomandocomo exemploumaplantademilho,hinmeros caracteres, isto, altura da planta, cor das folhas, tamanho das razes, cor dosgros, tamanho dos gros, teor de protena, produtividade de gros, etc., que identificamcada planta. Se fosse umbovino, entre os caracteres que identificamo indivduo estariam o sexo, a cor da pelagem, a presena ou no de chifres, a produtividade de leite e o teor de gordura no leite. As diferentes expresses de umdado carter constituemo que denominamos defentipo. Para o carter altura da planta de milho o fentipo pode ser alto ou baixo, para a cor dos gros o fentipo pode ser amarelo ou branco. J para a produo de leite de uma vaca, o fentipo podeassumir qualquer valor emtermos de kg deleite por lactao, enquanto para a cor da pelagemo fentipo pode ser preto e branco ou vermelho e branco. importantesalientar que paraumamesma espcie todos osindivduos apresentamos mesmos caracteres e, portanto, a variao observada entre esses indivduos a variao fenotpica. Ela pode ocorrer emvirtude de diferenas ambientais (variao ambiental) a que os indivduosesto submetidos ou ocorrer por causa de diferenasemsuas constituies genticas (variao gentica). Avariao ambientalse deve aqualquer diferena, excetuando-se aquelasde natureza gentica, queseoriginamemfuno deflutuaesnafertilidadedosolo, nutrio, temperatura, incidncia de doenas ou pragas, umidade, etc.Assim, se tomarmos dois pedaos do caule (manivas) retiradasde uma mesma planta de mandioca, portanto geneticamenteidnticas, e plantarmos emcondies diferentes de fertilidade, uma das plantas produzir muito mais razes do que a outra.Avariao fenotpica, nesse caso, toda ambiental. 2 VARIAO E SEU SIGNIFICADO BIOLGICO 22. 24 Gentica na Agropecuria oportuno salientarque a variao ambientalquase sempre est presente, o que muda a intensidade comque ela pode se manifestar. Umoutro aspecto da variao ambiental que ela nuncapode ser transmitida descendncia. Por exemplo, se umavaca apresenta uma alta produo de leite, emrazo do excelente manejo dado pelo pecuarista, a produtividade de sua descendncia ser inferior, se os animais forem submetidos a piores condies de manejo.Assim, comoavariao ambientalno transmitidadescendncia, elano utilizada na seleo e, portanto, no promoveo melhoramento gentico. Contudo, como veremos em algunstpicosdocurso,o seuefeitopodedificultaro trabalho domelhoristano reconhecimento dos indivduosgeneticamente superiores. Avariao genticaaparece emdecorrncia das diferenasnas constituies genticas que, por sua vez, surgempela mutao (Captulo 3). Ao contrrio da variao ambiental, a variao gentica pode, pelo menos emparte, ser transmitida descendncia e, portanto, hereditria, sendo, por esta razo, essencial para o melhoramento gentico das espcies domesticadas e para a evoluo de todas as espcies (Captulo 15). A existncia de variao gentica comum a todas as espcies biolgicas e ocorre praticamente paratodas as caractersticas de uma espcie. Desse modo, tmsido observadas variaes para a colorao de flores deroseiras, produtividade de gros de arroz, colorao de gros do feijoeiro, altura dervores de Pinus, densidadeda madeira de eucalipto, teor de amido emtubrculos de batata, teor de leo emsementes de soja, colorao da pelagemde cavalos, produo deleite emvacas, comprimento da carcaa de sunos, colorao da casca do ovo de galinhas, suscetibilidade ou resistnciaa certos patgenos, ou seja, para todos os caracteres das diferentes espcies. Esses exemplos mostram que possvel realizar a seleo e, consequentemente, promover o melhoramento gentico para qualquer espcie e, praticamente, qualquer carter de interesse. Para isso, o geneticista ou melhorista deve ser capaz no s de detectar a ocorrncia da variao fenotpica, mas, sobretudo, de identificar sua natureza, isto , se gentica e/ou ambiental. Principalmente, emrazo das exigncias do mercado consumidor e dos produtores, as cultivaresde plantase asraas deanimaisso cadavez mais uniformes. Essa uniformidade , semdvidanenhuma, umrisco paraa agropecuriamundial.Assim, porexemplo, seocorrer umpatgeno ao qualo gentipo suscetvel, todos os indivduos sero afetados comgraves consequncias para a espcie. Aexistncia de variabilidade gentica importante para a continuidade das espcies e, tambm, para que, por meio do melhoramento gentico, sejam obtidas novascombinaes de maior interesse para o homem. Deve-se considerar ainda que as necessidades humanas variam com o tempo, de modo que a demanda futura para caractersticas especficas podemser diferentes das atuais.Almdisso, mudanas climticas podem ocorrer tornando-se necessria a obteno de novas cultivares de plantasou raas 23. 25 Variao e Seu SignificadoBiolgico de animais mais adaptadas a essas condies. Assim, fundamental que tenhamos variabilidade suficiente paraatender aos requisitos exigidos nosprogramas de melhoramento gentico. 2.2 CONSERVAODAVARIABILIDADEGENTICA A preservao da variabilidade, ou a conservao dos recursos genticos considerada uma das questes mais importantes para a sobrevivncia da humanidade e tem recebido a ateno dos governantes. Adiversidade representa a base biolgica para que se possa produzir os alimentos hoje, bem como dispor de meios para enfrentar os desafios futuros emtermos de crescimento populacional, mudanas climticas e presena de pragas e doenas, que esto em constante evoluo. Aconservao das espcies pode ser feita in situ ou ex situ. No primeiro caso, a conservao da variabilidade gentica feita no ambiente onde a espcie se evoluiu e, no segundo caso, a conservao realizada embancos degermoplasma, entendendo-se comogermoplasma umconjunto de indivduos representativos de uma espcie. A escolha da forma de conservao depender de diversos fatores, entre eles se o material cultivadoou selvagemedadisponibilidade derecursosfsicose financeiros. Quanto ao germoplasma a ser conservado, eles se enquadram emquatro categorias: (a) cultivares avanadas, atualmenteemuso ouno,masutilizadascomercialmente;(b)variedadesprimitivas; (c) parentesselvagensdas culturasatuaisouanimaiscompotencialdeutilizao e(d)estoques genticos, tais como, mutaes ou estoques citogenticos(translocaes, inverses, etc.). 2.2.1 conservao in situ A conservao in situ tem sido preferida para as espcies selvagens e parentes das culturas que ocorremna natureza. Os alelos dessas espcies podemser transferidos para a espcie cultivada, contribuindo para aumentaratolerncia a condies deestresse ambiental, bemcomo a resistncia a pragas e doenas; almdisso, tmsido encontrados muitos alelos que conferemmelhor sabor, qualidades culinrias e valor nutricional. Uma das vantagens preconizadas para a conservao in situ a possibilidade das espcies continuarem seus processos evolutivos, o que lhes permitiria coevoluremcomos seus patgenose pragas. Por outro lado, esse tipo de conservao no adequado para cultivares. Umoutro aspecto que deve ser considerado, a existncia de umgrande nmero de espcies selvagens e parentes das espcies cultivadas, tornando invivelsua conservao ex situ. A conservao in situ temsido realizada pelo estabelecimento de reas protegidas, como as reservas naturais e parquesnacionais.Algumas vezes, asreservas so estabelecidas paraproteger umapaisagemfamosa ou salvarummamfero ouave rarada extino. Situao mais rara a criao de reservas para proteger parentes silvestres de espcies de plantas 24. 26 Gentica na Agropecuria cultivadas. Contudo, o estabelecimento das reservas naturais, muitas vezes, contempla, casualmente, osparentes silvestres. 2.2.2 conservao ex situ A principalnfase para a conservao da variabilidade genticaex situ temsido dada paraascultivaresprimitivas dasespcies maisimportantes.Arazo disso que essas cultivares tiveramumpapelrelevanteno desenvolvimentocientfico daagricultura, sendoosancestraisde todas as cultivares modernas. Uma outra razo importante que esse materialtemumvalor potencialcomo fontede variao paraos futuros programas demelhoramento gentico, alm de estarsobuma eminente ameaade extino. O banco degermoplasma o localonde se armazena o materialgentico das espcies de interesse. Em outras palavras, banco de germoplasma umbanco de alelos, que so as formas alternativas dos genes e que caracterizama existncia de diversidade gentica. Em realidade, os bancos de germoplasma no possuem apenas a funo de armazenar o germoplasma, sendo tambmresponsveispelasatividadesdeprospeco, coleta, introduo, intercmbio, quarentena, caracterizao, conservao, inspeo, multiplicaoe regenerao do germoplasma. a) Prospeco e coleta - A prospeco uma atividade que antecede a coleta do germoplasma e objetiva efetuar um estudo preliminar para assegurar o sucesso de uma expedio de coleta.Acoleta deve ser realizada de preferncia emregies onde a espcie possuimaior variabilidade.Assim, uma coleta de germoplasma de milho no Brasilno deve ser realizada no Sudeste, onde a agricultura mais evoluda e quase todos os agricultores adquiremsementes melhoradas. Por outro lado, no Norte e Nordeste, principalmente entre osindgenas, aindaso encontradosvriostiposdemilho que, pornoteremsido selecionados, ainda mantmuma grande variabilidade. J, na coleta de germoplasmade amendoim, seriam visitadas algumasregies do SuldeMinas, onde h evidnciasde que essa espcie temmaior diversidade. Umaspecto importante a ser observado na coleta o tamanho da amostra, que varia, principalmente emfuno do modo de reproduo da espcie. No basta apenas coletar um ou poucosindivduos emcada propriedade, pois esse pequeno nmero pode no representar o germoplasma aliexistente.Tambmno sedevecoletarumnmeroexcessivo deindivduos, pois o nmero de amostras (acessos) queo banco de germoplasma pode conservar restrito. b) Introduo, intercmbio e quarentena - Uma outra forma de obteno de acessos para umbanco de germoplasma por meio da introduo e intercmbio. O intercmbio se constitui no recebimento e envio de germoplasma para outros centros de conservao, podendo ser considerado uma das formas mais efetivas de aumento de variabilidade a ser 25. 27 Variao e Seu SignificadoBiolgico preservada. Normalmente, o intercmbio e o servio de quarentena so atividades de um mesmo setor dentro dos grandes bancos de germoplasma, que tema responsabilidade de reduzir os riscos de introduo inadvertida de enfermidades e pragas no pas, ou regio que recebe o material gentico. O setor de intercmbio e quarentena, normalmente, possui laboratriosdebacteriologia,micologia, virologia, nematologiaeentomologia,visando aevitar a disseminao desses patgenos e pragas. c) Caracterizao - Aps a coleta ou introduo, o acesso deve ser, se possvel, caracterizado, permitindo aos melhoristas tomar conhecimento das qualidades disponveis no germoplasma das espcies que sero preservadas. Essas informaes variam com a espcie, mas geralmente apresentam descries sobre resistncia s pragas e patgenos, caractersticas de gros, tolerncia a estressesambientais, etc. Os responsveis pelos bancos de germoplasma, periodicamente, publicam esses dados para fornecer, especialmente aos melhoristas, as informaes que eles mais necessitama respeito do germoplasma disponvel. d) Conservao - Existem diversos mtodos de conservao ex situ, tais como bancos de sementes, preservao in vivo, cultura de tecidos e criopreservao para plen, meristemas, embries, smen e microrganismos. As sementes so a forma mais apropriada para armazenamento de germoplasma vegetal, pois, geralmente, so de tamanho reduzido e ocupam pequeno espao. Para fins de armazenamento, elas so classificadas em dois grandes grupos: 1) Sementes ortodoxas - aquelas que podem ser dessecadas a baixos teores de umidade (4 a 6%) e armazenadas por longos perodos em cmaras frias, em embalagens hermticas. Como exemplos, temos o milho, feijo, trigo, arroz, soja, algodo, cebola, cenoura, tomate, eucalipto, etc. 2) Sementes recalcitrantes - aquelas que morremrapidamente quando dessecadas abaixo dedeterminadosnveiscrticos, podendo, por isso, serarmazenadasapenasporpoucas semanas ou meses. Como exemplos, citam-se o caf e cacau. As espcies que no produzemsementes comfacilidade ou queapresentamsementes recalcitrantes tm sido conservadas na forma in vivo, isto , em colees de plantas vivas. Demodo geral,esse sistemadepreservaomaistrabalhoso queaconservao de sementes, alm de estar sujeito a desastres naturais como fogo e ataque de pragas e doenas. No entanto, constituiuma das nicas formas de conservao de algumas espcies florestais e de espcies animais. A conservao na forma de cultura de tecidos bastante apropriada, principalmente para espciesde propagao vegetativa ouque produzemsementes compouca frequncia. Para fins de conservao do germoplasma, a cultura de tecidos, utilizada de maneira que o crescimento seja retardado, evitando multiplicaes constantes. Bancosde germoplasmain vitro j esto bem estabelecidos para mandioca, batata, batata-doce e algumas espcies frutferastemperadas. 26. 28 Gentica na Agropecuria e) Multiplicao e regenerao - A multiplicao a reproduo de um acesso para atender demandados melhoristasouparafinsdeintercmbio. Cuidadosdevemsertomados no processo de amostragem (tamanho da amostra), evitando alteraes nas frequncias allicas. Normalmente, amultiplicao sedemcondiesdecampo, oudecasadevegetao, principalmente, quando se trata de espcie propagada por sementes. A regenerao a reproduo de um acesso visando manuteno da sua integridade gentica e a sua conservao por maisumperodo de tempo no banco. Recomenda-seque essa regenerao devaserfeita, toda vezqueassementesarmazenadas apresentemporcentagemde germinao mnima para cada espcie. No caso de espcies mantidas in vitro, as plntulas devem ser transferidas paracasas de vegetao, permitindo o seu revigoramento vegetativo. Ointervalo de tempo entre uma regenerao e outra deve ser determinado para cada espcie, levando- se em considerao se a espcie conservada na forma de sementes ou in vitro. Para as espcies conservadas in vitro, normalmente, o intervalo bem mais curto do que para as conservadas como sementes que, muitas vezes, podemser armazenadas por muitos anos, at mais de umsculo, no caso de gramneas. 2.3 CONSERVAODAVARIABILIDADEGENTICANOBRASIL No Brasil,aconservao davariabilidadegenticatemsido coordendapelaEMBRAPA Recursos Genticos e Biotecnologia (CENARGEN) fundada em 1974. O CENARGEN iniciou as atividades de coleta, em 1975, e conta hoje com mais de 350.000 acessos de feijo, arroz, cevada, soja, trigo, sorgo, milho, caupi, algodo, triticale, amendoim, aveia e outras espcies. Algumas espcies de propagao vegetativacomo mandioca, batata-doce, car, batata, banana, morango e aspargo so conservadas in vitro. Aconservao ex situ tambm feita em diversos bancos de germoplasma distribudos nas vrias unidades da Embrapa (Tabela 2.1). A conservao in situ, no CENARGEN, iniciou-se em 1984, com a criao de 5 reservas genticas onde so preservadas espcies como o pinheiro-do-Paran, imbua, erva- mate, jequitib, cedro, angico, mogno, etc. O CENARGEN tambm se preocupa com a conservao de germoplasma animal iniciada em 1981. A conservao feita in vivo nos ncleos de criao e inclui bovinos (Mocho Nacional, Crioulo Lageano, Pantaneiro, Curraleiro), bubalinos (Baio e Carabao), ovinos (Crioulo Lanado, Santa Ins e Morada Nova); equinos (Lavradeiro e Pantaneiro), asininos (Jumento Nordestino e Jegue), caprinos (Moxot, Marota, Canind e Repartida), sunos (Moura, Caruncho, Pirapetinga, Piau, Canastra, Macao e Nilo) e aves. Amaioria dessas raas est no Brasil desde o perodo colonial e desenvolveram rusticidade e adaptabilidade que so importantes para osprogramas de melhoramento. Realiza-se, ainda, a criopreservao de smen e embries de bovinos e smen de caprinos. 27. 29 Variao e Seu SignificadoBiolgico TABELA2.1.Constituiodascuradoriasdebancosativosdegermoplasma,nasunidadesdaEmbrapa. Fonte: Wetsel e Ferreira (2007) Unidade da Embrapa Curadoria de Bancos ativos de germoplasma Local Embrapa Agrobiologia Microrganismos: bactrias diazotrficas e Microrganismos: bactrias micorrizas Itagua, RJ Embrapa Agroindstria Tropical Caju; Flores e espcies ornamentais tropicais Fortaleza, CE Embrapa Algodo Algodo, Sisal, Amendoim, Gergelim e Mamona Campina Grande, PB Embrapa Amaznica Ocidental Caiau, dend, Capuau, Guaran, Mandioca, Plantas condimentares, medicinais, aromticas, Espcies florestais, Fruteiras tropicais e Crton Manaus, AM Embrapa Amaznica Oriental Palmeiras, Plantas inseticidas, Bfalos, Culturas industriais, Forrageiras, Fruteiras, Mandioca, Plantas condimentares, Plantas medicinais, Plantas fibrosas-curau, Cupuau, Bacuri, Camu-Camu, Poney puruca e Cavalo Marajoara Belm, PA Embrapa Arroz e Feijo Arroz e Feijo Goinia, GO Embrapa Caprinos Caprinos da raa Canind e Moxot Sobral. CE Embrapa Cerrados Mandioca, Quinoa, Seringueira, Plantas medicinais, Forragerias, Eucalyptus e Pinus e Abacate Braslia, DF Embrapa Clima Temperado Azevm, Batata-doce, Batatas cultivadas e silvestre, Frutas nativas, Cenoura, Capsicum, Cebola, Cucurbitceas, Espinheira-santa e Prunideas Pelotas, RS Embrapa Florestas Conferas folhosas Colombo, PR Embrapa GadodeCorte Brachiaria, Panicum e Stylosanthes CampoGrande,MS Embrapa Hortalias Abbora, Moranga, Alho, Batata-doce, Mandioquinha-salsa e Berinjela Braslia, DF Embrapa Mandioca e Fruticultura Tropical Mandioca, Citros, Abacaxi, Acerola, Banana, Mamo e Maracuj Cruz das Almas, BA Embrapa Meio-Norte Bovino da Raa P-duro, Caprinos da Raa Marota, Caprino da Raa Azul e Feijo caupi Teresina, PI Embrapa Milho e Sorgo Milheto, Milho e Sorgo Sete Lagoas, MG Embrapa Pantanal Bovino Pantaneiro e Cavalo Pantaneiro Corumb, MS Embrapa Pecuria Sudeste Paspalum So Carlos, SP Embrapa Pecuria Sul Ovelha Crioula Lanada e Forrageiras Bag, RS Embrapa Recursos Genticos e Biotecnologia Cogumelos, Espcies florestais nativas e pinus, Arachis, Menta, Manihot, Plantas ornamentais, Animais de grande porte e Animais de pequeno porte Braslia, DF Embrapa Rondnia Cupuau, Flores Tropicais e plantas ornamentais, Plantas medicinais, Caf, Espcies florestais, Guaran, Pimenta-do-reino Porto Velho, RO Embrapa Semi-rido Curcubitcea, Forrageira, Mandioca, Manga, Umbu, Uva Petrolina, PE Embrapa Soja Soja, Microrganismos: fungos entomopatgenos e Girassol Londrina, PR Embrapa Sunos e Aves Aves de corte, Aves de postura e Sunos Moura Concrdia, SC Embrapa Tabuleiros Costeiros Coco Aracaju, SE Embrapa Trigo Aveia, Centeio, Cevada, Triticale, Trigo e Espcies afins PassoFundo,RS Embrapa Uva e Vinho Uva Bento Gonalves, RS 28. 30 Gentica na Agropecuria TABELA 2.2. Relao das Instituies responsveis pelos principais bancos de germoplasma do mundo. ! IPGRI - International Plant Genetic Resources Institute (Instituto Internacional para Recursos Genticos Vegetais) - Itlia - Coordena oito estaes internacionais de Pesquisa e 60 bancos de genes em diversas naes. ! NSSL - Laboratrio Nacional de Armazenagem de Sementes (ligado ao IBPGR) - Situado em Fort Collins, Colorado, Estados Unidos. ! IRRI - Instituto Internacional de Pesquisa do Arroz - Filipinas. ! CIMMYT - Centro Internacional de Melhoramento de Milho e Trigo - Mxico. ! CIAT - Centro Internacional para Agricultura Tropical - Colmbia. ! IITA - Instituto Internacional de Agricultura Tropical - Nigria. ! CIP - Centro Internacional da Batata - Peru. ! ICRISAT - Instituto Internacional de Pesquisa de Culturas para os Trpicos Semi- ridos - ndia. ! WARDA - Associao para Desenvolvimento do Arroz da frica Ocidental - Libria. ! ICARDA - Centro Internacional de Pesquisa Agrcola em reas Domsticas - Lbano. Fonte: Mooney(1987) O Svalbard GlobalSeed Vault (Silo Globalde Sementes de Svalbard) foicriado para servir como umseguro para a diversidade das espcies cultivadas (Figura 2.1).Aidia surgiu no ano de 1980, mas somente com o apoio da International Treaty on Plant Genetic 2.4 CONSERVAODAVARIABILIDADEGENTICANOMUNDO As colees de sementes de todo o mundo esto vulnerveis a uma ampla gama de ameaas combates civis, guerras, catstrofes naturais, e, mais frequentemente, mas no menos desastroso, o manuseio incorreto, falta de recursos adequados e falhas de equipamentos. Variedades nicas das nossas culturas mais valiosas so perdidas toda vez que alguns desses desastres acontecem, de modo que amostras duplicadas das colees em vrios locais emtodo o mundo atuamcomo uma aplice de seguros para o suprimento de alimentos no mundo. Ao redor de todo o mundo, diversos centros so responsveis pela preservao dadiversidadegentica. NaTabela2.2, apresentadaumarelao das Instituies onde se concentramos principais bancos degermoplasma. Em2008, foiinaugurado o maior banco de germoplasma do mundo localizado emSvalbard (Noruega). 29. 31 Variao e Seu SignificadoBiolgico Resources (Comit Internacional de Recursos Genticos de Plantas) e de um acordo internacionalpara aconservao e acesso diversidadedas culturasquea construo tornou- se possvel. FIGURA 2.1 Esquema ilustrativo do silo de sementes de Svalbard. (1) O teto da entrada do silo possui ao altamente refletivo, espelhos e prismas. Nos meses de vero, a luz polar refletida enquanto que, nos meses de inverno, mais de 200 cabos de fibras ticas tornam a luz turquesa- esverdeada ou branca. (2) Um tnel de 93,3 m cortado dentro da montanha e se liga a uma entrada de 26 m para os trs silos. Cada silo tem aproximadamente 10 m de largura, 26 m de comprimento e 6 m de altura. (3) Escritrio localizado a 80 m da entrada e que tem como funo receber as sementes dos bancos degermoplasma detodo omundoefazer o inventrio. (4)O silo temcapacidade para armazenar cerca de 4,5 milhes de amostras de sementes. Cada amostra tem uma mdia de 500 sementes, totalizando 2,25 bilhes de sementes. (5) As sementes sero armazenadas a 18 C, emembalagens de4 filmesdepapelalumnio, colocadas emcaixas seladas ecolocadas nas prateleiras. Abaixa temperatura e umidadepermitiropouca atividademetablica mantendo as sementes viveis por dcadas, sculos ou, em alguns casos, milnios. O silo desementes de Svalbard o maior silo parasementes do mundo,e foiconstrudo prximo pequena vila de Longyearbyen, no remoto arquiplago rtico de Svalbard, a apenas cerca de 1120 km ao sul do plo norte. O silo de Svalbard tem como objetivo 30. 32 Gentica na Agropecuria salvaguardar abiodiversidade das espcies de plantas cultivadas que servemcomo alimento para as populaesdo mundo e seuspases e preservar cerca 90%das sementes conhecidas existentes no mundo, doadas pelos pases produtores. O silo uma estruturainteiramentesubterrnea e foiescolhido por ser umlugara salvo das possveis alteraes climticas causadas pelo aquecimento globale/ou quaisquer outras causas. O silo temcapacidade para abrigar 2,25 bilhes de sementes. As cmaras estaro a uma temperaturade -18C, e sepor alguma razo o sistema eltrico de refrigerao falhar, o montante degeloe neve que, naturalmente, recobre o silo permafrostmanteras sementes entre -4 e -6C. O silo componente essencial de um sistema global e racional para a conservao da diversidade das espcies cultivadas e ser mantido comrecursos do Comit Internacional, o qualest comprometido emdarapoio aos custos operacionais e emassistir os pases em desenvolvimento como preparo, empacotamento e transporte das sementes para o rtico. Todas as sementes armazenadas no silo permanecero de propriedade do pas ou instituio remetente das mesmas. No haver mudana de propriedade embora, emtodos os casos, qualquer semente aceita para armazenamento no silo dever estar livremente disponvel sob os termos do Comit Internacionalde Recursos Genticos de Plantas. Em outras palavras, no haver sementes no silo que no estaro facilmente acessveis por meio de umsimples contato direto com o banco que as enviou. Essas instituies, mandamsuas colees de sementes para o silo com a finalidade de usar da segurana que ele oferece. Armazenarassementes livre decustos para os bancose uma ao voluntria.Ainstituio depositria assina umcontrato como NordGen, que o responsvelpelo gerenciamento do silo, mas ningumtemo direito de abrir as caixas quando elas chegamao banco. 31. 33 Variao e Seu SignificadoBiolgico PROBLEMASPROPOSTOS 1. Por que importante para a gentica a existncia de variao? 2. Explique por que a variao gentica herdvele a variao ambientalno herdvel. 3. Uma vaca, durante a sua vida, produziu 5 bezerras e 3 bezerros, e o peso dos animais no momento do nascimento foidiferente. Quala natureza dessa variao? Qualseria sua resposta, se fosse considerada a variao no peso ao nascer dos 8 leites de uma leitegada de uma porca? 4. Qual a principalatividade do Centro Nacionalde Pesquisa de Recursos Genticos e Biotecnologia (CENARGEN)? O que faz o profissionalque trabalha nesse centro? 5. Explique qual a importncia de conservar o germoplasma das espcies cultivadas e de seus parentes prximos. 32. 35 Gentica Molecular 3.1 INTRODUO Embiologia, bastante conhecido o lema estrutura e funo esto intimamente relacionados. Isso significa que qualquer funo biolgica realizada, por exemplo, por umrgo quepossuiuma estruturaadequadaparaa suafuno. No caso docontrole gentico dos caracteres, sabemos que ele ocorre graas existncia de unidades hereditrias, os genes, quetambmseguemo mesmo lema.Alis, qualquer estrutura biolgica depende, em primeiro lugar, da sua composio qumica.Assim, para entendermos bemo funcionamento do gene devemos estender o lema composio qumica, estrutura e funo esto intimamente relacionados. Portanto, para que possamos conhecer a base molecular da herana, precisamosresponder s seguintesperguntas:Quala constituio qumicae estrutura do gene - material gentico? Como ele funciona para produzir os fentipos que ns observamos?E, finalmente, quala base da variabilidade gentica? Antes deprocurar entender esses fenmenosimportantes, necessrio salientarque a maioria dessesconhecimentos foiobtida mediantepesquisas realizadas combactriase vrus, principalmente, porque esses organismos apresentam uma srie de caractersticas que os tornam atrativos aos estudos genticos. Entre essas caractersticas, destacam-se o ciclo reprodutivo muito curto e o fcil manuseio em laboratrio de um grande nmero de descendentes, associados menor complexidade e organizao do materialgentico. Agentica molecular o ramo queevoluimais rapidamente, no sdentro da gentica, mas tambmde toda a biologia. O volume de trabalhos cientficos publicados nessa rea enorme, de modo que as informaes logo esto ultrapassadas. Assim, neste captulo procuraremos dar uma viso geral dos princpios fundamentais da gentica molecular, lembrando aos leitoresque h necessidade demanter contato constante coma literatura para se atualizar comas novas descobertas. 3.2 NATUREZAQUMICADOMATERIALGENTICO Em 1928, a elucidao da natureza qumica do material gentico comeou a tomar forma. Trabalhando coma bactria causadora da pneumonia emmamferos,Streptococcus 3 GENTICA MOLECULAR 33. 36 Gentica na Agropecuria pneumoniae, o pesquisador Griffith demonstrou que a virulncia dessa bactria em ratos depende da presena de uma cpsula composta de polissacardeos que impede a fagocitose da bactria.As colnias dessas bactrias exibemuma superfcie lisa e so designadas S. Por outro lado, existembactriasno virulentas, porquesofagocitadas,emrazodenopossurem a cpsuladepolissacardeos. Essas bactriasproduzemcolniascomsuperfcierugosa, sendo designadas R. Griffith verificou que, injetando em ratos bactrias R vivas, ou bactrias S mortas pelo calor, estas no lhescausavama morte. Entretanto, quando bactrias R vivase S mortaspelocalorforaminjetadas, simultaneamente,osratosmorriamdepneumonia, indicando que algumas bactrias R haviam se transformado no tipo virulento S (Figura 3.1). Essas bactrias S isoladas a partir do sangue dos ratos mortos, aliada capacidade delas em produzir novas transformaes de bactrias R para S, indicaram que a transformao provocava uma mudanagentica permanente e hereditria. Pormeio desseexperimento, ficou demonstrado que deveriaexistir algumcomponente nas bactrias S que transformava as bactriasR emvirulentas. No entanto, esse componente denominado princpio transformante, s foiidentificado dezesseis anos depois, em1944, por trs pesquisadores:Avery, MacLeod e McCarty.Elesisolaramdiferentes classesdemolculas FIGURA 3.1. Esquema do experimento realizado por Griffith, que demonstrou a transformao bacteriana. 34. 37 Gentica Molecular encontradas nos restosde bactrias S mortaspelo calor e testaramcada classeseparadamente paraverificarsuacapacidadetransformante.Testesdemolculaspurificadasdepolissacardeos, DNA, RNA e fraes proticas revelaramque somente o DNA podiatransformar clulas R para o tipo S. Esses resultados foramtambmconfirmados por meio de outro experimento, no qual eles usaramenzimasque degradamcertostiposespecficos de molculas. Entre essasenzimas, incluiu-se DNase - desoxirribonuclease, que degrada DNA, mas no RNA ou protenas; RNase -ribonuclease, que degrada somente RNA;e protease, que degradaapenas protenas. A transformao de bactria R no tipo virulento S s no ocorreu em presena de DNase, demonstrando queessaenzimahaviadestrudo ainformao genticacontidano DNA(Figura 3.2).Apesar desses resultados conclusivos, a dvida entre DNAou protena como material gentico ainda continuou por alguns anos(Box3.1). FIGURA 3.2. Experimento de Avery, Mac Leod e McCarty que comprovou ser o DNA o material gentico primrio. Observe que somente o DNA foi capaz de transformar as bactrias R em S. Veja tambm que em presena da DNase no ocorre transformao, uma vez que esta enzima degrada o DNA. 35. 38 Gentica na Agropecuria BOX 3.1. PROVA QUE O DNA O MATERIAL GENTICA E NO A PROTENA A dvida entre protena ou DNAcomo materialgentico s foidefinitivamente elucidada como trabalho de HersheyeChase em1952. Elesrealizaramumexperimento usando o bacterifago-partculaviralquesereproduznaclulabacteriana. Obacterifago ou, simplesmente, fago organismo bastante simples, constitudo apenas de uma capa protica, no interior da qual se aloja uma molcula de DNA. Hershey e Chase demonstraramque a reproduo do fago pela bactria hospedeira dependia apenas da introduo do DNA viral, o qualfornecia todas as informaes genticas necessrias formao de fagos novos. Segundo esses pesquisadores, a capa protica do fago permanece no exterior da bactria infectada e, portanto, nada tem a ver com as informaes genticas necessrias sua reproduo. Para chegar a essas concluses, Hershey e Chase produziram duas populaes diferentes de fagos. Uma com a capa protica marcada comenxofre radioativo (35 S) eoutra comDNAmarcado comfsforo radioativo (32 P). Essas duas populaes de fagos foram posteriormente usadas para infectar duas colnias bacterianas, separadamente, e os novos descendentes dos fagos foramavaliados quanto radioatividade. A populao de fagos marcada com fsforo radioativo produziu descendentes altamente radioativos, demonstrando que o DNA marcado haviapenetrado na bactria e comandado a sntese de novos fagos. Por outro lado, a populao marcada com enxofreradioativoproduziuumadescendnciapraticamentedesprovidaderadioatividade. Esses resultadosmostraramclaramente que o DNA tambmo materialgentico desse fago e no a protena, porque ela no foipassada para os fagos filhos. 36. 39 Gentica Molecular As pesquisas realizadas por Stadler eUber, em1942, tambm, forneceramevidncias sobre a natureza do material gentico em eucariotos. Mutaes gnicas foram induzidas, irradiando-se plen de milho com raios ultravioleta, os quais so absorvidos pelo DNA. Esses gros de plen foram utilizados na polinizao de plantas que geraram alguns descendentes mutantes. Ficou assimdemonstrado que o DNA tambmo materialgentico emeucariotos, equequalqueralteraonessa macromolcula transmitidaaos descendentes. Nos tempos atuais, no existe a menor dvida de que o DNA o material gentico dos organismos vivos e a prova direta foi fornecida a partir dos trabalhos de produo de transgnicos que consiste na transferncia de genes DNA entre diferentes espcies, que se iniciarama partir da dcada de 1980. Capa protica radioativa 37. 40 Gentica na Agropecuria H, contudo, excees apenas emalguns vrus, nos quais o materialgentico primrio o RNA, em vez de DNA (Box 3.2). BOX 3.2. PROVA DE QUE O RNA DO VRUS DO MASAICO DO FUMO (TMV) O MATERIAL GENTICO. O TMV constitudo por uma molculade RNAenvolta por uma capa protica, a qual protege o material gentico da degradao por enzimas - ribonucleases. O TMV possuivrias estirpes e cada uma possuia sua capa protica especfica. Cada estirpe capaz de infectar uma cultivar particular de fumo, por meio de sua capa protica. Empregando mtodos bioqumicos, Fraenkel-Conrat e outros mostraramque a protena podia ser separadado RNA, mas noera infectantepor sis. Somente quando combinada comRNAisolado, reconstituindo-seo vrus,queainfectividadeocorria, sendo produzidas novas partculas virais. Mais tarde, experimentos de Fraenkel-Conrat e Singer mostraram que TMVs reconstitudos com RNA de uma estirpe (A) e protena de outra (B) eram infectivos, massuas prognies eraminteiramentedeterminadas pelo RNAdo genitor (A) e no pela protena do genitor (B), demonstrando o papelgentico desse cido nuclico. 38. 41 Gentica Molecular 3.3 COMPOSIO QUMICA E ESTRUTURA DOS CIDOS NUCLICOS O conhecimento das molculas constituintes dos cidos nuclicos e as ligaes entre elas, emconsequnciade suaspropriedades, so fundamentaisparaentendermosasestruturas tanto do DNAquanto dosRNAs. Essasestruturas, porsuavez, soresponsveispelasfunes desses cidose nos ajuda acompreend-los como as molculasresponsveis pela vida. 3.3.1 DNA ODNA composto de monmeroschamadosnucleotdeos. Cadanucleotdeo contm um cido fosfrico, um acar de cinco carbonos - desoxirribose - e uma das quatro bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G), timina (T), e citosina (C) (Figura 3.3). Adenina e guanina pertencemao grupo chamado depurinas, enquanto a timina e citosina so do grupo das pirimidinas. Aestrutura molecular do DNAfoi proposta por Watson e Crick em1953. Para isso, eles consideraram as propriedades qumicas dos seus componentes e, principalmente, as evidncias obtidas por Chargaffe colaboradores sobre a composio de bases do DNA de diferentes espcies e, tambm, os resultados dos estudos de difrao de raios X tipo de radiografia feitospor Frankline Wilkins. FIGURA 3.3. Estrutura qumica dos quatro desoxirribonucleotdeos que constituem o DNA. Em dois, participam as bases nitrogenadas pricas e correspondem a desoxiadenosina 5monofosfato (A) ea desoxiguanosina 5 monofosfato (B); nos outros dois as bases nitrogenadas so pirimdicas e compreendem a desoxicitidina 5 monofosfato (C) e a timidina 5 monofosfato (D). 39. 42 Gentica na Agropecuria Aprincipalcontribuio de Chargafffoia evidncia de quea quantidade deA igual de T e a quantidade de G igual de C, independente da espcie. Portanto, A/T=1 e G/ C=1. J os estudos comdifrao de raios X mostraramque a molcula do DNA helicoidal (Figura 3.4). Figura 3.4 Fotografia com raios X do DNA tipo B ou hidratado, derivado de timo de bovino. A partir dessa fotografia foi sugerido que a molcula helicoidal e cada volta contm 10 pares de nucleotdeos, ocupando um espao de 34 . Cada par de nucleotdeo ocupa um espao na molcula de 3,4 . Foi constatado ainda que o dimetro da molcula de 20 (Frankling e Gosling 1953). Segundo o modelo formulado por Watson e Crick, a molcula de DNA constituda por duas cadeias enroladas para a direita, formando a chamada hlice dupla (Box 3.3 e Figura 3.5).Analogamente, a estrutura do DNApode ser comparada a uma escada circular com dois corrimos. Nesse caso, os corrimos correspondem s ligaes repetitivas de acar-fosfato ao longo de todo o comprimento da molcula.Aligao do acar-fosfato ocorre de modo talque a posio 3' da molcula de acar liga-se ao grupamento fosfato que, por sua vez, liga-se posio 5' da molcula de acar subsequente, isto , elas so sintetizadas na direo de 5 para 3. Observando a Figura 3.6, nota-se que as duas cadeias ocorrem em direes opostas, isto , enquanto uma 5' 3' a outra 3' 5'. por essa razo que as cadeias so ditas antiparalelas. Aparte varivelda molcula constitudapor pares de basesnitrogenadas queformam os degraus da escada. Cada degrau ocupa umespao de 3,4 de comprimento e tmentre si um desvio no sentido horrio de 36 . Dessa forma, uma volta completa - 360o - envolve dez degraus perfazendo 34 de comprimento. :: 40. 43 Gentica Molecular BOX 3.3. TRABALHO DE WATSON E CRICK, PUBLICADO NA NATURE EM 1953 PROPONDO A ESTRUTURA DO DNA. MOLECULAR STRUCTURE OF NUCLEIC ACIDS A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid E wish to suggest a structure for the salt of deoxyribose nucleic acid (D.N.A.). This structure has novel features which are of conside- rable biological interest. A structure for nucleic acid has already been proposed by Pauling and Corey1 . They Kindly made their manuscript available to us in advance of publication. Their model consists of three intertwined chains, with the phosphates near the fibre axis, and the bases on the outside. In our opinion, this structure is unsatisfactory for two reasons:(1) We believe that the material which gives the X-ray diagrams is the salt, not the free acid. Without the acidic hydrogen atoms it is not clear what forces would hold the structure toge- ther, especially as the negatively charged phosphates near the axis will repel each other. (2) Some of the van der Waals distances appear to be too small. Another three-chain structure has also been suggested by Fraser (in the press). In his model the phosphates are on the outside and the bases on the inside, linked together by hydrogen bonds. This structure as described is rather ill-defined, and for this reason we shall not comment on it. inside of the helix and the phosphates on the outside. The configuration of the sugar and the atoms near it is close to Fubergs standard configuration the sugar being roughly perpendicular to the attached base. There is a residue on each chain every 3.4 . in the z-direction. We have assumed an angle of 36 between adjacent residues in the same chain, so that the structure repeats after 10 residues on each chain, that is, after 34 . The distance of a phosphorus atom from the fibre axis is 10 . As the phosphates are on the outside, cations have easy access to them. The structure is an open one, and its water content is rather high. At lower water contents we would expect the bases to tilt so that the structure could become more compact. The novel feature of he structure is the manner in which the two chains are held together by the purine and pyrimidine bases. The planes of the bases are perpendicular to the fibre axis. They are joined together in pairs, a single base from one chain being hydrogen-bonded to a single base from the other chain, so that the two lie side by side with identical z- co-ordinates. One of the pair must be a purine and the other a pyrimidine for bonding to occur. The hydrogen bonds are made as follows: purine position 1 to pyrimidine position 1 purine position 6 to pyrimidine position 6. If it is assumed that the bases only occur in the structure in the most plausible tautomeric forms (that is, with the keto rather than the enol configurations) it is found that only specific pairs of bases can bond together. These pairs are: adenine (purine) with thymine (pyrimidine), and guanine (purine) with cytosine (pyrimidine). In other words, if an adenine forms one member of a pair, on either chain, then on these assumptions the other member must be thymine; similarly for guanine and cytosine. The sequence of bases on a single chain does not appear to be restricted in any way. However, if only specific pairs of bases can be formed, it follows that if the sequence of bases on one chain is given, then tho sequence on the other chain is automatically determined. It has been found experimentally3,4 that the ratio of the amounts of adenine to thymine, and the ratio of guanine to cytosine, are always very close to unity for deoxyribose nucleic acid. It is probably impossible to build this structure with a ribose sugar in place of the deoxyribose, as the extra oxygen atom would make too close a van der Waals contact. The previously published X-ray data5,6 on deoxyribose nucleic acid are insufficient for a rigorous test of our structure. So far as we can tell, it is roughly compatible with the experimental data, but it must be regarded as unproved until it has been checked against more exact results. Some of these are given in the following communications. We were not aware of the details of the results presented there when we devised our structure, which rests mainly though not entirely on published experimental data and stereo-chemical arguments. It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material. Full details of the structure, incluiding the conditions assumed in building it, together with a set of co-ordinates for the atoms, will be published elsewhere. We are much indebted to Dr. Jerry Donohue for constant advice and criticism, especially on interatomic distances. We have also been stimulated by a knowledge of the general nature of the unpublished experimental results and ideas of Dr. M. H. F. Wilkins, Dr. R. E. Franklin and their co- workers at Kings College, London. One of us (J.D.W.) has been aided by a fellowship from the National Foundation for Infantile Paralysis. J. D. Watson F. H. C. Crick Medical Research Council Unit for the Study of the Molecular Structure of Biological Systems, Cavendish Laboratory, Cambridge. April 2. 1 Paulling, L., and Corey, R. B., Nature, 171, 346 (1958); Proc. U.S. Nat. Acad. Sci., 39, 84 (1953) 2 Furberg, S., Acta Chem. Scand., 6, 634 (1952). 3 Chargaff, E., for references see Zamenhof, S., Brawerman, G., and Chargaff, E., Biochim. et Biophys. Acta, 9, 402 (1952). 4 Wyatt, G. R., J. Gen. Physiol., 36, 201 (1952). 5 Astbury, W. T., Symp. Soc. Exp. Biol. 1, Nucleic Acid, 66 (Camb. Univ. Press. 1947). 6 Wilkins, M. H. F., and Randall, J. T., Biochim. et Biophys. Acta. 10, 192 (1953). W We wish to put forward a radically different structure for the salt of deoxyribose nucleic acid. This structure has two helical chains each coiled round the same axis (see diagram). We have made the usual chemical assumptions, namely, that each chain consists of phosphate diester groups joining -D- deoxyribofuranose residues with 3,5 linkages. The two chains (but not their bases) are related by a dyad perpendicular to the fibre axis. Both chains follow righthanded helices, but owing to the dyad the sequences of the atoms in the two chains run in opposite directions. Each chain loosely resembles Furbergs2 model No. 1; that is, the bases are on the This figure is purely diagrammatic. The two ribbons symbolize the two phosphate sugar chains, and the horizontal roads the pairs of bases bolding the chains together. The vertical line marks the fibre saxis. 41. 44 Gentica na Agropecuria FIGURA 3.5. Esquema da hlice dupla de DNA, evidenciando o dimetro da molcula de 20 , o espao ocupado por um par de nucleotdeos de 3,4 e o espao ocupado por dez pares de nucleotdeos de 34 , que corresponde a uma volta completa. FIGURA 3.6. Molcula de DNA mostrando os quatro pares de nucleotdeos e a orientao antiparalela das cadeias acar-fosfato, isto , a direo 5 3 como indicado pelas setas.: 10 pares de base 3 5 42. 45 Gentica Molecular O dimetro da hlice dupla de 20 , fato que levou Watson e Crick a estabelecer que purinas e pirimidinas estejampareadas no interior da molcula. Essepareamento feito por pontes de hidrognio que, apesar de ser uma ligao fraca, confere alta estabilidade molcula, emrazo do grande nmero emque ocorrem.Almdessas pontes, outra fora que tambm responsvel pela alta estabilidade do DNA so asinteraes hidrofbicas, isto , as bases nitrogenadas fogemdo meio aquoso e, por isso, ficamno interior da molcula. Duas pontes dehidrognio so responsveis pelo pareamento exclusivo entre adenina e timina e trs entre citosina e guanina (Figura 3.6). Em outras palavras,as basesda cadeia dupladeDNAdevemter uma relao quantitativa,sendo A= T e G = C, de acordo comos achados de Chargaff. Note, entretanto, que no existe restrio quanto s propores do parAT emrelao ao parGC, de modo que a quantidade deA+ T no temnenhuma relao coma quantidade G + C. De fato, essa relao pode ter qualquer valor, dependendo de qual espcie o DNAfoiobtido. Consequentemente, embora a ordemlinear de bases emuma das cadeias sejairrestrita, asequnciadebasesna cadeia oposta predeterminada ecomplementar. Assim, se emumadas cadeias temos, por exemplo, a sequncia5'AGCATT 3'a sequncia na outra cadeia ser necessariamente 3'TCGTAA5'. A diversidade de informaes determinada pela sequncia de bases nitrogenadas, a qual, como j foi dito, pode ocorrer em qualquer ordem linear em uma das cadeias. Teoricamente, o nmero possvelde sequnciasdiferentes -ou informaes- extremamente grande, e dependedo nmero de paresde nucleotdeos existentes nas molculas de DNA do organismo (Box 3.4). Esse nmero varia de acordo com sua complexidade (Tabela 3.1). Assim, organismos simples como os bacterifagos possuem200 mil pares de nucleotdeos por unidade, as bactrias possuem alguns milhes e fungos tm de dezenas a centenas de Organismo Nmero de pares de nucleotdeos Homem 5,81 x 109 Bovinos 5,08 x 109 Aves 2,36 x 109 Carpa 2,90 x 109 Lrio 3,60 x 1011 Milho 1,36 x 1010 Fumo 2,18 x 109 Drosophila melanogaster 3,40 x 108 Neurospora 8,60 x 107 Carvo do milho (Ustilago maydis) 3,80 x 108 Escherichia coli 4,30 x 106 Bacterifago T2 2,00 x 105 TABELA 3.1. Nmero de pares de nucleotdeos por clula somtica de diferentes organismos. 43. 46 Gentica na Agropecuria milhes. J, osorganismos mais complexos, como mamferos, anfbios e asplantas, o nmero de pares de nucleotdeos ainda maior, podendo atingir algumas centenas de bilhes por clula diplide. BOX 3.4. A CAPACIDADE DO DNA EM CODIFICAR INFORMAES EM COMPARAO COM A DA INFORMTICA. Neste ponto, devemos chamar a ateno para um fato que normalmente passa despercebido no s para os leigos, mas principalmente pelos bilogos. Geralmente, nos surpreendemoscomacapacidadedos computadoresmodernosemarmazenare processar informaes. Como eles trabalhamemumsistemabinrio - isto , cada impulso eltrico ou bit pode estar ligado ou desligado -, o nmero de informaes que conseguem processar 2n , em que n representa o nmero de bits que possuem. Contudo, se compararmos esses computadorescomos sistemas biolgicos, nota-seque esses ltimos so bem mais eficientes. Nos organismos vivos, as informaes so codificadas por intermdio deumsistema quaternrio, isto, as quatro basesnitrogenadas que compem o DNAA, G, T, C - de modo que o nmero de informaes capazes de ser processadas 4n , em que n representa o nmero de pares de nucleotdeos contidos no genoma da espcie.Assim, pode-se verificar que, se umorganismo qualquer possuir umnmero de pares de nucleotdeos igualao nmero de bits de um computador, esse organismo ser capaz de processar o quadrado das informaes do computador, isto , 4n = (2n )2 . Tomando comoexemplo aespcie humana,o nmero de DNAspotencialmente diferentes na espcie praticamente infinito e equivale a 42,9bilhes . Essas comparaes salientam a perfeio do sistema de codificao das informaes genticas e a capacidade de armazen-las emuma estrutura de dimenses microscpicas, emoposio aos computadores que, por menores que sejam, so muito maiores do que as clulas. Alm disso, demonstram tambm o incrvel potencial de variabilidade dosseres vivos. 3.3.2 RNA O RNA bastante similar ao DNA, pormdifere emtrs pontos principais: o acar a ribose; em vez de timina temos a pirimidinauracila (U); e caracteriza-se por apresentar uma nicacadeia, de modo queas razesA/U eG/C geralmente diferemde um(Figura 3.7). Existemtrs tipos principais de RNA, cada umcomfuno especfica, oRNA mensageiro, o RNAribossmico e o RNAtransportador. Almdesses tipos, h algumas dezenas de 44. 47 Gentica Molecular RNAs denominados de pequenos e queparticipamprincipalmente emfuno enzimtica no ncleo e citoplasma (Box 3.5). Todos so transcritos a partir de uma das cadeias do DNA. FIGURA 3.7. Molcula de RNA mostrando os quatro tipos de nucleotdeos. Observe que ao contrrio do DNA, a molcula apresenta uma nica cadeia, presena da ribose que possui OH na posio 2, e presena de uracila (U), que possui um tomo de H na posio 5. 3.3.2.1 RNA mensageiro (mRNA) responsvelpelo transportedainformaogenticacontidano ncleoatocitoplasma, para direcionar a sntese protica. So bastante instveis em sistemas bacterianos e de estabilidade variada emorganismos superiores, da a quantidade relativamente pequena de mRNA nas clulas, cerca de 2% emrelao ao total. 45. 48 Gentica na Agropecuria 3.3.2.2 RNA ribossmico (rRNA) O RNA ribossmico constitui-se na maior poro do RNA celular. Ele tambm transcrito de uma das cadeias do DNA, nesse caso, a partir do DNA que se encontra em uma posio especfica de alguns cromossomos, a constrio secundria, tambmchamada de regio organizadora do nuclolo. Aps o seu acmulo no nuclolo e a associao com protenas ribossmicas, eles so transportados para o citoplasma e formamo ribossomo, cuja funo principal participar da sntese de protenas. 3.3.2.3 RNA transportador (tRNA) So molculas pequenas de RNA - contm73 a 93 nucleotdeos - que servemcomo receptores e transportadores de aminocidos, tendo papelfundamentalna sntese protica. Existe pelo menos umtRNA para cada umdos vinte aminocidos e cada umdeles temuma estrutura ligeiramente diferente do outro. Uma caracterstica interessante dos tRNAs que eles se enrolamsobre si mesmos, ocorrendo pareamento de bases na ordemde 50%. Esse pareamento fazcomque a estruturasecundria de todos ostRNAs se assemelhe auma folha de trevo (Figura 3.8a). Ofololo centralpossuiumasequnciadesetenucleotdeos, dosquaistrsso chamados de anticdon ereconhecemtrs nucleotdeos do mRNA, ocdon, tambmpelo processo de pareamento de bases no sentido antiparalelo. A base da folha de trevo formada pelas extremidades da molcula, que so idnticas emtodos os tRNAs.Aextremidade5'possuia base G e, a 3' a sequncia 5CCA3', sendo a base A o stio de ligao do aminocido. Funcionalmente, entretanto, o tRNAocorreemformato deL invertido, quecorresponde sua estruturaterciria(Figura3.8b).Asduas partesdo Lcorrespondemadoissegmentosemhlice dupla, perpendicularesecadaumacomaproximadamentedezpares de baseeuma volta. Uma dasextremidadesdoLcorrespondeaolocalondeseligao aminocido,aextremidade5CCA3', e a outra extremidade o anticdon. Essas duas posies fundamentais do tRNA so diametralmente opostase facilitamo seufuncionamento no processo desntese de protenas. H evidncias deque a regio internado L o localno qualse liga a enzima aminoacil-tRNA sintetase, essencialpara reconhecer o aminocido e uni-lo ao tRNA(Figura 3.8b). 46. 49 Gentica Molecular FIGURA 3.8 A. Esquema da estrutura secundria do tRNA mostrando o stio de ligao do aminocido (extremidade 3), e o anticdon. B - Estrutura terciria do tRNA. BOX 3.5.ALGUNS TIPOS DE RNAs PEQUENOS Algumasdezenasde RNAs pequenosjso conhecidos. Entreelesumdosgrupos mais estudados aquele envolvido como processamento do pr-mRNA. Na realidade, o processamento realizado por uma ribonucleoprotena constituda por cinco RNAs pequenos nucleares (snRNAs) denominados de U1, U2, U4, U5 e U6, associados a mais de uma centena de protenas/enzimas. Essa ribonucleoprotena denominada de spliceossomoouSNURPS.No nuclolo,ocorretambmumaestruturaribonucleoprotica queprocessao pr-rRNA. Igualmente ela constituda porprotenas/enzimase osRNAs nucleolares pequenos (snoRNAs). Aindano ncleo so encontradosRNAs pequenos comfunes enzimticascomo asribozimas,que atuamtambmnoprocessamento do pr-mRNAdealguns organismos, 47. 50 Gentica na Agropecuria coma funo especfica de cortar o pr-mRNA emuma sequncia especfica. Uma das ribozimas mais conhecidas a denominada cabea de martelo, a qual comercializada para serutilizadaemtransgnicoscomo fimde cortarumdado mRNAvisando aeliminar a expreso de umgene. Outro RNApequeno utilizado emtransgnico visando tambm eliminaraexpresso deumdeterminado gene o denominado RNAinterferente (RNAi ), o qualtambmatua no ncleo promovendo a degradao de mRNAs. J no citoplasma, umdos RNAs pequenosmais conhecidos aquele que faz parte de uma ribonucleoprotena, cuja funo encaminhar certas protenas que esto sendo sintetizadas paradentro do retculo endoplasmtico. Esse RNA denominado descRNA earibonucleoprotena denominadadeSCYRPS. importante lembrarqueesse retculo endoplasmtico frequentemente denominado de rugoso exatamente porque essa ribonucleoprotena est atuando e forando o ribossomo a ficar associado ao retculo. 3.4 FUNESDOMATERIALGENTICO Asprincipaisfunesdo materialgenticopodemservisualizadasnoseguintediagrama, correspondendo s funes fundamentais da biologia e da vida: 3.4.1REPLICAODO DNA Aestrutura do DNA proposta por Watson e Crick oferece a vantagem de explicar como novas molculas de DNA podemser exatamente copiadas da molcula pr-existente. Em vez de a molcula se replicar intacta, eles propuseramque as pontes de hidrognio se rompem, permitindo que as cadeias complementares se separem. Opareamento especfico entre as bases permite que cada cadeia simples sirva de molde para a sntese da cadeia complementar, sendo que a nova molcula apresenta uma cadeia velha e uma cadeia nova. Esse tipo de replicao chamada semiconservativa e est representado na Figura 3.9. Mais detalhes so apresentados no Box 3.6. Por esse processo de replicao do DNA, fcil entender como a informao transportada de uma clula para outra. No momento emque antecedes divises celulares - na fase S da intrfase -ocorre a replicao do DNA, de modo que asclulas filhas recebem todas asinformaes contidas na clulaoriginal. Almdisso, na replicao semiconservativa a possibilidadedeerros muitopequena, o que explicaa preciso na passagemdainformao de uma clula para outra. Replicao Transcrio Traduo DNA RNA PROTENA 48. 51 Gentica Molecular FIGURA 3.9. Replicao semiconservativa da molcula de DNA. Observe que cada molcula nova mantm uma cadeia de molcula velha (cinza) que funciona como molde para a sntese da cadeia complementar (branca). A enzima responsvel pela sntese de DNA conhecida como DNA polimerase. Essa enzima no pode iniciar a sntese de uma nova molcula de DNA por sis; ela apenas adiciona novos nucleotdeos a umapequena cadeia pr-existente conhecida comoprimerou iniciador. Aeste primer - constitudo de um segmento de RNAde cerca de 10 bases - so adicionados nucleotdeos pela DNA polimerase emuma sequncia complementar cadeia molde, segundo as regras do pareamento especfico de Watson e Crick. Os nucleotdeos so acrescentados extremidade 3'da cadeiaemcrescimento, de modo quea sntese sempre caminha na direo 5' : 3'. Evidentemente a cadeia molde lida pela DNApolimerase na direo 3' 5'. Desde que no se conhea nenhuma enzima que sintetize DNA na direo 3' 5', uma perguntaquelogosurge:comosedasntesedasduascadeiasemcadaforquilhadereplicao? Arespostapara essa questo surgiucoma descoberta deOkazaki, umcientista japons, que a sntesedeumadascadeiascontnua, enquanto aoutradescontnua(Figura3.10a). Nacadeia sintetizadadescontinuamente, surgemdiversos fragmentoscontendo cercademilnucleotdeos conhecidoscomofragmentosdeOkazaki. Essesfragmentos, aexemplo dacadeiasintetizada continuamente, so tambmformadosnadireo 5' 3'pelaDNApolimerase.: : : 49. 52 Gentica na Agropecuria Em procariotos, ocorremtrs tipos de DNA polimerase e a principal, que replica o DNA, a DNA polimerase III. Sabe-se que essa enzima , na verdade, umdmero, isto , duas molculas funcionais trabalhando unidas. Nesse dmero, uma unidade responsvel BOX 3.6. PROVA QUE A REPLICAO DO DNA SEMICONSERVATIVA Naliteratura, soencontradosvriosexperimentosquedemonstramserareplicao do DNAsemiconservativa, e umdosmaisclssicos foirealizado por Meselsone Stahlem 1958. Eles sabiamque, quando bactrias so cultivadasemmeio contendo15 N, seu DNA