Genética e Melhoramento de Plantas AULA 1 Por: Augusto Peixe
Corpo Docente: Genética: Aulas Teóricas: Profª Solange de Oliveira Aulas Práticas: Profº Paulo Oliveira? Melhoramento de Plantas: Profº Augusto Peixe Profº Benvindo Maçãs Locais de Aulas: Salas atribuídas (NM-109 e 111) Laboratório de Microbiologia do Solo Laboratório de Melhoramento e Biotec. Vegetal Atendimento aos alunos: Módulo de Genética: Solange Oliveira: Quarta-feira 14.30-16.30H Lab. Microbiologia do Solo Módulo de Melhoramento: Augusto Peixe: Lab. Melhoramento e Biotecnologia Vegetal
AVALIAÇÃO 2 frequências ou exame final + monografia 1ª Frequência = 40% da nota final 2ª Frequência = 40% da nota final Exame = 80% da nota final Monografia = 20% da nota final Alunos com nota inferior a 7 valores na 1ª frequência não poderão realizar a segunda. Poderão optar pela realização de exame. (Cálculo da nota final Exemplo) 1ª Frequência ( 8 x 0,4) + 2ª Frequência (10 x 0,4) + Monografia (13 x 0,2) =9,8 Nota final = 9,8 10 Calendário (PROPOSTA) 1ª Frequência 4 Nov. 2005 2ª Frequência + Exame Final 6 Jan. 2006 Exame de Recurso 27 Jan. 2006 Entrega da monografia 6 Jan. 2006 Para a determinação da nota final é indispensável a entrega da monografia na data estipulada.
Normas para elaboração da monografia Os alunos devem juntar-se em grupos de 3 e seleccionar uma espécie cultivada em Portugal ou outra considerada importante para introdução nos sistemas de agricultura (por ex. culturas energéticas). A monografia deve incluir os seguintes itens: 1 Título 2 Resumo (1/2 pag.) 3 Introdução (1/2 pag.) 4 Revisão bibliográfica (que constituiu o corpo principal do trabalho) a incluir: a) classificação botânica incluindo género, espécie (nome comum e nome científico) e importância da espécie para os sistemas de agricultura em Portugal. b) aspectos genéticos e citogenéticos (nº de cromossomas, nível de ploidia), padrão de hereditariedade e evolução da espécie. c) referência aos programas de melhoramento mais importantes, incluindo localização e métodos usados. d) Objectivos do melhoramento e tendências para futuro 5 Conclusões onde o aluno deve expressar a sua própria visão sobre a evolução do melhoramento genético da espécie. Este trabalho não deve ultrapassar 10-12 páginas A4
Programa da disciplina (RESUMIDO) Genética - Genética Clássica Genética mendeliana. Leis de Mendel e hereditariedade. Genótipo e fenótipo. Gene, alelo e locus. Tipos de cruzamentos. Extensões da análise mendeliana. Interacções entre genes (epistasia, redundância). Variações de dominância. Alelos múltiplos; pleiotropismo.hereditariedade citoplasmática. -Citogenética. Autossomas e cromossomas sexuais; Estrutura dos cromossomas. Alterações cromossómicas de estrutura (delecções, duplicações, inversões, translocações) e de número (euploidia e aneuploidia). Poliploidia em plantas. -Genética Molecular Replicação do DNA. Mutações genéticas. Expressão genética: transcrição e tradução. Código genético. Organização de genes de eucariotas -Genética de Populações Frequências genotípicas e génicas. Lei de Hardy-Weinberg. Factores de alteração genética: mutação, migração, selecção, sistema de acasalamento, deriva genética, consanguinidade. -Genética Quantitativa Caracteres de variação contínua. Variância fenotípica e genotípica. Heritabilidade e sua estimativa.
Melhoramento de Plantas - Sistemas reprodutivos das plantas cultivadas e a forma como estes condicionam o melhoramento. -Métodos e Técnicas de melhoramento clássicas: -Melhoramento em autogâmicas: Definição de populações, Variedade cultivada, Selecção massal, Selecção bulk, Selecção individual (Pedigree), SSD Single Seed Descend, Uso de duplo-haploides, Retrocruzamento -Melhoramento alogâmicas: Definição de populações, variedade cultivada, Desenvolvimento de híbridos,tipos de híbridos -Estudo de casos: Melhoramento do trigo, milho grão-de-bico e videira -Biotecnologia vegetal e o melhoramento de plantas -Técnicas de cultura in vitro melhoramento. Cultura de Meristemas e limpeza sanitária, Haploidização e produção de duplos-haploides, Cultura de Protoplastos e produção de híbridos somáticos -Melhoramento assistido por marcadores moleculares: Tipos de marcadores e sua utilização. -OGM(s). As diferentes etapas na produção de uma planta geneticamente modificada
Bibliografia recomendada Para o módulo de Genética: Griffiths, A., Miller, J., Suzuki, D., Lewontin, R.C., Gelbart, W. (2000) An Introduction to Genetic Analysis, 7ª edição, Ed. W. H. Freeman, New York Lewin, B. (1997) Genes VI, 6 ª edição, Oxford University Press, Oxford Falconer, D.S. (1981) Introduction to Quantitative Genetics, 2ª edição, Longman, New York Tamarin, R. (1996) Principles of Genetics, 5ª edição, Ed. WCB, Dubuque Weaver, R., Hedrick, P. (1997) Genetics, 3 ª edição, Ed. WCB, Dubuque Brown, T.A. (2001) Gene Cloning and DNA Analysis: An Introduction. 4ª edição, Blackwell Science Inc, London Para o módulo de Melhoramento de Plantas: Poehlmn, J. M., 1983 Breeding Field Crops, 2nd Edition (2nd printing) AVI Publishing Company, Inc. Westpost. Connecticut, 485pp. Só existe na Biblioteca a tradução espanhola da primeira edição com o Título: Mejoramiento Genetico de las Cosechas). Simmonds, N. W., 1979 Principles of Crop Improvement, Longman Scientific & Technical, 408pp. Existe na Biblioteca Cubero, J. I., 2003 Introducción la Mejora Genética Vegetal, 2ª Edición, Edicciones Mundi-Prensa, 567pp.
Genética aplicada ao Melhoramento de Plantas Manual on-line em: http://home.dbio.uevora.pt/~oliveira/bio/manual/index.html Página Web da Disciplina: http://evunix.uevora.pt/~apeixe/ensino.htm Outros Links com interesse: http://www.plantbreeding.org/
Introdução
Genética (do grego genno γεννώ = fazer nascer): Ciência dos genes, da hereditariedade e da variação dos organismos. Ramo da biologia que estuda a forma como se transmitem as características biológicas de geração para geração.
As sub-divisões da genética Genética Clássica: Estuda os mecanismos de transmissão dos genes entre os progenitores e a descendência. Estuda também os assuntos relacionado com a recombinação genica. Genética molecular: Estuda a estrutura molecular e as funções dos genes. Genética das populações: Estuda a hereditariedade em populações, para características controladas por um ou por um numero reduzido de genes. Genética quantitativa: Estuda a hereditariedade de características controladas por vários genes em simultâneo.
Melhoramento de Plantas: Arranjo genético das plantas ao serviço do homem (Frankel, 1958) Plant breeding is the current phase of crop evolution (Simmonds, 1979)
Objectivos do Melhoramento Aumento do potencial produtivo Melhorar a estabilidade de produção através do aumento da resistência ou tolerância a factores de stress biótico ou abiótico Melhorar a qualidade da produção Para atingir estes objectivos é necessário: Suficiente variabilidade genética para características culturais importantes Procedimentos de selecção adequados Sistemas eficazes de análise dos resultados Sistemas eficientes de propagação e distribuição
Evolução do Melhoramento de Plantas No inicio Selecção de variedades locais levadas a cabo pelos agricultores Variabilidade genética devida a: -cruzamentos naturais com espécies botânicamente próximas -mutações espontâneas ( sports ) Últimos 200 anos Variedades melhoradas, obtidas por geneticistas amadores ou profissionais Variabilidade genética devida a: -cruzamentos planeados -mutações induzidas Últimos 30 anos Variedades melhoradas por melhoradores profissionais Variabilidade genética devida a: -Cruzamentos planeados -Hibridação com ancestrais -Mutações induzidas, incluindo as resultantes da cultura de tecidos -Transformação genética -Melhoramento assistido por marcadores moleculares
Conceitos Básicos
DNA, Genes e Cromossomas - O material genético, tanto em procariotas como em eucariotas é o DNA (deoxyribonucleic acid). - O DNA é formado por duas cadeias em forma de dupla hélice, cada uma constituída por nucleótidos. Os nucleótidos são formados por um açúcar, no caso a desoxirribose, um grupo fosfato e uma base.
-Há quatro bases no DNA: A (Adenina), G (Guanina), C(Citosina) e T (Tiamina. No RNA, U (Uracilo) substitui T. - A sequência da bases determina a informação genética. - Genes são sequências especificas de nucleótidos que asseguram a transmissão da informação genética de geração em geração. -O material genético celular está organizado em cromossomas - Os procariotas têm normalmente um cromossoma circular - Os eucariotas têm normalmente: i. Cromossomas lineares no núcleo, variando em número consoante a espécie. ii. DNA predominantemente circular nos organelos citoplasmáticos como as mitocôndrias e os cloroplastos
Transmissão da Informação Genética 1. A transmissão das características entre gerações foi postulada pela primeira vez por Gregor Mendel, nos meados do século XIX, em trabalho realizado com ervilhas. a. Ele seleccionou lotes que diferiram em traços particulares (e.g., sementes lisas ou enrugadas, flores roxas ou brancas) b. Após ter feito cruzamentos entre os lotes seleccionados ele contou a aparência dos traços na descendência e analisou os resultados matematicamente c. Concluiu que cada organismo contem duas cópias de cada gene, um de cada pai, e que existem versões alternativas dos genes (alelos) (ex., os alelos responsáveis pela cor da semente de ervilha são amarelos, Y, e verde, y).
2.Um individuo que apresenta os mesmos alelos para uma determinada característica é homozigótico (e.g., YY or yy). Se apresenta dois alelos diferentes para essa mesma característica é heterozigótico (e.g., Yy) 3.Ao conjunto completo de genes de um organismo chama-se genótipo. Ao conjunto de características directamente observáveis num individuo chama-se fenótipo. O fenótipo é o resultado da informação contida nos genes e da sua interacção com o ambiente. 4.Analisando os factores que controlavam o fenótipo das ervilhas com a quais trabalhou, Mendel postulou o seguinte: Os factores (agora chamados genes) segregam aleatóriamente quando da formação dos gâmetas (Primeira Lei de Mendel: Principio da Segregação). Cada característica hereditária é transmitida independentemente das demais. (Segunda Lei de Mendel: Principio da Independência dos Caracteres). Mendel formulou ainda os conceitos de dominância, segundo os quais os seres híbridos apresentam um carácter dominante que encobre segundo determinadas proporções o chamado carácter recessivo, ou seja, os seres híbridos, resultados do cruzamento entre seres portadores de caracteres dominantes e recessivos, apresentam as características de dominância.
Um exemplo das leis de Mendel é a hereditariedade da cor das sementes em ervilha: i. Linhas puras homozigóticas com sementes amarelas (YY) são cruzadas com linhas puras homozigóticas com sementes verde (yy). ii. A descendência (F1) tem sementes amarelas e um genótipo heterozigótico (Yy). iii. Fazendo um cruzamento entre a descendência, por auto-polinização, obtémse na F2: 3 amarelos:1 verde, com relações genótipicas de 1 YY : 2 Yy : 1 yy.
Expressão da Informação Genética 1. A expressão genica é o processo através do qual um gene produz seu produto e o produto realiza sua função 2. Beadle and Tatum (1941) mostraram que em fungos Neurospora crassa existe uma relação entre um gene e cada uma das proteínas intervenientes num determinado processo bioquímico. Este investigadores formularam então a hipótese: um gene uma enzima (agora modificada para um gene um polipeptídeo, já que nem todas as proteínas são enzimas e algumas requerem mais do que um polipeptídeo).
3. A produção das proteínas divide-se em duas etapas: a. Transcrição: envolvendo uma enzima (RNA polymerase) produz-se uma cadeia de RNA usando como modelo parte de uma das cadeias de DNA. Existem vários tipos de RNA: i. RNA mensageiro (mrna). ii. RNA de transferência (trna). iii. RNA ribossomal (rrna). b. Tradução: conversão nos ribossomas, da informação contida no mrna em sequências de aminoácidos de uma proteína. 4. Apenas alguns genes de uma célula estão activos num dado momento. Essa actividade varia também de tecido para tecido e com a fases de desenvolvimento de um organismo, não estando totalmente explicada a forma como a expressão genica é regulada.
Origem da variação genética As diferenças genéticas entre organismos derivam de mutações, recombinações e selecção, sendo todas elas necessárias para o processo de evolução. a. Mutações (alterações hereditária no material genético) podem ser espontâneas ou induzidas. Só as que escapam ao mecanismo celular de reparação do DNA, podem ser transmitidas à descendência. b. Recombinações (modificações no material genético) produzidas por enzimas que cortam e voltam a unir a cadeias de DNA i. Em eucariotas, a recombinação devida ao crossing-over é comum na meiose. c. Selecção (determinadas combinações de genes são mas favorecidas num dado ambiente). Trabalho de referência A selecção natural das espécies de Darwin. A sua consequência principal consiste na mudança da frequência dos genes que afectam características sob a selecção. Os diferentes genótipos contribuem com alelos para a geração seguinte em proporção a sua vantagem selectiva.
Divisão Celular Os genes são transmitidos à descendência durante a reprodução. A segregação dos cromossomas resulta na segregação dos genes durante a meiose Rever Mitose e Meiose
O Ciclo de vida em angiospérmicas