Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

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1 Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas LGN SEMINÁRIOS EM GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS A BIOTECNOLOGIA NO MELHORAMENTO DA CANA-DE-AÇÚCAR Aluno: João Fernando Bortoleto Orientador: Antonio Vargas de Oliveira Figueira Departamento de Genética Avenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: Piracicaba - São Paulo - Brasil Telefone: (0xx19) / 4125 / Fax: (0xx19)

2 SUMÁRIO introdução biotecnologia novas abordagens desafios e perspectivas considerações finais

3 INTRODUÇÃO

4 INTRODUÇÃO aspectos socioeconômicos 1532: Grandes Navegações Preço do açúcar Monocultura Grande propriedade Escravidão 1630: Invasão holandesa Decadência

5 INTRODUÇÃO aspectos socioeconômicos Crise do petróleo 1975: Programa Nacional do Ácool (Proácool) Crise de 1989 Uso de álcool na gasolina Brasil: maior produtor

6 INTRODUÇÃO aspectos socioeconômicos Safra 2006/07 R$ 41 bilhões 3,65% PIB 420 milhões ton 5,82 milhões ha 30 milhões ton 17,5 bilhões L 60% da produção Unicamp/CTC/Procana

7 INTRODUÇÃO taxonomia Divisão Magnoliophyta Classe Liliopsida Ordem Poales Família Poaceae Gênero Saccharum Espécies: S. barberi, S. edule, S. officinarum, S. robustum, S. sinense, S. spontaneum

8 INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO taxonomia S. officinarum S. spontaneum híbrido Saccharum spp. Grande produtividade, melhor capacidade de enraizamento e resistência a doenças

9 INTRODUÇÃO genoma D Hont et al., 1998 S. officinarum 2n=80; X=10 S. spontaneum 2n=48-128; X=8 18S-5,6S-25S 5S 2n=80 8X=80 octaplóide 2n=80 10X=80 decaplóide

10 INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO genoma S. officinarum 2n=8X=80 S. spontaneum 2n=6-16X= híbrido Saccharum spp. 2n=

11 INTRODUÇÃO genoma D Hont et al., 1996 S. officinarum S. spontaneum

12 INTRODUÇÃO genoma Grivet e Arruda, 2002 Poliploidia e aneuploidia 15-20%: genoma de S. spontaneum Menos de 5%: cromossomos translocados

13 INTRODUÇÃO genoma Grivet e Arruda, 2002 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 Cana-de-açúcar (Saccharum officinarum) Sorgo (Sorghum bicolor) 1. Célula somática (2C) 2. Célula gamética (1C) 3. Conjunto monoplóide

14 INTRODUÇÃO melhoramento Necessidade de integração do melhoramento convencional e molecular para superar o desafio de manter a indústria lucrativa no futuro pmgca.dbv.cca.ufscar.br

15 BIOTECNOLOGIA

16 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 dificuldades no melhoramento

17 BIOTECNOLOGIA 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

18 BIOTECNOLOGIA genômica Vettore et al., 2003 Técnicas de sequenciamento eficientes SUCEST (The Sugarcane EST Project) Mais de sequências expressas Vários tecidos e estágios de desenvolvimento Ao menos 90% das ESTs de cana-de-açúcar anotadas

19 BIOTECNOLOGIA cultivo in vitro Lakshmanan et al., 2006 Micropropagação Multiplicação clonal Meristemas apical e axilar Regeneração direta: estabilidade genética e fenotípica

20 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 Snyman et al., 1996 Cidade et al., 2006 Niaz e Quraishi, 2002

21 BIOTECNOLOGIA cultivo in vitro Outras aplicações Conservação de germoplasma Produção de plantas sadias para plantio comercial

22 BIOTECNOLOGIA transformação genética Tecnologias iniciais Polietilenoglicol (PEG): primeiros calos transgênicos Eletroporação: calos com estabilidade do transgene protoplastos Dificuldades na regeneração

23 BIOTECNOLOGIA transformação genética Gelvin, 2005 Agrobacterium

24 BIOTECNOLOGIA transformação genética Agrobacterium Desarmamento de cepas Brasileiro e Carneiro, 1998

25 BIOTECNOLOGIA transformação genética Agrobacterium Vetores binários Komori et al., 2007 Brasileiro e Carneiro, 1998

26 BIOTECNOLOGIA transformação genética Komori et al., 2007 Agrobacterium Construção de vetores por recombinação

27 BIOTECNOLOGIA transformação genética Agrobacterium Vetores superbinários Komari et al., 1996

28 BIOTECNOLOGIA transformação genética Arencibia et al., 1998 Agrobacterium Marcador visual: β-glucuronidase (GUS) Calos

29 BIOTECNOLOGIA transformação genética Enríquez-Obregón et al., 1998 Agrobacterium Plantas resistentes a BASTA Frequência de transformação: 35%

30 BIOTECNOLOGIA transformação genética Elliott et al., 1998 Agrobacterium Marcador visual: proteína verde fluorescente (GFP) Seleção de linhagens transgênicas

31 BIOTECNOLOGIA transformação genética Manickavasagam et al., 2004 Agrobacterium Gemas axilares Elevada eficiência de transformação:50% Plantas resistentes a BASTA

32 BIOTECNOLOGIA transformação genética 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

33 BIOTECNOLOGIA transformação genética Biobalística Método mais amplamente explorado câmara de gás em alta pressão membrana de ruptura membrana carreadora aparato de lançamento tela de retenção células-alvo micropartículas prateleira

34 BIOTECNOLOGIA transformação genética Bower e Birch, 1992 Biobalística

35 BIOTECNOLOGIA transformação genética Biobalística Brasil: plantas resistentes a herbicida, broca da cana-de-açúcar e com acúmulo de prolina Christensen e Quail, 1996 Falco et al., 2000 Christensen e Quail, 1996 Falco e Silva-Filho, 2003

36 BIOTECNOLOGIA transformação genética Biobalística Disponibilidade de equipamento Método de alta aplicabilidade e versatilidade

37 DESAFIOS E PERSPECTIVAS transgênicos 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

38 NOVAS ABORDAGENS

39 NOVAS ABORDAGENS biofábricas 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

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

41 NOVAS ABORDAGENS biofábricas Wang et al., 2005 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

42 NOVAS ABORDAGENS biofábricas McQualter et al., 2005 corismato piruvato-liase 4-hidroxicinamoil-CoAhidratase/liase

43 NOVAS ABORDAGENS biofábricas McQualter et al., 2005 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

44 NOVAS ABORDAGENS biofábricas Petrasovits et al., 2007 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

45 NOVAS ABORDAGENS biofábricas Petrasovits et al., 2007

46 NOVAS ABORDAGENS biofábricas Chong et al., 2007 sorbitol-6-fosfato desidrogenase glicoquisane

47 NOVAS ABORDAGENS biofábricas Chong et al., 2007 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

48 DESAFIOS E PESPERCTIVAS

49 DESAFIOS E PERSPECTIVAS transgênicos/biofábricas Pontos-chave Promotores Otimização de codons Técnica de transformação Uso de chaperonas Endereçamento de produtos para organelas Transformação de cloroplastos

50 DESAFIOS E PERSPECTIVAS marcadores 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

51 DESAFIOS E PERSPECTIVAS marcadores moleculares Grivet e Arruda, 2002

52 DESAFIOS E PERSPECTIVAS marcadores 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

53 DESAFIOS E PERSPECTIVAS acúmulo de sacarose Aumento da biomassa x aumento da concentração de sacarose Estratégia? Manipulação de enzimas sacarose fosfato sintase (SPS) e invertases (INV) Sucesso limitado Bases moleculares do balanço metabólico Crescimento x armazenamento

54 CONSIDERAÇÕES FINAIS

55 CONSIDERAÇÕES FINAIS Potencial dos programas genômicos Estrutura, função e interação de genes Revolução na biotecnologia Melhoramento molecular ilimitado

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