LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS

Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

Departamento de GenéticaAvenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil

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A BIOTECNOLOGIA NO MELHORAMENTO DA CANA-DE-AÇÚCAR

Aluno: João Fernando BortoletoOrientador: Antonio Vargas de Oliveira Figueira

SUMÁRIO

introduçãobiotecnologianovas abordagensdesafios e perspectivasconsiderações finais

INTRODUÇÃO

INTRODUÇÃOaspectos socioeconômicos

1532: Grandes Navegações

Preço do açúcar Monocultura Grande propriedade Escravidão 1630: Invasão

holandesa Decadência

INTRODUÇÃOaspectos socioeconômicos

Crise do petróleo 1975: Programa Nacional do Ácool

(Proácool) Crise de 1989

Uso de álcool na gasolina

Brasil: maior produtor

INTRODUÇÃOaspectos socioeconômicos

Safra 2006/07 R$ 41 bilhões 3,65% PIB

420 milhões ton 5,82 milhões ha

30 milhões ton

17,5 bilhões L

Unicamp/CTC/Procana

60% da produção

INTRODUÇÃO

Divisão Magnoliophyta

Classe Liliopsida

Ordem Poales

Família Poaceae

Gênero Saccharum

Espécies: S. barberi, S. edule, S. officinarum, S. robustum, S. sinense, S. spontaneum

taxonomia

INTRODUÇÃOtaxonomia

S. officinarum S. spontaneum

híbrido

Saccharum spp.

INTRODUÇÃO

Grande produtividade, melhor capacidade de enraizamento e resistência a doenças

S. officinarum2n=80; X=10

S. spontaneum2n=48-128; X=8

2n=808X=80

octaplóide

2n=8010X=80

decaplóide

INTRODUÇÃOgenoma D´Hont et al., 1998

18S-5,6S-25S

5S

INTRODUÇÃOgenoma

S. officinarum2n=8X=80

S. spontaneum2n=6-16X=48-128

híbrido

Saccharum spp.2n=100-130

INTRODUÇÃO

INTRODUÇÃOgenoma

S. officinarum

S. spontaneum

D´Hont et al., 1996

Poliploidia e aneuploidia 15-20%: genoma de S.

spontaneum Menos de 5%: cromossomos

translocados

INTRODUÇÃOgenoma Grivet e Arruda, 2002

1. Célula somática (2C)2. Célula gamética (1C)3. Conjunto monoplóide

INTRODUÇÃOgenoma

Genoma grande: 7440 Mpb Octaplóide (S. officinarum)

930 Mpb Maior que gameta do sorgo: 760

Mpb Duas vezes maior que gameta do

arroz: 430 Mpb

Grivet e Arruda, 2002

Cana-de-açúcar(Saccharum officinarum)

Sorgo(Sorghum bicolor)

INTRODUÇÃOmelhoramento

www.ctcanavieira.com.brpmgca.dbv.cca.ufscar.br

www.iac.sp.gov.br/Centros/CentroCANA/PRINCIPAL.htm

Necessidade de integração do melhoramento convencional e

molecular para superar o desafio de manter a indústria lucrativa no futuro

BIOTECNOLOGIA

por quê?

Genoma complexo: estrutura e recombinação Base genética estreita Baixa fertilidade Susceptibilidade a doenças e pragas Longo ciclo de seleção para produção de

cultivares de elite

BIOTECNOLOGIA

dificuldades no

melhoramento

progressos

Genômica Cultura de células e

tecidos Transformação genética

de cultivares Desenvolvimento de

mapas genéticos Diagnóstico molecular de

patógenos Estudo das bases

moleculares do acúmulo de sacarose

BIOTECNOLOGIA

genômica

Técnicas de sequenciamento

eficientes SUCEST (The Sugarcane

EST Project) Mais de 260.000

sequências expressas Vários tecidos e estágios

de desenvolvimento Ao menos 90% das ESTs

de cana-de-açúcar anotadas

BIOTECNOLOGIAVettore et al., 2003

cultivo in vitro

Micropropagação Multiplicação

clonal Meristemas apical

e axilar Regeneração

direta: estabilidade genética e fenotípica

Lakshmanan et al., 2006

BIOTECNOLOGIA

cultivo in vitro

Embriogênese somática Tipo de calo Tecidos foliares (meristemas) Idade e posição do explante 2,4-D (ácido 2,4-diclorofenoxiacético) Transformação genética

Cidade et al., 2006Niaz e Quraishi, 2002

BIOTECNOLOGIA

Snyman et al., 1996

cultivo in vitro

Outras aplicações Conservação de germoplasma

Produção de plantas sadias para plantio comercial

BIOTECNOLOGIA

Tecnologias iniciais Polietilenoglicol (PEG): primeiros calos transgênicos Eletroporação: calos com estabilidade do transgene

protoplastos

Dificuldades na

regeneração

transformação genéticaBIOTECNOLOGIA

Agrobacterium

BIOTECNOLOGIAtransformação genética Gelvin, 2005

Agrobacterium Desarmamento de cepas

BIOTECNOLOGIAtransformação genética

Brasileiro e Carneiro, 1998

Agrobacterium Vetores binários

BIOTECNOLOGIAtransformação genética

Brasileiro e Carneiro, 1998

Komori et al., 2007

Agrobacterium Construção de vetores por recombinação

BIOTECNOLOGIAtransformação genética Komori et al., 2007

Agrobacterium Vetores superbinários

Komari et al., 1996

BIOTECNOLOGIAtransformação genética

Agrobacterium Marcador visual: β-glucuronidase (GUS) Calos

BIOTECNOLOGIAtransformação genética Arencibia et al., 1998

Agrobacterium Plantas resistentes a BASTA Frequência de transformação: 35%

BIOTECNOLOGIAtransformação genética Enríquez-Obregón et al., 1998

Agrobacterium Marcador visual: proteína verde fluorescente (GFP) Seleção de linhagens transgênicas

BIOTECNOLOGIAtransformação genética Elliott et al., 1998

Agrobacterium Gemas axilares Elevada eficiência de

transformação:50% Plantas resistentes a

BASTA

BIOTECNOLOGIAtransformação genética Manickavasagam et al., 2004

Agrobacterium Tipo de cepa Dependência de genótipo Prevenção de morte celular Calos jovens e regeneráveis Tecidos foliares jovens pré-induzidos à embriogênese

somática Gemas axilares

BIOTECNOLOGIAtransformação genética

Biobalística Método mais amplamente explorado

www.bio-rad.com

BIOTECNOLOGIAtransformação genética

membrana carreadora

câmara de gásem alta pressão

tela de retenção

membranade ruptura

micropartículascélulas-alvo

prateleira

aparato de lançamento

Biobalística

BIOTECNOLOGIAtransformação genética Bower e Birch, 1992

Biobalística Brasil: plantas resistentes a herbicida, broca da

cana-de-açúcar e com acúmulo de prolina

BIOTECNOLOGIAtransformação genética

Christensen e Quail, 1996 Falco et al., 2000

Christensen e Quail, 1996 Falco e Silva-Filho, 2003

Biobalística Disponibilidade de

equipamento Método de alta

aplicabilidade e versatilidade

BIOTECNOLOGIAtransformação genética

DESAFIOS E PERSPECTIVAStransgênicos Lakshmanan et al., 2005

Características engenheiradas Sistemas repórter ou de

seleção Resistência a herbicidas Resistência a doenças Resistência a pragas Modificações

metabólicas e produtos alternativos

NOVAS ABORDAGENS

NOVAS ABORDAGENSbiofábricas

Produtos alternativos com alto valor agregado Competitividade e sustentabilidade 100 proteínas recombinantes já produzidas

em plantas Proteínas virais Vacinas Peptídeos antimicrobianos Fármacos Anticorpos Compostos industriais

NOVAS ABORDAGENSbiofábricas

Por que a cana-de-açúcar? Crescimento Biomassa Fixação de carbono Sistema de armazenamento Propagação vegetativa Cultivo

Fator estimulante de colônias de macrófagos granulócitos humanos (GM-CSF)

Aplicações clínicas Acúmulo limitado a 0,02% do total de proteínas

solúveis em plantas sob condições de campo Ainda inviável economicamente

NOVAS ABORDAGENSbiofábricas Wang et al., 2005

NOVAS ABORDAGENSbiofábricas McQualter et al., 2005

corismato piruvato-liase

4-hidroxicinamoil-CoA-hidratase/liase

Ácido p-hidróxi-benzóico(pHBA)

Biopolímero Até 7,3% do peso seco das

folhas e 1,5% do colmo Sem anormalidades no

crescimento e desenvolvimento

NOVAS ABORDAGENSbiofábricas McQualter et al., 2005

NOVAS ABORDAGENSbiofábricas

Poli-3-hidroxibutirato (PHB) Produto biodegradável 1,88% do peso seco das folhas 0,004% do peso seco do colmo Sem prejuízos ao crescimento e

desenvolvimento

Petrasovits et al., 2007

NOVAS ABORDAGENSbiofábricas Petrasovits et al., 2007

NOVAS ABORDAGENSbiofábricas Chong et al., 2007

sorbitol-6-fosfato desidrogenase

glicoquisane

Sorbitol Acoplamento com

intermediários do metabolismo de sacarose

120 mg/g de peso seco da folha (61% dos açúcares solúveis)

10 mg/g peso seco do caule Comprometimento do

crescimento Acúmulo de níveis

expressivos

NOVAS ABORDAGENSbiofábricas Chong et al., 2007

DESAFIOS E PESPERCTIVAS

Pontos-chave Promotores

Otimização de codons Técnica de transformação

Uso de chaperonas Endereçamento de produtos

para organelas Transformação de

cloroplastos

DESAFIOS E PERSPECTIVAStransgênicos/biofábricas

DESAFIOS E PERSPECTIVASmarcadores moleculares

Origem da cana-de-açúcar comercial “Complexo Saccharum”: Saccharum, Miscanthus,

Erianthus, Sclerostachya e Narenga Hibridação? Altamente contrastantes

Diversidade e identificação de variedades Altamente heterozigótica (porção do genoma de S.

spontaneum) SSR para identificação de cultivares

DESAFIOS E PERSPECTIVASmarcadores moleculares Grivet e Arruda, 2002

DESAFIOS E PERSPECTIVASmarcadores moleculares

Introgressão e identificação de QTLs Estreita base genética Marcas ligadas a genes de interesse (Erianthus

arundinaceous) RAPD, RFLP, SSR ---> SNPs e DArT Busca de QTLs Melhoria de ferramentas biométricas

Marcadores moleculares para diagnóstico Ácidos nucléicos Diversas doenças Dependência dos avanços genômicos

Aumento da biomassa x aumento daconcentração de sacarose Estratégia?

Manipulação de enzimas sacarose fosfato sintase (SPS) e invertases (INV) Sucesso limitado

Bases moleculares do balanço metabólico Crescimento x armazenamento

DESAFIOS E PERSPECTIVASacúmulo de sacarose

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Potencial dos programas genômicos

Estrutura, função e interação de genes

Revolução na biotecnologia

Melhoramento molecular ilimitado

CONSIDERAÇÕES FINAIS