Introdução ao Melhoramento Genético e aos Organismos Geneticamente Modificados (OGMs)

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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 2014/1 Introdução ao Melhoramento Genético e aos Organismos Geneticamente Modificados (OGMs) Prof. Dr. Silas Pessini Rodrigues Rio de Janeiro, 04 de fevereiro de 2014

2 A vida surgiu na terra ~4 bilhões de anos atrás Homo sapiens surgiu como uma espécie ~ anos atrás Crânio Cro magnon de Homo sapiens de ~ anos Image credit: Smithsonian Institution Human Origins Program Adaptado de: Williams, M.E. (May 31, 2011). Genetic Improvements in Agriculture. Teaching Tools in Plant Biology: Lecture Notes. The Plant Cell (online), doi/ /tpc.111.tt0511.

3 As atividades humanas causaram diversas alterações físicas, químicas, geológicas, atmosféricas e biológicas no planeta Crânio Cro magnon de Homo sapiens de ~ anos Image credit: Smithsonian Institution Human Origins Program Adaptado de: Williams, M.E. (May 31, 2011). Genetic Improvements in Agriculture. Teaching Tools in Plant Biology: Lecture Notes. The Plant Cell (online), doi/ /tpc.111.tt0511.

4 Nós removemos montanhas km A mina de extração de carvão mineral, Hobet coal mine em Boone County, West Virginia se espalhou para mais de 10,000 acres (15.6 milhas quadradas) NASA images by Robert Simmon, based on Landsat 5 data from the USGS Global Visualization Viewer.

5 ...alteramos o curso de rios A hidroelétrica chinesa Three Gorges Dam tem o maior potencial gerador instalado no mundo. O reservatório acima da barragem tem mais de 3 km de distância Photo credit: NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio United States Geological Survey and Le Grand Portage

6 ...causado extinções... O pássaro dodo (Raphus cucullatus) foi a maior ave não voadora da Ilha Mauritus. A chegada humana levou a extinsão dos dodos no final do século 17. Dodo by Edouard Poppig, 1841

7 ...modificado outras espécies de forma marcante...

8 ... E modificado genomas de plantas por milhares de anos... Image credits: P. Cos, Cacaphony, USDA, CIMMYT

9 Agora, nos deparamos com nossos maiores desfios: População Global CO 2 Atmosférico Como alimentar mais pessoas sem danificar ainda mais o planeta? Photo courtesy Earth Observatory NASA

10 Qual é o papel do melhoramento genético na resolução dos problemas globais? Photo credits: Xochiquetzal Fonseca/CIMMYT and IRRI

11 Melhoramento genético Passado distante Domesticação de plantas e animais de interesse para a alimentação Passado recente Sementes híbridas A (primeira) revolução verde Avanços em tecnologias de melhorameto Agora e no futuro Melhoramento para melhor saúde humana Melhoramento para tolerância a seca Inovação agrícola na África A segunda revolução verde

12 O passado distante (> anos atrás até 1900) Homo sapiens se originou entre anos trás. As principais plantas cultivadas foram domesticadas ~ anos atrás. O desenvolvimento das civilizações humanas se correlaciona com o desenvolvimento da agricultura. Karol Schauer

13 A domesticação de plantas seguiu o final do período glacial mais recenente Regreção Glacial Avanço Glacial Mil anos atrás Surgimento de indivíduos selvagens Cultivo de plantas pré-domesticadas Domesticação Revolução neolítica Allaby, R.G., Fuller, D.Q., and Brown, T.A. (2008) The genetic expectations of a protracted model for the origins of domesticated crops. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105: , copyright National Academy of Sciences USA

14 Como as as pessoas começaram a cultivar plantas? Acredita-se que houve uma mudança gradual entre procurar e seguir as fontes de alimento para uma migração semideterminada e finalmente a permanência em algumas áreas. X X X

15 Como as as pessoas começaram a cultivar plantas? Acredita-se que houve uma mudança gradual entre procurar e seguir as fontes de alimento para uma migração semideterminada e finalmente a permanência em algumas áreas. X X

16 Como as as pessoas começaram a cultivar plantas? Acredita-se que houve uma mudança gradual entre procurar e seguir as fontes de alimento para uma migração semideterminada e finalmente a permanência em algumas áreas. X

17 As plantas foram domesticadas em paralelo, em diferentes partes do mundo Trigo, cevada, ervilha e lentilha ~ anos atrás Arroz e soja ~ anos atrás Arroz e feijão ~ anos atrás Milho, abobrinha, feijão e batata ~ anos atrás Centros de origem e produção de alimento Áreas agrícolas mais produtivas atualmente Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd.: [Nature] Diamond, J. (2002). Evolution, consequences and future of plant and animal domestication. Nature 418: , copyright 2002.

18 As modificações genéticas surgiram como um consequência do cultivo A representação de sementes de plantas boas aumentava em gerações subsequentes Variação natural entre a população Image courtesy of University of California Museum of Paleontology, Understanding Evolution -

19 O tamanho da espiga aumentou durante a domesticação do milho Espigas de milho provenientes de um campo arqueológico no vale do Tehuacan, México anos atrás 500 anos atrás Photo Robert S. Peabody Museum of Archaeology, Phillips Academy, Andover, Massachusetts. All Rights Reserved.

20 O revestimento rígido em volta dos grãos foi removido... Teosinte, o parente selvagem do milho, tem uma cobertura rígida sobre os grãos. O homem selecionou variedades sem esta característica durante a domesticação do milho. Photo by Hugh Iltis; Reprinted from Doebley, J.F., Gaut, B.S., and Smith, B.D. (2006). The Molecular Genetics of Crop Domestication. Cell 127: , with permission from Elsevier.

21 Plantas menos ramificadas e com sementes maiores foram também priozadas Image credit Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation

22 Sementes de arroz mais resistentes foram selecionadas Domesticado Grãos mais resistentes ao toque facilitam a colheita Selvagem Grãos quebradiços facilitam a dispersão natural From Konishi, S., Izawa, T., Lin, S.Y., Ebana, K., Fukuta, Y., Sasaki, T., and Yano, M. (2006). An SNP caused loss of seed shattering during rice domestication. Science 312: Reprinted with permission from AAAS.

23 Gado foi selecionado de acordo com as carecterísticas regionais Zebu (Bos indicus), adaptado a clima quente taurino (Bos taurus), adaptado a climas mais frios

24 Muitos dos cultivares atuais são o resultado de um extensivo rearranjo genético Plantas poliplóides (genomas múltiplos) são normalmente maiores e selecionadas para propagação O trigo comum é o resultado da hibridização interespecífica de três ancestrais Os brassicas compartilham três genomas recombinados From Dubcovsky, J. and Dvorak, J. (2007). Genome Plasticity a Key Factor in the Success of Polyploid Wheat Under Domestication. Science. 316: Reprinted with permission from AAAS. Brassica figure from Adenosine

25 Os cultivares modernos foram domesticados através da modificação de genomas From Dubcovsky, J. and Dvorak, J. (2007). Genome Plasticity a Key Factor in the Success of Polyploid Wheat Under Domestication. Science. 316: Reprinted with permission from AAAS.

26 Esquema do melhoramento do arroz Indica Rice IR64 Um dos cultivares mais plantados no mundo, Indica rice I64, é o produto de um programa complexo de melhoramento que causou uma extensa modificação genômica através de mutações, deleções, e rearranjos. PA CHIAM SERAUP FORTUNA BESAR 15 MARONG UNKNOWN PAROC BLUE ROSE BPI 76 REXORO SUPREME SINAWPAGH UNKNOWN CINA LATISAIL TEXAS RSBR GEB24 PATNA BLUE BONNET PETA Recombinações Translocações DGWG CP231 SLO 17 BENONG IR1870 Mutações IR8 CHOW SUNG IR262 KITCHILI SAMBA IR86 CP SLO 17 SIGADIS IR1103 TADUKAN VELLAIKAR IR400 TSAI YUAN CHUNG IR1006 MUDGO TETEP IR1163 IR238 TN1 IR1416 IR1402 IR22 TKM6 IR746A IR1614 Genoma original de arroz O. nivara IR95 IR2006 IR579 IR747 IR24/ IR661 IR1721 IR773 A BPI 121 GAM PAI IR1915 B IR1833 GAM PAI 15 IR1561 IR1737 IR1916 IR833 IR2040 Inversões IR2146 IR 2055 IR2061 IR5236 IR5338 Ultimate Landraces GAM PAI TSAI YUAN CHUNG IR5657 DEE GEO WOO GEN BENONG CINA Unknow n IR18348 LATISAIL CHOW SUNG TADUKAN MUDGO IR64 KITCHILI SAMBA TETEP PA CHIAM SINAWPAGH SERAUPBESAR 15 UNKNOWN (JAPANESE) IR 64 NAHNG MON S 4 O. nivara (IRGC ) VELLAIKAR MARONG PAROC NAHNG MON S4 NMS 4 IR127 Deleções IR1641 IR1704 Slide courtesy of Ingo Potrykus

27 O mito do alimento natural O alimento que consumimos vem de plantas bastante modificadas a partir dos seus ancestrais. Mesmo as variedades ancestrais sofreram modificações genéticas estensivas. Credit: Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation

28 O passado recente: Século XX ( ) O século XX nos levou desde a lâmpada a gás até o Google e das embarcações até foguetes espaciais

29 O passado recente: Século XX ( )...e a população mundial quadriplicou em apenas 100 anos População mundial (bilhões) 6 billion 1.6 billion O século XX nos levou desde a lâmpada a gás até o Google e das embarcações até foguetes espaciais

30 Melhoramento vegetal científico: invesão de John Garton Avanços na propagação e melhoramento foram necessários para que a produção de alimento fosse compatível com o crescimento da população John Garton Capa do catálogo de podutos Photo credits: Gartons Plant Breeders

31 Mendel e Darwin criaram as bases para o melhoramento genético científico

32 O milho híbrido levou à um aumento dramático na produção e milho A B x A A x B B Vigor do híbrido: O resultado do cruzamento entre parentes geneticamente diferente são frequentemente indivíduos com crescimento aumentado. Shull, G.H. (1909) A pure line method in corn breeding. Am. Breed. Assoc. Rep. 5, by permission of Oxford University Press.

33 O vigor do híbrido pode ser observado também no corpo vegetativo da planta Chen, Z.J. Nature Reviews Genetics 14, , (2013)

34 O milho híbrido logo substituiu o cultivar anterior A B x A A x B B Os fazendeiros tiveram que comprar sementes ao final de cada colheita, então o aumento na produção também resultou em aumento em custos Percentual de área de milho h;ibrido plantada Shull, G.H. (1909) A pure line method in corn breeding. Am. Breed. Assoc. Rep. 5, by permission of Oxford University Press; Economic Research Service / USDA

35 Cultivares híbridos brasileiros híbrido de maracujazeiro azedo BRS Rubi do Cerrado (Embrapa Cerrados) resistência doenças elevada produtividade maior tempo de prateleira

36 Cultivares híbridos brasileiros

37 Norman Borlaug foi um melhorista vegetal, pai da Revolução Verde Uma das contribuições mais significativas do século XX foi o desenvolvimento de variedades de trigo mais resistentes ao tombamento, e semi-anãs. Melhorista vegetal e vencedor do Prêmio Nobel da Paz Norman Borlaug

38 Plantas da revolução verde causaram um aumento dranático na produção Com a introdução das variedades resistentes a doenças e semi-anãs os países passaram da posição de importadores para exportadores de grãos Source: FAO via Brian0918

39 O aumento na produção de alimento tem acompanhado o aumento do crescimento populacional População (bilhões) 100% aumento Produção agrícola (giga-ton) >100% aumento Area plantada (hectare) ~20% aumento A area plantada não tem aumentado tão rápido quanto a produção agrícola, porque a produtividade (alimento por hectare) aumentou Aumentar a produtividade agrícola sem aumento na área plantada auxilia na redução dos efeitos climáticos e reduz a perda da biodiversidade Burney, J.A., Davis, S.J., and Lobell, D.B. (2010). Greenhouse gas mitigation by agricultural intensification. Proc. Natl. Acad. Sci. 107:

40 Melhoristas modernos usam métodos moleculares incluindo sequenciamento de DNA e proteômica, associados à experimentos de campo Photo credits Scott Bauer USDA; CIMMYT; IRRI; RCMI; Duke Institute for Genome Sciences and Policy

41 Avanços em genética contribuem para o melhoramento vegetal Seleção assitida por marcador Estudos do genoma completo Tecnologia do DNA recombinante e transgenia = engenharia genética Photo credit: IRRI

42 Seleção assistida por marcador Seleção de indivíduos por DNA marcadores é mais rápido do que seleção por fenótipo Fenótipo: expressão física de uma características Genótipo: sequência de todos os genes do genoma Photo credit LemnaTec; Anderson, L.K., Lai, A., Stack, S.M., Rizzon, C. and Gaut, B.S. (2006). Uneven distribution of expressed sequence tag loci on maize pachytene chromosomes. Genome Research. 16:

43 Maize Genome sequence data are available for many important plants

44 Engenharia genética é um outro método de melhoramento A tecnologia do DNA recombinante permite que um único gene seja introduzido no genoma. Este método é muito mais rápido que o melhoramento clássico Tomateiro elite Tomateiro pobre, mas resistente a doença Tomateiro elite, resistente a doença

45 Este curso vai abordar tanto as técnicas clássicas de melhoramento, quanto as técnicas mais modernas envolvendo marcadores de DNA e transgenia

46 Nos próximos 50 anos, nós precisaremos produzir mais alimento do que foi produzido na história humana! Photo credit: UNICEF/NYHQ /Giacomo Pirozzi

47 Existem muitos caminhos para serem seguidos Aumento no teor de nutrientes Tolerância a estresse Resistência a doenças SOLUÇÕES PROBLEMAS Aumento de produção Melhor captação/uso de nutrientes Maior eficiência no uso da água

48 Como os cultivares genéticamente modificados são analisados? Antes da liberação, organismos genéticamente modificados são submetidos à análises dé risco e análise do manejo daquele organismo no ambiente: riscos a saúde humana (toxicidade, alergenicidade, etc.) riscos da evolução da resistência em patógenos e pestes alvo riscos para organismos não algo riscos de movientação do transgene

49 Questão polêmica: Os transgênicos são saudáveis para a população humana??

50 Regulamentação da pesquisa, obtenção, uso e comercialização no Brasil e em outros países

51 Biossegurança e bioética em OGMs

52 Cronograma Aula Data Horário (h) Tópico 1 Terça-feira 04-Fev 8-12 Introdução à 'Melhoramento Genético e Organismos Geneticamente Modificados (OGMs)'; apresentação do cronograma; explicação das avaliações 2 Terça-feira 11-Fev 8-10 Conceitos e definições de OGMs Turma 1: Laboratório de aula prática Turma 2: Estudo dirigido em sala 3 Terça-feira 18-Fev 8-10 Recursos para o melhoramento genético Turma 1: Estudo dirigido em sala Turma 2: Laboratório de aula prática 4 Terça-feira 25-Fev 8-10 Ferramentas para o melhoramento genético I Turma 1: Laboratório de aula prática Turma 2: Estudo dirigido em sala Terça-feira 4-Mar Feriado de carnaval, não haverá aula. 5 Terça-feira 11-Mar 8-10 Ferramentas para o melhoramento genético II Turma 1: Laboratório de aula prática Turma 2: Estudo dirigido em sala 6 Terça-feira 18-Mar 8-10 Ferramentas para o melhoramento genético III Turma 1: Estudo dirigido em sala Turma 2:Laboratório de aula prática 7 Terça-feira 25-Mar 8-12 Prova 1 (3,0 horas de prova) 8 Terça-feira 01-Abr 8-10 Ferramentas para o melhoramento genético IV Turma 1: Laboratório de aula prática Turma 2: Estudo dirigido em sala 9 Terça-feira 08-Abr 8-10 Análise de organismos geneticamente modificados I Turma 1: Estudo dirigido em sala Turma 2: Laboratório de aula prática 10 Terça-feira 15-Abr 8-10 Análise de organismos geneticamente modificados II Turma 1: Laboratório de aula prática Turma 2: Laboratório de aula prática 11 Terça-feira 22-Abr 8-10 Regulamentação nacional e internacional de OGMs Turma 1: Laboratório de aula prática Turma 2: Laboratório de aula prática 12 Terça-feira 29-Abr 8-12 Visita ao laboratório de proteômica no Fundão 13 Terça-feira 06-Mai 8-12 Seminários 14 Terça-feira 13-Mai 8-12 Seminários 15 Terça-feira 20-Mai 8-12 Seminários 16 Terça-feira 27-Mai 8-12 Prova 2 (3,0 horas de prova) 17 Terça-feira 3-Jun 8-12 Revisão 18 Terça-feira 10-Jun 8-12 Prova final (3,0 horas de prova)