Genética e Melhoramento de Plantas

Transcrição

1 Genética e Melhoramento de Plantas AULA 2 Por: Augusto Peixe

2 EVOLUÇÃO DO MELHORAMENTO COMO ACTIVIDADE As primeiras variedades -De silvestre a cultivada -O processo de domesticação *Selecção automática -Alteração da arquitectura da planta. *DoTeosinte ao Milho Híbrido

3 -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 espécies. A variabilidade dentro de uma dada espécie é maior em determinadas regiões do globo

4 -Sul mexicano e Cento Americano -Sul Americano -Sub-Centro Brasil - Paraguai -Próximo Oriente -Chinês -Indiano -Indo-Malaio -Centro Asiático -Sub-Centro Chileno -Mediterrâneo -Abissínia -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.

5 Aumento do Rendimento Por Melhoramento Genético Em Algumas Culturas Grain Yield (t/ha) 10 Average maize yields in the US Milho USA Open Pollinated Populations Doubled Hybrids F 1 Hybrids Year Trigo Vários Paises Soja USA

6 Área necessária para produzir uma ton. de milho m

7 A Reprodução nas Plantas Superiores 1-Reprodução vegetativa ou assexuada Reprodução de indivíduos geneticamente idênticos ao progenitor Sem meiose, sem fertilização, sem recombinação

8 Formas de reprodução vegetativa Naturais Rizomas Estolhos Bolbos Tubérculos Artificiais Estacaria Enxertia Mergulhia, Alpoquia, Amontoa, Cameação Cultura in vitro

9 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)

10 Desvantagens da reprodução assexuada Populações geneticamente uniformes, baixa variabilidade genética. Baixa capacidade de disseminação natural

11 2-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

12 Estruturabásicadaflor Flores Perfeitas Vs. Flores Imperfeitas Flor Perfeita PISTILO (Carpelo) ESTAMES Fminino: Estigma, Estilete, Ovário Maculino: filete, antera PETALAS Atracção de Polinizadores SEPALAS Protecção

13 Flor Imperfeita Possui partes masculinas ou femininas 1. Monoicas Flores masculinas e femininas separadas mas na mesma planta 2. Dioicas Flores masculinas nas plantas macho Flores femininas nas plantas fêmea

14 Polinização 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

15 MOST OF IT HAPPENS IN THE FLOWER!!!! THAT S WHY WE DON T SEE IT! male gametophyte formed in the anther female gametophyte formed in the ovary MEIOSIS! Pollination fertilization ovary SPOROPHYTE 2N embryo in seed zygote

16 HOW DOES THE FEMALE GAMETOPHYTE FORM? 2N 1N IN THE OVARY! Mega = female meiosis 1 SURVIVES 3 mitoses MEGAGAMETOPHYTE 1 N 8 nuclei 7 cells 1 is egg

17 in the anther! 2N CELL MEIOSIS 4 1 N CELLS 2 1 N CELLS MICRO = MALE MICROGAMETOPHYTE = POLLEN GRAIN

18 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!

19 Polinização em flores hermadroditas Auto-compativel (AC) A fecundação é possível por auto-polinização ou por polinização cruzada Auto-incompatível (AI) ou Autoestéril Apenas viável a polinização cruzada

20 Autogamia Auto-fertilização Transferência do pólen para a mesma flor ou entre flores da mesma planta. ~60% das angiospermicas são habitualmente autogâmicas

21 Desvantagens da Autogamia Diminui a variabilidade genética Reduz a heterozigocidade e aumenta a homozigocidade de alelos letais. Reduz o vigor da descendência

22 Perda de Heterozigocidade por auto-fecundação Aa x Aa A a 1/4 AA 1/2 Aa 1/4 aa A a AA Aa Aa O cruzamento entre dois heterozigóticos para um gene alelico produzirá uma descendência em que 50% dos indivíduos são homozigóticos. A proporção de heterozigóticos será reduzida para metade em cada novo cruzamento F1: 50% F2: 25% F3: 12.5% F4: 6.2% F5: 3.1% F6: 1.5% aa

23 Auto-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

24 Incompatibilidade esporofitica (IE) Os tecidos da antera (esporofito-2n) determinam que combinações são ou não viáveis. Interacção entre a exina do grão de pólen e o tecido estigmático O pólen não germina em flores que contenham um dos dois alelos coincidentes com os do tecido esporofitico da antera que o originou.

25 Incompatibilidade Gametofitica (IG) O genótipo haplóide do grão de pólen (gametófiton) determinam que combinações são ou não viáveis. Interacção entre o pólen e os tecidos do estilete. O grão de pólen germinará em qualquer pistilo que não contenha o mesmo alelo. 50% das angiospermicas

26 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.

27 Estratégias para impedir a auto-fecundação 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.

28 Separação temporal da estruturas reprodutivas (Dicogamia) Protandria As anteras libertam o pólen antes do estigma estar receptivo Protoginia O estigma fica receptivo antes da libertação do pólen

29 Separação física das estruturas reprodutivas Plantas monoicas Plantas dioicas

30 Problema fundamental do melhoramento: Detentores de elevado índice de variabilidade, descobrir dentro desta os indivíduos com o melhor genótiopo, conhecendo apenas o fenótipo

31 Origem da Variabilidade -Ambiental: Variação no desenvolvimento de plantas genéticamente uniformes, devidas à exposição a diferentes situações de stress ambiental -Hereditária 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

32 Falta de concordância genótipo/fenótipo Exemplo: 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- Fenótipos Com 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

33 Hereditariedade de Caracteres Simples A 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 alelos envolvidos 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 fenotipicamente uma característica dominante

34 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

35 Recombinação génica após hibridação Segregação independente de dois genes alelicos (cruzamento di-híbrido) Restrições: -Ligamento -Tamanho da população para mais genes

36 No caso de genes ligados Utilização do testcross para determinar as proporções de recombinação na F1 Genótipos esperados na F 2, (%). Alterações ao racio 9VP:3Vp:3vP:1vp,esperado de um cruzamento di-híbrido com segregação independente.

37 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

38 Hereditariedade de caracteres quantitativos Considerámos 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.

39 O aparecimento na F 2 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. Segregação transgressiva 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

40 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 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.

41 As Técnicas Básicas do Melhoramento -Selecção O sucesso no melhoramento de plantas depende directamente da variabilidade da população original e da capacidade do melhorador para aumentar, combinar e seleccionar essa variabilidade

42 -Recombinação -Hibridação -Cruzamentos complementares -Cruzamentos transgressivos -Retrocruzamento -Operação de voltar a cruzar um híbrido F1 com um dos seus progenitores. -Em melhoramento deveria chamarse 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

43 INTRODUÇÃO DE UM RECESSIVO

44 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