Aula 2A: Conceitos e estrutura de programas de melhoramento genético

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO PÓLO AVANÇADO DE XERÉM GRADUAÇÃO EM BIOTECNOLOGIA CURSO MELH. GEN. E OGMs (XBT353) TURMA 2014/2 Aula 2A: Conceitos e estrutura de programas de melhoramento genético Prof. Dr. Silas Pessini Rodrigues Rio de Janeiro, 19 de agosto de 2014

2 Agricultura Plantio e colheita de recursos vegetais e o pastoreio de animais

3 Melhoramento genético Na agricultura, objetiva-se a obtenção de plantas e animas novos e melhorados As alterações são permanentes e hereditárias Pode envolver reprodução sexuada (metodos clássicos) ou não (DNA recombinante)

4 Objetivos do melhoramento genético visam atender às necessidades do produtor, consumidor e impacto ambiental Plantas resistentes a tombamento e a pestes Alimento de maior teor nutricional e mais sabor Plantas como biorreatores na produção de fármacos (biofármacos) Variedades mais produtivas Cultivar variedade ou genótipo que é plantada com fins comerciais

5 Organismos geneticamente melhorados obtidos por melhoramento genético clássico Organismo geneticamente modificados (OGMs) ou transgênicos obtidos por engenharia genética para a incorporação genes estranhos no organismo FlavrSavr tomato, 1 o OGM aprovado para consumo nos U.S. em 1992

6 Tecnologia Bt Toxina Bt inativa no intestino alkalino do inseto (humano é ácido) desenovela clivada por enzimas digestivas forma ativa da toxina provoca perfurações na parede do intestino do inseto Adotado em 1996 pela Monsanto Bacillus thuringiensis Aumento de 1000 X Toxina Bt

7 Soja brasileira, expressando o gene Cry1Ac e o gene de resistência a glifosato Aceita no processo regulatório brasileiro em 2010 Desenvolvida pela Monsanto Soja transgênica Soja controle

8 Conceitos chave no melhoramento genético 1) Evolução Fenômeno de população Mudanças na frequência de alelos (i.e., o conjunto de genes de uma população) acarreta mudanças na diversidade genética e na abilidade da população em sofrer divergência genética 2) Domesticação (>10,000 anos atrás ) As alterações genéticas são causadas por meio de seleção imposta por humanos Plantas e animais são selecionados de acordo com as suas características de cultivo/criação para o benefício de produtores e consumidores Existem graus de domesticação Geralmente não podem ser re-introduzidos no meio selvagem 3) Melhoramento genético ( ) A ocorrência e frequência de um deternimado gene são induzidas numa espécie utilizando-se abordagens diferentes Utiliza tanto conceitos quanto o método científico

9 Evolução: Teoria de Charles Darwin O ambiente impõe limites aos indivíduos alguns terão vantagens em relação a outros seleção natural Princípios: variação (nas diferentes características do indivíduo), hereditariedade (o filho se parece com o(s) pai(s)), seleção (alguns indivíduos são mais resistentes que outros) Dinâmica de populações x seleção natural especiação Tempo fator fundamental Longo, na evolução Curto, no melhoramento Evolução x melhoramento genético Conceitualmente, melhoramento genético = evolução Melhoramento é a evolução feita por humanos Melhoramento utiliza populações abertas (porque insere os genótipos de interesse, de diferentes origens), enquanto a evolução atua em populações mais fechadas ou limitadas

10 Domesticação: categorias de plantas Primárias parentes selvagens foram cultivados por humanos e evoluíram no novo ambiente Ex.: Avina sterilis Avina fatua Aveia Secundárias evoluíram à partir de ervas daninhas, que cresciam em campos cultivados

11 Domesticação: principais famílias de plantas domesticadas Cruciferae Gramineae (ou Poaceae) Solanaceae Leguminoseae (ou Fabaceae)

12 Domesticação: Influências culturais ou regionais

13 Síndrome da domesticação Objetivos comuns à maioria das espécies que se pretendia domesticar (melhorar geneticamente): 1) Germinação/muda: com maior taxa germinativa, quebra de dormência e mudas mais vigorosas 2) Reprodução: capacidade de reprodução vegetativa e autofecundação 3) Pré- colheita: sementes mais uniformes, sementes com pouco ou nenhuma dispersão natural, planta mais compacta e pouco sensível a fotoperíodo 4) Pós-colheita: sabor, textura, cor, tempo de prateleira.

14 O melhoramento genético científico sucedeu a domesticação Conceitos científicos fundamentais: Gregor Mendel os fatores são transmitidos dos pais para os filho através das gerações Originou o conceito de genes, base da genética Trabalho feito com ervilhas, publicado em 1865 Wilhelm Johannsen Linhagens puras, ou homozigotas podem ser obtidas através de autopolinização de uma espécie Precursor da teoria da linhagem pura, publicada em 1903 H. Nilson O cruzamento entre duas espécies próximas origina indivíduos com desempenho melhor que o dos pais Precursor do conceito de vigor do híbrido

15 Programa de melhoramento genético: organização 1) Organização do projeto: número de pessoas envolvidas, campo, casas de vegetação, germinadoras, outras necessidades 2) Plano de controle: objetivos e estratégias claras; estratégias para manejo de dados 3) Comportamento: trabalho em equipe 4) Tomada de decisões: diversas questões surgirão ao longo do programa; o melhorista analiza e toma decisões

16 Programa de melhoramento genético: decisões 1) Objetivo do melhoramento devem ser claros e economicamente viáveis 2) Germoplasma deve fornecer o gene para o caráter desejado (hoje, vários bancos de germoplasmas são disponíveis no mundo) 3) Estratégia de melhoramento qual é o método (híbridos, polinização aberta com pré-seleção dos parentes, melhoramento assitido por marcador, transgenia, ou uma combinação de estratégias) 4) Tipo de cultivar O cultivar a ser melhorado seria uma híbrido ou um transgênico? O melhoramento é focado em uma região geográfica ou de abrangência mais ampla? 5) Mercado Produto final vai ser consumido à fresco ou industrializado 6) Avaliação Estratégia de avaliação de cada ciclo do melhoramento Alguns genótipos são avaliados no campo por muitos anos, outros em diferentes regiões Ex.: As populações resultantes do cruzamentos são sempre reduzidas em tamanho (10,000 para 1,000, de 1,000 para 100 e de 100 para 10) Pergunta-se: Esta planta tem potencial para se tornar um cultivar? Ela teria alguma outra utilidade? Sim? Genótipo é mantido ppor mais um ciclo da cultura, e re-avaliação Não? Descarte 7) Liberação do cultivar Escolhe-se o genótipo mais estável, defini-se um nome, e aspectos de proteção legal Liberação = Clímax do programa!

17 Estratégias de melhoramento genético Melhoramento convencional ou clássico Cruzamento entre duas plantas (hibridização) técnica principal na indução de variabilidade em plantas com flores Seleciona-se as variedades de interesse Fácil condução e acessível para a maioria dos melhoristas Ainda é a ferramenta mais robusta disponível. Melhoramento não convencional Métodos mais modernos (Ex.: tecnologia do DNA recombinante) utilizado para criar variabilidade, que as vezes não é possível com métodos clássico Requer mais tecnologia e formação de pessoal especializado Geralmente de custo elevado Pode contornar problemas com barreiras reprodutivas entre espécies As duas estratégias são complementares Métodos moleculares geram variabilidade ou facilitam a seleção uma planta transgênica pode ser cruzada com outra espécie transferência do gene de interesse O produto de ambas as estratégias avaliado no campo passa por uma avaliação da qualidade de sementes liberado ao produtor Os obtidos por transgenia sofre um controle adcional (discutido separadamente em outra aula).

18 Melhoramento vegetal no setor privado x setor público 1. Setor privado Com fins lucrativos Maiores multinacionais envolvidas (Monsanto, Pioneer, Novartis/Syngenta e Advanta Seed Group) As companhias são detentoras das novas sementes desenvolvidas 1.1 Fatores que determinam a tendência do melhoramento: Custo da pesquisa novas tecnologias têm custo muito elevado mas o produto final tem alta qualidade e produtividade, facilitar o cultivo no campo Estrutura do mercado O mercado da semente específica é grande e lucrativo? o interesse é ainda maior quando o custo da semente disponível no mercado já é alto Organização do mercado de sementes a companhia que tem a posse de uma tecnologia monopoliza o mercado até que uma alternativa seja lançada Abilidade de se apropriar do retorno da pesquisa tradicionalmente, o setor privado prefere plantas de alto valor (ex.: milho) e com capacidade de serem hibridizadas As companhias devem considerar também os lucros para os fazendeiros

19 Melhoramento vegetal no setor privado x setor público 2. Setor público 2.1 Brasil Embrapa Incaper 2.2 Estados Unidos Feito em instituições que ganham areas de terra do governo Ex.: Universidade de Cornell, Massachusetts Institute of Technology (MIT) focadas em agricultura mais interssadas em plantas de interesse econômico 2.3 Internacional Algumas instituições internacionais (Food and Agricultural Organization (FAO); Ford Foundation; Rockefeller Foundation preocupadas com culturas que são importantes apenas em países que não dominam tecnologias de melhoramento Ex.: mandioca na África Países em desevolvimento com programas avançados de melhoramento Brasila, China, India e África do Sul

20 Duração e custos de um programa de melhoramento 7-10 anos (as vezes mais) para a liberação de um novo cultivar anual Ex.: milho, trigo e soja Mais tempo para plantas perenes O uso de técnicas moleculares e cultura de tecidos podem acelerar o processo Pode custar de milhares a milhões de reais Fica ainda mais caro se envolve propriedade intelectual Custo depende do local e do pessoal envolvido no programa Ex.: melhoramento em país em desenvolvimento tem mão-de-obra mais barata

21 Recursos genéticos para o melhoramento: Germoplasmas Recursos genéticos que guardam a variabilidade genética entre e dentro da espécie, com fins de utilização para a pesquisa em geral, especialmente para o melhoramento genético.

22 Germoplasmas Indispensável para qualquer programa de melhoramento Material genético que pode ser usado na perpetuação de uma espécie Fornece parentes utilizados no início de programas de melhoramento avalia-se os germoplasmas quanto ao interesse específico, alguns exemplares são liberados para o melhoramento Utilizados na indução de variabialidade com o uso de diferentes métodos Principal fonte são os locais de onde a cultura é originária

23 Bancos de germoplasmas Brasil tem o 6º maior banco de sementes do mundo sementes, à -20 o C, resistem > 100 anos Representam ~500 espécies diferentes Perde para os U.S., Alemanha, China, Índia e Korea do Sul Outros bancos de germoplasmas específicos: Banco de Germoplasma de Hortaliças (BGH UFV) Universidade Federal de Viçosa/Fundação Rockefeller Criado em 1966 Resgatar espécies nativas ou introduzidas, preservar, documentar e manter intercâmbio de germoplasma entre as diversas regiões do Brasil Acervo com mais de subamostras de hortaliças, provenientes do Brasil e também recebidos como doação de mais de 100 países Banco Ativo de Germoplasma de Soja Acervo de ~5.000 acessos Mantidos na Embrapa Soja, em Londrina-PR.

24 Tipos de germoplasmas 1) Plantas domesticadas Cultivares comerciais atuais (com características desejáveis) ou obsoletos (Ex.: que se tornaram suceptíveis a novas doencas) Subprodutos do melhoramento genótipos intermediários de programas de melhoramento Landacres desenvolvidos e mantidos por fazendeiros ao longo de anos Plantas introduzidas um genótipo importado de outra região, geralmente outro país Estoque genético produto de manipulação genética especializada (induzidos por mutações) 2) Plantas não-domesticadas Quando os genes de interesse não existem em plantas domesticadas as plantas não domesticadas são uma alternativa 3) Outras espécies ou gêneros Para o melhoramento clássico requer que os prognitores sejam reprodutivamente compatíveis e férteis Geralmente fácil e com sucesso se os envolvidos são próximos Quanto mais divergente mais difícil

25 Conceito de pools de genes GP1: podem ser cruzados com facilidade, progêne é fertil GP2: pode ser cruzado com GP1, mas a geração F1 pode ou não ser fétil GP3: cruzamento com GP1 é muito problemática, gerando letalidade, esterilidade e outros problemas A prioridade é sempre escolher progenitores dos grupos GP1 ou GP2, só se usa GP3 quando ele é a única fonte do gene

26 Vulnerabilidade Genética Homogeneidade e uniformidade de algumas plantas que as pré-dispõe à suceptibilidade a pestes, patógenos e perígos ambientais em maiores proporções Helminthosporium maydis Epidemia no U.S. em 1970 causada pela uniformidade geética do cultivar de milho utilizado no época

27 Vulnerabilidade genética pode ser causada pela herança de genes que aumentam a suceptibilidade do indivíduo a estresse Ex.: Avelã Fungo Cryphonectria parasitica Doença fúngica (chestnut blight )

28 Fatores envolvidos na vulnerabilidade genética: -evolução do cultivar -tendências do programa de melhoramento -tendências na tecnologia utilizada -decisões dos produtores fator chave Preferência do produtor/consumidor pela uniformidade da característica Cultura sucessiva de um mesmo genótipo seleciona patógenos

29 Como lidar com a vulnerabilidade? 1) Detectar o grau real de vulnerabilidade e a concordância entre os produtores 2) Utilizar germoplasmas selvagens 3) Mudança de paradigma antes se procurava por fenótipos nos germoplasmas agora deve-seprocurar por genes 4) Uso de biotecnologia criação de variabilidade (usando-se transgenia, fusão de células, variação somaclonal ) 5) Emplilhamento de genes técnica em que vários genes, por ex.: resistênca a doenças, são introduzidos simultaneamente

30 Conservação do recurso genético x melhoramento genético A conservação da biodiversidade fundamental para que problems futuros sejam enfrentados Erosão genética Declíneo na diversidade genética de populações cultivadas ou naturais pela ação humana Causas da erosão genética Naturais desastres naturais podem levar ao desaparecimento de espécies Ação de fazendeiros manejo do solo, mono-cultura, desmatamento Ação de melhoristas promovem muita uniformidade genética Problemas com a conservação de germoplasmas armazenamento incorreto no campo ou em laboratório pode levar a exclusão de genótipos mais suceptíveis Ação do público em geral com novas demandas por terra o germoplasma é sempre colocado em segundo plano, exposto à riscos de perdas

31 Questão: Qual é o limite de manipulação genética suportado por um genoma? Trazer no dia da prova 1, que sera anexo à prova