Endogamia e Heterose

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1 Endogamia e Heterose O termo endogamia refere-se ao cruzamento ou acasalamento de indivíduos com certo grau de parentesco e aplica-se tanto a plantas como a animais. Define-se heterose ou vigor híbrido como a expressão genética dos efeitos benéficos da hibridação. Portanto, endogamia e heterose são fenômenos relacionados, embora opostos. Brewbaker (1969) considera a heterose como um recurso extremamente importante à disposição do melhorista. Segundo Loma (1946), o vigor corresponde à capacidade de um indivíduo para desenvolver em alto grau suas funções vitais. A perda de vigor que se verifica com endocruzamento em populações panmíticas é, geralmente, compensada por uma resposta heterótica nas progênies resultantes de cruzamentos de indivíduos não aparentados. Fenotipicamente, a heterose se manifesta em maior produtividade, altura da planta, tamanho de frutos, desenvolvimento e coloração verde das plantas, especialmente das folhas, etc. Na prática, em termos econômicos, interessam os aumentos de produção de grãos ou outros produtos comerciais, dependendo da cultura. Os dois fenômenos são freqüentemente estudados em relação aos caracteres que determinam o valor adaptativo de um indivíduo, isto é, sua participação relativa na formação da geração seguinte. O valor adaptativo perdido com a endogamia tende a ser recuperado com o cruzamento. O efeito de endocruzamentos em plantas foi estudado por Charles Darwin. Suas conclusões a esse respeito foram publicadas a partir de 1876 em sua obra clássica Fertilização Cruzada e Autofecundação no Reino Vegetal. Darwin preferiu plantas a animais, porque com essas poderia manter grandes populações e praticar tanto a fecundação cruzada quanto a autofecundação. Concluiu que a fecundação cruzada é, em geral, benéfica, enquanto a autofecundação é prejudicial. Hoje, sabe-se entretanto, que em plantas autógamas a autofecundação não é absolutamente prejudicial, mas muitas vezes notam-se os efeitos benéficos da hibridação. 165

2 Melhoramento Genético de Plantas: Princípios e Procedimentos A perda de vigor, caracterizada por uma degeneração geral, devida ao endocruzamento, relaciona-se com o aumento de homozigose; portanto, a forma extrema de endogamia é a autofecundação. Na Figura 14.1 são mostradas duas situações de reprodução endogâmica autofecundação 60 irmão x irmã % de homozigose Gerações FIGURA Porcentagem de homozigose em sucessivas gerações sob dois sistemas endogâmicos de cruzamento. Como pode ser observado a homozigose é atingida em praticamente 100% com apenas 6 gerações de autofecundação, enquanto nem 16 gerações de cruzamentos entre irmãos chegam a proporcionar esse valor. O vigor do híbrido, porém, não está necessariamente relacionado com o aumento da heterozigose, como será visto posteriormente. Em estudos genéticos sobre a heterose o desempenho dos indivíduos F 1 é comparado à média dos pais. A heterose é, então, medida pela diferença entre o valor obtido na geração F 1 e o valor da média dos pais, ou seja: h = F 1 - (P 1 + P 2 ) / 2 Esse valor é geralmente expresso em porcentagem. Segundo Paterniani (1963) costuma-se considerar o valor médio dos progenitores como 100%. Assim, com relação a um híbrido F 1 que produz 30% acima da média, tendo uma heterose de 30%, diz-se que produz 130% em relação à média dos pais. 166

3 Endogamia e Heterose Na prática, todavia, o que interessa é o vigor do híbrido no caso em que este é superior ao melhor pai, por exemplo, mais produtivo. Expressa-se a heterose, também, nesse caso, em porcentagem. No início do Século XX, E. M. East e G. H. Shull realizaram estudos nos Estados Unidos sobre os efeitos de contínuas autofecundações em milho. Observou-se que: a) Um grande número de caracteres deletérios apareceu nas primeiras gerações de autofertilização; b) O material rapidamente se dividiu em linhagens distintas, cuja uniformidade associava-se ao aumento de homozigose; c) Todas as linhagens apresentaram redução geral no vigor. As anomalias observadas, características de plantas alógamas, são condicionadas por alelos recessivos que, normalmente, não se manifestam numa população de polinização livre, pois são acobertados pelos respectivos dominantes. Como a autofecundação provoca a homozigose, esses alelos recessivos rapidamente se manifestam, mas em populações melhoradas sua freqüência torna-se bem menor. As populações naturais, nas quais predomina o livre cruzamento, como é o caso do milho, são portadoras de mutantes recessivos deletérios, em freqüência variável. Em plantas que se multiplicam por autofecundação, esses mutantes tornam-se homozigotos logo após sua manifestação e são prontamente eliminados, o que deve ter ocorrido durante o processo evolutivo. A autofecundação em plantas de uma população de polinização aberta de milho conduz rapidamente à formação de diferentes linhagens, que se tornam mais uniformes à medida que se sucedem as autofecundações artificiais, diferindo entre si em caracteres morfológicos e funcionais, como a altura da planta, comprimento da espiga e ciclo vegetativo. Todas apresentam grande, mas variável perda de vigor, reduzindo-se o tamanho, desenvolvimento e produtividade, e muitas delas não produzirão descendentes até o final do processo. Existem trabalhos clássicos sobre o assunto, com milho, entre os quais cita-se o de Jones (1939), no qual constatou-se que o efeito depressivo da endogamia estabilizou-se, após certo número de gerações, provavelmente por ter sido atingida a homozigose próxima de 100%. Entre as diversas culturas alógamas, a tolerância à endogamia varia bastante. Em alfafa, autotetraplóide, e cenoura os efeitos são mais prejudiciais, seguindo-se o milho, diplóide. Por outro lado, a cebola, o girassol, as cucurbitáceas, e outras, são menos sensíveis. 167

4 Melhoramento Genético de Plantas: Princípios e Procedimentos No Brasil, Krug et al (1943) verificaram que, do cruzamento de variedades brasileiras com mexicanas e americanas, resultaram aumentos máximos de respectivamente, 47 e 38% em relação à testemunha, uma variedade comercial de polinização aberta. Quando se cruzaram entre si variedades brasileiras e americanas, os aumentos foram de 27 e 23%, respectivamente. Tais diferenças indicam que os efeitos da heterose dependem do grau de divergência genética do material cruzado. Respostas heteróticas à hibridação, em outras espécies alógamas, também já foram relatadas, como é o caso do repolho, beterraba, abóbora e melancia. Espécies autógamas, conforme mencionado, também podem produzir híbridos vigorosos, como já se observou em tomate, arroz, feijão, trigo, soja, berinjela e outras culturas. A observação do acentuado aumento do vigor em muitas plantas híbridas levou os biologistas a reexaminarem as causas básicas da depressão causada pelos endocruzamentos. Os estudos de Koelreüter sobre hibridação em plantas foram publicados entre 1761 e Foram anotadas meticulosa e sistematicamente as diferenças entre os híbridos e os respectivos pais. Muitos híbridos apresentavam-se mais vigorosos que os progenitores. Esse pesquisador deu ênfase a duas observações principais: (1) o vigor de um híbrido estava relacionado com o grau de dessemelhança genética dos pais; (2) o vigor híbrido era particularmente importante na evolução, pois a morfologia das flores e os sistemas de reprodução nas plantas sugeriam que a natureza favorecia o cruzamento natural HIPÓTESES EXPLICATIVAS DA HETEROSE As duas hipóteses explicativas da heterose foram formuladas após muitas especulações científicas, nas quais se analisava o fato de ser a heterozigose uma condição necessária ou não para sua manifestação. Brewbaker (1969) discute o assunto com mais detalhes, em termos de conceitos genéticos e bioquímicos Hipótese da dominância Foi proposta por Davenport (1908), Bruce (1910) e Keeble e Pellew (1910). A hipótese explica o vigor híbrido como resultado da ação e interação de alelos dominantes favoráveis, situados em vários locos gênicos. Como ilustração será 168

5 Endogamia e Heterose considerado o cruzamento hipotético entre duas linhagens endogâmicas, uma de genótipo aabbccddee e a outra AAbbccDDee. Se os alelos dominantes A, B, C, D e E são favoráveis ao vigor, o híbrido F 1 entre as duas linhagens deverá ser mais vigoroso que ambos os pais, porque terá o genótipo AaBbCcDdEe, possuindo portanto, alelos dominantes em todos os locos em questão. Neste caso, então, a hipótese admite que os alelos dominantes são responsáveis pelo vigor e os recessivos são prejudiciais. A autofecundação coloca em homozigose esses alelos recessivos, e a acentuada endogamia leva ao processo de perda geral do vigor que, via de regra, acontece em plantas alógamas que apresentem um número considerável desses alelos acobertados pelos respectivos dominantes, tal como acontece no milho. De acordo com esta hipótese, a heterozigose não é considerada essencial à manifestação da heterose. Teoricamente, seria possível obter indivíduos tão vigorosos quanto os híbridos heterozigotos para os mesmos fatores. Com base no exemplo dado, se os híbridos F 1 fossem autofecundados ou cruzados entre si, deveriam segregar genótipos homozigotos AABBCCDDEE igualmente vigorosos. Todavia, a história mostra que nunca foram encontradas linhagens homozigotas tão vigorosas quanto os híbridos F 1. Daí surgiu uma das objeções à hipótese. Seus defensores, no entanto, argumentaram que o número de genes envolvidos num caráter quantitativo, como o vigor, é muito grande, daí não ser possível recuperá-los, na condição homozigota, numa única planta. A título de ilustração, Ralf Singleton calculou que, se a expressão do vigor híbrido em milho é determinada por alelos dominantes, em 30 locos, o que parece razoável, seria necessário cultivar uma área de terreno 2000 vezes maior do que a Terra, para se obter uma população suficientemente ampla, de modo a possibilitar a seleção de um indivíduo F 2 homozigoto para os 30 alelos dominantes favoráveis, existentes na condição heterozigota no híbrido F 1. Considere-se, também, que muitos dos alelos favoráveis estão em ligação com alelos recessivos desfavoráveis, e isto reduziria ainda mais a possibilidade de obtenção dos homozigotos totais. A segunda objeção à hipótese relaciona-se à distribuição simétrica dos caracteres heteróticos na geração F 2, como acontece com aqueles controlados por genes nos quais não ocorre dominância. Desse modo, se a heterose fosse devida apenas à dominância de alelos situados em locos independentes, a curva de distribuição em F 2 deveria ser assimétrica, pois os fenótipos dominantes e recessivos seguiriam uma distribuição de acordo com a expansão do binômio 169

6 Melhoramento Genético de Plantas: Princípios e Procedimentos (3/4 + 1/4) n, em que n representa o número de genes. Todavia, existem oposições a esta objeção, baseadas na influência do meio ambiente, na dominância incompleta e no grande número de genes, tudo isto tendendo a reduzir apreciavelmente a assimetria de distribuição. Além disso, a ligação de alelos favoráveis com recessivos indesejáveis também contribuiria para o aparecimento de uma distribuição assimétrica Hipótese da sobredominância Foi proposta independentemente em 1908, por G. H. Shull e E. M. East, conforme Allard (1971). Posteriormente, foi exposta por East, em 1936, de forma ampliada. Esta hipótese admite que a heterozigose, por si só, é essencial à manifestação da heterose. Pressupõe a existência de alelos divergentes, no mesmo loco, que produzem efeitos favoráveis, embora diferentes. Nesses locos, os heterozigotos são superiores a ambos os homozigotos. Representando os dois alelos por a 1 e a 2, a combinação a 1 a 2 é superior a a 1 a 1 e a 2 a 2. A superioridade do heterozigoto ocorre porque cada alelo tem uma função e nele se somam as ações de a 1 e de a 2. Verifica-se maior vigor nos indivíduos que têm maior número de locos heterozigotos. Esta hipótese também é conhecida por hipótese da superdominância e hipótese de ação acumulativa de alelos divergentes. As duas hipóteses explicam teoricamente a queda de vigor resultante da endogamia e sua recuperação com a hibridação. A aceitação de qualquer delas não implica, necessariamente, na exclusão da outra. O que se pode deduzir é que, com o grande número de genes envolvidos na heterose e a complexidade de sua interação, torna-se difícil crer que um fenômeno dessa natureza possa ser inteiramente explicado por apenas uma das hipóteses. Vários experimentos, como emprego de seleção recorrente e estudos de Genética Quantitativa, têm apoiado ora uma hipótese, ora outra, como mais provável ou responsável pela heterose em milho APLICAÇÃO DA HETEROSE NO MELHORAMENTO DE PLANTAS A primeira utilização prática da heterose, gerando dados históricos importantes, foi na produção de híbridos de milho, que passaram a ser usados em larga escala, nos Estados Unidos, e posteriormente, em muitos outros países, como acontece hoje. 170

7 Endogamia e Heterose Para a produção do milho híbrido o primeiro passo consiste na obtenção de linhagens autofecundadas, através de autopolinização durante cerca de seis gerações, ao mesmo tempo em que se processa uma rígida seleção. A tentativa de se produzir híbridos comerciais de milho começou com G. H. Shull, em 1909, mediante a obtenção do F 1 resultante do cruzamento entre linhagens autofecundadas, selecionadas quanto ao seu comportamento em cruzamentos prévios, com base na capacidade combinatória. Esse método não alcançou grande repercussão, pois as linhagens então existentes não permitiam a obtenção de híbridos suficientemente superiores às variedades comerciais, de polinização aberta. Além disso o custo de produção das sementes dos híbridos era muito alto por serem colhidas de plantas autofecundadas, com baixo vigor, e, portanto, pouco produtivas. A elevação desse custo era também devida à necessidade de se destinar 30% a 50% da área plantada às plantas masculinas, produtoras de pólen, o que tornava o rendimento muito baixo. Normalmente as sementes híbridas eram pequenas e invariavelmente defeituosas, dificultando a adaptação aos equipamentos de plantio. O sucesso do milho híbrido, comercialmente, deu-se com a proposição de Jones (1918), de cruzar dois híbridos simples, obtendo-se o híbrido duplo. Na sua produção ocupa-se área bem menor com o genitor polinizante, sobrando mais espaço para as plantas femininas, produtoras de sementes. Isto se explica porque as plantas híbridas produzem pólen em abundância. O tamanho e a forma das sementes são normais, originando plântulas mais vigorosas. Tem sido observado o vigor híbrido não só em cruzamentos entre linhagens endogâmicas, como também em cruzamentos intervarietais, ou até mesmo, interraciais e interespecíficos. No Brasil, trabalhos com hibridação em milho iniciaram-se no Instituto Agronômico de Campinas, em Os primeiros híbridos comerciais foram produzidos em 1941/42. O híbrido duplo H-6999, produzido por essa Instituição, foi recomendado para plantio durante muito tempo. A empresa Agroceres iniciou sua produção de híbridos duplos a partir de Hoje, o milho híbrido é produzido por várias empresas nacionais e multinacionais e instituições oficiais de pesquisa. A técnica de cruzamento entre linhagens de milho é de fácil execução, porque as flores masculinas e femininas localizam-se em pontos diferentes da planta. A produção de sementes é feita com o plantio em fileiras paralelas, despendoando-se as plantas, antes da deiscência dos grãos de pólen. As plantas masculinas produzirão o pólen necessário para o cruzamento. 171

8 Melhoramento Genético de Plantas: Princípios e Procedimentos Atualmente, são produzidas sementes híbridas em várias outras espécies como cebola, sorgo, repolho, tomate, pimentão, berinjela, beterraba e algumas cucurbitáceas. Em cada uma, foi necessário introduzir alguma técnica para superar dificuldades naturais, de modo a tornar o processo economicamente viável. Em alógamas, a maior dificuldade consiste geralmente na emasculação de um dos progenitores. No sorgo e na cebola, que possuem flores pequenas e perfeitas, a emasculação manual é uma técnica altamente dispendiosa e difícil. Assim, nessas espécies, passou-se a empregar a esterilidade masculina citoplasmática, facilitando sobremaneira a obtenção de sementes por cruzamentos. O tomate é uma planta de autofecundação, mas em geral é possível a obtenção de sementes híbridas. Os cruzamentos manuais são necessários, porém o rendimento é satisfatório porque num só cruzamento é possível obteremse cerca de 200 sementes, o que torna a técnica economicamente viável. Processo semelhante se dá com a berinjela, que pode produzir acima de 1000 sementes por fruto. Nas forrageiras perenes de fecundação cruzada, que podem ser mantidas por propagação clonal, a formação de variedades sintéticas é um meio de utilização parcial da heterose PROPRIEDADES RELACIONADAS À MANIFESTAÇÃO DA HETEROSE 172 Talvez o aspecto mais crítico no melhoramento visando a manifestação de heterose consista na determinação dos cruzamentos heteróticos. Em geral, materiais a serem envolvidos nos cruzamentos são de fácil obtenção e, muitas vezes, estão disponíveis ao melhorista. O que se deve fazer é proceder ao maior número de cruzamentos possível, e testá-los de maneira adequada em ensaios de competição, onde se faz a seleção dos melhores. Sendo, portanto, um resultado aleatório, pesquisadores têm procurado obter correlações indicadoras dos cruzamentos que provavelmente serão heteróticos. Tal procedimento possibilita grande economia de tempo e trabalho tanto nos cruzamentos quanto nos ensaios. Tem-se como estabelecido que a diversidade genética entre os progenitores é fator importante para chegar-se a um híbrido vigoroso, estando em ação a contribuição de alelos dominantes ou em heterozigose (vejam-se as

9 Endogamia e Heterose hipóteses explicativas da heterose). Todavia, conforme observado por Cress (1966), a recíproca não é verdadeira ou seja, a ausência de resposta heterótica não implica necessariamente em falta de diversidade genética dos progenitores. Isso foi constatado em cruzamentos de milho, entre tipos de endospermas diferentes ou de mesmo endosperma (dentado amiláceo e dentado duro), o que vem contrariar a antiga idéia de que, nesse caso, cruzamentos envolvendo endospermas contrastantes seriam mais eficientes, com relação ao produto híbrido. A esse respeito, Moll et al (1965) constataram ser a diversidade genética necessária, porém até certo ponto. O que se busca hoje é a melhor produtividade do híbrido. Isso é possível quando se consegue identificar um par de linhagens de bom desempenho per se e que se complementam bem. Uma das características mais importantes nos híbridos é a sua capacidade de produzir e conservar energia, segundo Paterniani (1974), que comenta sobre resultados de trabalhos em que se relacionaram o vigor do híbrido com a atividade de mitocôndrias. Nas plântulas híbridas de milho, há maior atividade de mitocôndrias, em associação ao conteúdo de nitrogênio (Hanson, Hageman e Fisher, 1960). Pelos resultados dessas pesquisas, a germinação e alongamento das raízes e do colmo mostraram-se mais rápidos, as folhas tinham mais cloroplastos e assimilavam maior quantidade de CO 2 por unidade de peso fresco ou seco, entre outros fatores. Os autores acreditam que a resposta heterótica, no caso, seja devida ao ácido giberélico. Wagner (1969) estudou intensivamente a atividade genética das mitocôndrias e suas aplicações. Um tipo de ação heterótica conhecida como ação de fatores limitantes pode ser exemplificado através de estudos de taxas de crescimento de raízes isoladas de tomateiro, cultivadas em solução nutritiva. Num experimento, foram utilizadas as cultivares Red Currant e Johannesfeuer. Raízes de Red Currant foram fortemente estimuladas com a adição de uma vitamina, a piridoxina, no meio de cultura. Concluiu-se que essa cultivar possuía locos que se comportavam como fatores limitantes no aumento do comprimento das raízes através de uma redução no fornecimento de piridoxina em condições naturais, Brewbaker (1969). Raízes de Johannesfeur, apesar de não apresentarem resposta à adição de piridoxina, foram, todavia, estimuladas pela adição de nicotinamida, outra vitamina. Semelhantemente, essa cultivar apresentava o mesmo fenômeno, só que em relação à nicotinamida. As raízes de híbridos obtidos do cruzamento entre essas duas cultivares cresceram mais vigorosamente do que as dos progenitores nos dois meios de cultura. Portanto, 173

10 Melhoramento Genético de Plantas: Princípios e Procedimentos o híbrido tinha maior capacidade de produzir ambas as vitaminas, devido aos seus alelos capazes de sobrepujar os fatores limitantes. Vários outros trabalhos a nível bioquímico foram realizados por diversos autores. 174