2005

-200

6

Genéticae

Melhoramento de Plantas

Por: Augusto Peixe

AULA 2

2005

-200

6As primeiras variedades

-De silvestre a cultivada

-O processo de domesticação

*Selecção automática

-Alteração da arquitectura da planta.

*DoTeosinte ao Milho Híbrido

EVOLUÇÃO DO MELHORAMENTO COMO ACTIVIDADE

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6-Culturas primárias e secundárias

*Pureza das culturas Vs. Novas variedades

Origem das Plantas cultivadas-Os precursores:

-Darwin(1866) – A origem das espécies

-De Candolle (1882) – A origem das plantas cultivadas“O processo de domesticação não foi uniforme nem no espaço nem no tempo”

-Vavilov (1920) - Os centros de origem e diversidade

-Colecções de germoplasma com mais de 300.000 espécies.

“A variabilidade dentro de uma dada espécie é maior em determinadas regiões do globo”

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6-Chinês

-Indiano

-Indo-Malaio

-Centro Asiático

-Sul mexicano e Cento Americano

-Sul Americano

-Sub-CentroBrasil - Paraguai

-Sub-CentroChileno -Mediterrâneo -Abissínia

-Próximo Oriente

-O ponto de vista moderno: Harlan (1992) :Regiões centradas e difusas de origem das plantas cultivadas.

-“O homem domesticou o que lhe foi possível quando e onde surgiu essa possibilidade.”

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6Average maize yields in the US

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980

Year

0

2

4

6

8

10Grain Yield (t/ha)

Open PollinatedPopulations

Doubled

Hybrids

F1 Hybrids

Average maize yields in the US

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980

Year

0

2

4

6

8

10Grain Yield (t/ha)

Open PollinatedPopulations

Doubled

Hybrids

F1 Hybrids

Milho USA 1860-1990

Soja USA 1940-2000

Trigo Vários Paises 1866-1996

Aumento do Rendimento Por MelhoramentoGenético Em Algumas Culturas

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6

1967 1977 1987 19970

1000

2000

3000

Área necessária para produzir uma ton. de milho

m2

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6

1-Reprodução vegetativa ou assexuada

• Reprodução de indivíduos geneticamente idênticos ao progenitor

• Sem meiose, sem fertilização, sem recombinação

A Reprodução nas Plantas Superiores

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6Formas de reprodução vegetativa

Naturais• Rizomas• Estolhos• Bolbos• TubérculosArtificiais• Estacaria• Enxertia• Mergulhia, Alpoquia,

Amontoa, Cameação• Cultura in vitro

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6

APOMIXIA• Produção assexual de sementes ou estruturas semelhantes a

sementes, sem que tenha ocorrido fecundação e cuja evolução origina plantas geneticamente idênticas à planta original.

• ~35 famílias, 130 géneros, 400 espécies• Obrigatória ou facultativa

EXEMPLOS:• O saco embrionário evolui e

desenvolve-se sem meiose nem fecundação (sementes apomiticas).

• O saco embrionário aborta e uma célula vegetativa do tecido somático circundante desenvolve-se dando origem a um embrião somático (embrionia adventícia)

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6Desvantagens da reprodução

assexuada

• Populações geneticamente uniformes, baixa variabilidade genética.

• Baixa capacidade de disseminação natural

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62-Reprodução Sexuada

• Produção da descendência através de meiose e fertilização.– Descendência genéticamente diferente dos

progenitores, devido à recombinação

Nota: Em muitas plantas as duas formas de reprodução coexistem

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6 Estrutura básica da flor

♀♂

SEPALAS

PETALAS

ESTAMES

PISTILO

Flor Perfeita

Protecção

Atracção de Polinizadores

Maculino: filete, antera

Fminino: Estigma, Estilete, …………Ovário(Carpelo)

Flores Perfeitas Vs. Flores Imperfeitas

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6 Flor Imperfeita

Possui partes masculinas ou femininas

1. MonoicasFlores masculinas e femininas separadas mas na mesma planta

2. DioicasFlores masculinas nas plantas macho

Flores femininas nas plantas fêmea

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6Polinização ≠ Fertilização

POLINIZAÇÃO – O PÓLEN É TRANSFERIDO PARA O ESTIGMA PELO VENTO, PELA ÁGUA OU POR INSECTOS POLINIZADORES

FERTILIZAÇÃO – UM ANTROZIODE UNE-SE À OOESFERA PARA FORMAR UM ZIGOTO.

(Dupla)- O segundo antrozoide junta-se aos núcleos polares para formar um endosperma triploide

A fertilização só acorre após uma polinização bem sucedida

Noção de período de polinização efectivo

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SPOROPHYTE 2N

male gametophyte formed in the anther

female gametophyte formed in the ovary

MEIOSIS !

Pollination

fertilization

zygoteembryo in seed

ovary

MOST OF IT HAPPENS IN THE FLOWER!!!! THAT’S WHY WE DON’T SEE IT!

meiosis 1 SURVIVES 3 mitoses

MEGAGAMETOPHYTE ♀

2N1N

HOW DOES THE FEMALE GAMETOPHYTE FORM ?

Mega = female1 N

IN THE OVARY!

8 nuclei 7 cells 1 is egg

MEIOSIS

MICROGAMETOPHYTE = POLLEN GRAIN

♂

in the anther !2N CELL

4 1 N CELLS

2 1 N CELLS

MICRO = MALE

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Dupla Fertilização em Angiospermicas

POLLINATION 2 sperm formed as in grows down

1 sperm joins with egg = 2 N zygote

1 sperm joins with polar nuclei =3 N endosperm

SEED !

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Polinização em flores hermadroditas

• Auto-compativel (AC)– A fecundação é possível por

auto-polinização ou por polinização cruzada

• Auto-incompatível (AI) ou Auto-estéril– Apenas viável a polinização

cruzada

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6Autogamia

• Auto-fertilização

• Transferência do pólen para a mesma flor ou entre flores da mesma planta.

• ~60% das angiospermicas são habitualmente autogâmicas

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6Desvantagens da Autogamia

• Diminui a variabilidade genética

• Reduz a heterozigocidade e aumenta a homozigocidade de alelos letais.

• Reduz o vigor da descendência

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6Aa x Aa

aaAa

AaAA

A

A

a

a

Perda de Heterozigocidade por auto-fecundação

1/4 AA1/2 Aa1/4 aa

O cruzamento entre dois heterozigóticos para um gene alelico produziráuma descendência em que 50% dos indivíduos são homozigóticos.

F1: 50% F2: 25%F3: 12.5%F4: 6.2%F5: 3.1%F6: 1.5%

A proporção de heterozigóticos será reduzida para metade em cada novo cruzamento

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6Auto-Incompatibilidade (AI)

• Incapacidade de uma flor hermafrodita fértil produzir um zigoto após auto-fecundação.

• Envolve a presença de mecanismos bioquímicos ao nível do estigma ou do estilete, por forma a rejeitar ou impossibilitar o crescimento do tubo polínico do pólen produzido pela própria flor.

• Geneticamente controlada pelos chamados locus-S– Alelos S opostos atraem-se– Alelos S idênticos repelem-se

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6 Incompatibilidade esporofitica (IE)• Os tecidos da antera

(esporofito-2n) determinam que combinações são ou não viáveis.

• Interacção entre a exinado grão de pólen e o tecido estigmático

• O pólen não germina em flores que contenham um dos dois aleloscoincidentes com os do tecido esporofitico da antera que o originou.

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6 Incompatibilidade Gametofitica (IG)

• O genótipo haplóide do grão de pólen (gametófito-n) determinam que combinações são ou não viáveis.

• Interacção entre o pólen e os tecidos do estilete.

• O grão de pólen germinaráem qualquer pistilo que não contenha o mesmo alelo.

• 50% das angiospermicas

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Vantagens da auto-incompatibilidade

• Previne a consanguinidade e a expressão de genes letais que se encontram na forma heterozigótica nos progenitores.

• Aumenta a diversidade genética.

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Heterostilia

• Flores em diferentes indivíduos de uma mesma espécies com 2 ou 3 comprimentos diferentes dos estiletes e das anteras, variando estas dimensões inversamente

• 25 famílias de angiospermicas, em 155 géneros diferentes.

Estratégias para impedir a auto-fecundação

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Separação temporal da estruturasreprodutivas (Dicogamia)

• Protandria– As anteras libertam o pólen antes do estigma

estar receptivo• Protoginia

– O estigma fica receptivo antes da libertação do pólen

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6Separação física das estruturas

reprodutivas

• Plantas monoicas

• Plantas dioicas

♂

♀

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Problema fundamental do melhoramento:

“Detentores de elevado índice de variabilidade, descobrir dentro desta os indivíduos com o melhor genótiopo,

conhecendo apenas o fenótipo”

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6 Origem da Variabilidade

Mutação

Génica- Modificações pontuais, naturais ou induzidas, que têm como resultado uma alteração na síntese das proteínas.

Cromossómica: Rearranjo, perda ou ganho de segmentos ou cromossomas nas sua totalidade.

-Recombinação Génica -Ao contrário da mutação, a recombinação não implica alteração ao nível do gene, mas sim novas combinação de genes originários dos progenitores.

-Poliploidia - Variação no nº de cromossomas. Auto, alopoliploidia e aneuploidia

-Ambiental: Variação no desenvolvimento de plantas genéticamenteuniformes, devidas à exposição a diferentes situações de stress ambiental

-Hereditária

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6Exemplo: cruzamento entre indivíduos diferindo em apenas um par de genes, num caso com dominância e noutro com hereditariedade intermédia

Progenitores: A(vermelho) X a(Amarelo)

F1- Genótipos 100%Aa

F1- Fenótipos

Com dominância Sem Dominância

100%Vermelhos (Aa) 100% Laranja (Aa)

F2- Genótipos 25%AA + 50%Aa+25%aa

F2- FenótiposCom dominância Sem Dominância

75% Vermelhos+25%amarelos 25%Vermelhos+50%Laranja+25%amarelos

Cruzamento teste ou avaliação da descendência de autofecundação para conhecer a origem homo o

heterozigótica da cor vermelha

Sem necessidade de avaliação

Falta de concordância genótipo/fenótipo

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6A avaliação do genótipo

1.- Teste de Descendência

O comportamento de uma planta individual é conhecido fazendo crescer e observando as características da sua descendência.

Por este processo, podemos compreender se os alelosenvolvidos na manifestação de um determinado caracter se apresentam na forma homo ou heterozigótica.

Veja-se o caso desta F2, onde 3 em cada 4 indivíduos apresentam fenotipicamenteuma característica dominante

Hereditariedade de Caracteres Simples

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6 2. - O Cruzamento Teste (Testcross)

A planta cujo genótipo se pretende avaliar é cruzada com uma reconhecidamente homozigotico recessiva para o caracter em questão. 100% das plantas obtidas apresentarão a característica dominante se a

planta a testar for homozigótica dominante ou a proporção será de 1:1, se a planta original for heterozigótica

Quando utilizar um outro método?

-Em autogâmicas

-Em alogâmicas

-Em autoestéreis

O testcross é de grande utilidade no estudo do ligamento (Linkage) i.e: a associação de genes no mesmo cromossoma

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Restrições:

-Ligamento

-Tamanho da população para mais genes

Recombinação génica após hibridação

2-----------------165-----------------102410---------------1.048.576

Segregação independente de dois genes alelicos (cruzamento di-híbrido)

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No caso de genes ligados

Utilização do testcross para determinar as proporções de recombinação na F1

Genótipos esperados na F2 , (%). Alterações ao racio 9VP:3Vp:3vP:1vp,esperado de um cruzamento di-híbrido com segregação independente.

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Importância do conhecimento dos valores de ligação para o melhorador

1. A % de recombinação é constante.

2. As trocas de segmentos cromossómicos numa recombinação ocorrem apenas entre 2 dos 4 cromatideos como tal o resultado de recombinação será sempre <=50%

3. A proporção de recombinações será sempre inferior à proporção de segregação de genes independentes pelo que será necessário analisar de F2 de maiores dimensões, para obter a forma desejada.

4. A ligação pode ser benéfica se o gene desejado estiver fortemente ligado a um outro que pode ser facilmente identificável fenótipicamente. Pode ser prejudicial, se esta ligação ocorrer com um gene capaz de transmitir características indesejáveis.

5. A informação sobre os valores de ligamento facilita a construção de mapas genéticos

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6Considerámos até agora caracteres de hereditariedade simples, controlados por um reduzido nº de genes maiores e cujos efeitos são facilmente identificáveis fenótipicamente. Podemos dizer que tratámos de casos de hereditariedade qualitativa. Cor da flor ou da folha, putrescência ou ausência dela são alguns exemplos.

Vamos agora ver alguns exemplos de hereditariedade quantitativa. Ou seja, casos em que as características são controladas normalmente por vários genes (poligenes), a que chamados genes menores, normalmente localizados em diferentes loci e que conjuntamente afectam a expressão de uma característica fenótipica. Capacidade produtiva e vigor são alguns exemplos.

Hereditariedade de caracteres quantitativos

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Segregação transgressiva

O aparecimento na F2 de indivíduos com vários níveis

intermédios para a expressão da característica em análise é um exemplo

típico de que essa característica é controlada por um determinado nº de

genes menores não alelicos.

Outra característica hereditária dos caracteres quantitativos ou mesmo dos

qualitativos, quando o caracteres de interesse é controlado por genes diferentes é o facto de alguma da

descendência se poder encontrar fora dos limites dos progenitores. A estes

chamamos segregantes transgressivos

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Aspectos específicos da heritabilidade de caracteres quantitativos

1.Não é possível identificar efeitos de genes individuais. Cada um dos genes, expressa um pequeno efeito que contribui para a expressão da característica.2.Os efeitos dos múltiplos genes expressam-se sobre diferentes tipos de acção genica: aditividade, dominância, epistasia, sobre-dominância.3.Os genes que contribuem para a expressão de uma caractetistica encontram-se em vários loci e por isso não são contabilizáveis racios directos de segregação.4.Numa população em polinização livre, a característica fenótipica é observada de uma forma continua desde o nível mais elevado ao nível mais baixo.

A segregação transgressiva torna-se mais evidente nas gerações seguintes à F2. Veja-se na figura ao lado representada de forma

esquemática a distribuição de individua em vária gerações

sucessivas

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6-SelecçãoO sucesso no melhoramento de plantas depende directamente da

variabilidade da população original e da capacidade do melhorador para aumentar, combinar e seleccionar essa variabilidade

As Técnicas Básicas do Melhoramento

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6 -Recombinação-Hibridação

-Cruzamentos complementares

-Cruzamentos transgressivos

-Retrocruzamento-Operação de voltar a cruzar um

híbrido F1 com um dos seus progenitores.

-Em melhoramento deveria chamar-se Retrocruzamento Recorrente, pois como vamos ver continua a cruzar-se o híbrido com o progenitor com o objectivo de introduzir neste a característica desejada, recuperando no final o resto do seu próprio genótipo.

INTRODUÇÃO DE UM DOMINANTE

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6 INTRODUÇÃO

DE UM

RECESSIVO

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6

Nº de Indivíduos Necessário: A dimensão mínima da família

n> log(1-S) / log(1-P)

Exemplo: Nº de individuos necessário para obter com 95% de probalibidade, pelo menos um homozigótico recessivo (aa), num cruzamento entre progenitores (AA)x(aa)?

p=1/4, S=0,95 donde n>log(1-0,95)/log(1-0,25)=10,4=11individuos