Universidade Federal de Pelotas Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel Departamento de Fitotecnia Programa de Pós-Graduação em Agronomia Área de concentração em Fitomelhoramento Disciplina de Melhoramento Genético de Plantas Ação Gênica / Parâmetros Fenotípicos e Genéticos em Plantas Alunos de doutorado: Eduardo Venske, Eng. Agr., Msc. Danyela de Cassia Oliveira, Eng. Agr., Msc. Carlos Busanello, Eng. Agr., Msc. Professor orientador: Antonio Costa de Oliveira, Eng. Agr., PhD.
Sumário 1. Histórico 2. Conceitos e princípios 3. Ação gênica 4. Caracteres qualitativos e quantitativos 5. Linhas puras 6. Genes ligados 2
Biologia e Matemática... 3
1. Histórico 4
1. Histórico 1. Charles Darwin (Inglaterra, 1859). 2. Gregor Mendel (Áustria, 1865). 5
1. Histórico 3. Francis Galton e seus discípulos (Inglaterra, final séc. XIX) 4. George Yule (Inglaterra, 1906) Somente ilustração Hipótese: caracteres de variação contínua poderiam ser explicados pelas Leis de Mendel. Somente ilustração 6
1. Histórico 5. Wilhelm L. Johannsen (Dinamarca - 1903, 1926) 6. Nilsson-Ehle (Suécia, 1908) Somente ilustração 7
1. Histórico 7. Edward M. East (Estados Unidos, 1916) 8. Oswald Avery e colegas (Estados Unidos, 1944) GENES SÃO FEITOS DE DNA! Somente ilustração 8
?? a a A Aa Aa a aa aa 9
2. Conceitos e princípios 10
2. Conceitos e princípios 1. Célula 11
2. Conceitos e princípios 2. DNA 12
2. Conceitos e princípios 2. DNA Na verdade... A T G C A T C G 13
2. Conceitos e princípios 3. Cromossomo 14
2. Conceitos e princípios 3. Cromossomo Cada espécie tem um determinado número de cromossomos. Aos pares Fig. 1. Conjunto de cromossomos (cariótipo) do arroz (cultivar Keng). 15
2. Conceitos e princípios 4. Gene -Segmento de DNA que codifica para uma molécula de proteína (ou RNA); -Unidade de herança localizado em posição fixa no cromossomo; atggctgatgcatcgtatagatttagcatcagtcagc tagcatcagttataagataccatatatcgagcagca tcatcagctacgatcatcagctaattatacgagctat attttacgagaaagcgcgcatcgcggggcccatatc agcatgcactcattatttattatagccgacgcgcgcg cgctacgactacgatcatcggatatcgcacattatg cattcatcgatcagcttacacgattagatcgatatta cggagagatttttcgatcgatatcattatcaaaacat agataatgcataagctaacggattaattatcgat... 16
2. Conceitos e princípios 5. Proteína - Estrutural; - Enzimática (todo o trabalho celular); 17
2. Conceitos e princípios 6. Do gene à proteína aa 18
2. Conceitos e princípios 7. Loco Posição que o gene (com suas diversas variantes) ocupa no cromossomo. 8. Alelos (formas alélicas do gene) Alelo 1 Alelo 2 Alelo 3 ATGTTGGCTAATC...ACTTAG ATGTTGGATAATC...ACTTAG ATGTTGGCTAG 19
2. Conceitos e princípios 9. Dna, cromossomo, gene, loco, alelo, proteína RNA RNA Com variação na atuação 20
2. Conceitos e princípios 10. Meiose e formação dos gametas Na meiose ocorre uma separação, de modo que sempre somente um alelo de cada gene será doado por cada pai. 21
2. Conceitos e princípios 11. Crossing over ou permuta (Recombinante) 22
2. Conceitos e princípios 12. Rotas (visão de sistema!) 23
2. Conceitos e princípios I) Primeira lei de Mendel Cada caráter é determinado por um par de fatores, que se separam na formação dos gametas, de modo que cada gameta é puro. Na fecundação, esses fatores voltam a se reunir. Esses fatores são atualmente conhecidos como genes. 24
2. Conceitos e princípios II) Segunda lei de Mendel Na formação dos gametas, o par de fatores responsáveis por uma característica segrega independentemente de outro par de fatores responsável por outra característica. Este fato ocorre devido à distribuição independente dos genes durante a meiose para a formação dos gametas. 25
2. Conceitos e princípios II) Segunda lei de Mendel Figura 4. Segregação independente dos pares de alelos localizados em cromossomos nãohomólogos naformação dos gametas. 26
2. Conceitos e princípios III) Genes ligados (ligação fatorial / linkage) Se dois ou mais genes se encontram no mesmo cromossomo eles NÃO segregarão independentemente (na mesma taxa), e diz-se que são LIGADOS. - Os genes ligados não sofrem segregação independente POIS permanecem juntos durante a formação dos gametas. 27
2. Conceitos e princípios Genes ligados Cor da flor F F G G Forma do grão Segregam independentemente Pilosidade folha P P H H Cor hipocótilo 28
2. Conceitos e princípios Genes ligados Cor da flor F F f f G G Forma do grão Genes ligados Segregam independentemente Genes ligados Pilosidade folha P P p p H H Cor hipocótilo F F f f Na meiose... P P p p 29
2. Conceitos e princípios Genes ligados Crossing over necessário para recombinação Cor da flor F f F f F f F f + Pilosidade folha P P p p P P p p F f F f Recombinantes P P p p 30
3. Ação gênica 31
3. Ação gênica Os efeitos dos genes, para formar fenótipos, dependem de sua ação e de sua interação. Muitas vezes as proporções fenotípicas fogem do esperado. TIPOS DE AÇÃO GÊNICA: -Intra locus: entre os alelos; -Inter locus: entre genes de diferentes loci; 32
3. Ação gênica TIPOS DE AÇÃO GÊNICA (intra locus): DOMINÂNCIA (σd) : - Dominância Completa e Parcial - Dominância: capacidade de um alelo mascarar fenotipicamente o efeito de outro, do mesmo gene, noindivíduo heterozigoto; - Recessividade: caráter somente é expresso na ausência do alelo dominante (do mesmo gene); 33
3. Ação gênica TIPOS DE AÇÃO GÊNICA (intra locus): DOMINÂNCIA (σd) : -Dominância Completa valor do heterozigoto é igual ao valor de um dos homozigotos; 130 120 110 100 90 80 70 2 d 2 a 60 50 40 aa Aa AA Slide 34 ao 41 adaptado de aulas do professor Luciano Carlos da Maia 34
3. Ação gênica TIPOS DE AÇÃO GÊNICA (intra locus): DOMINÂNCIA (σd) : - Dominância Completa AA = 120 Aa = 120 aa = 60 Média F 1 = 120+60 / 2 = 90 aa μ d Aa AA -a = 90 60 = 30 a = 120 90 = 30 d = 120 90 = 30 -a a 120 60 90 120 Ex. Cor das ervilhas de Mendel. DOMINANCIA COMPLETA a = d 2 a 2 d = 90 60 = 30 = 90 120 = 30 2 2 a = d 2 x ( x x) n 1 2 μ : média dos valores genotípicos dos dois homozigotos. a : desvios dos valores genotípicos dos homozigotos em relação à média. d : desvio do valor genotípico do heterozigoto em relação à media; representa um desvio de dominância. 35
3. Ação gênica TIPOS DE AÇÃO GÊNICA (intra locus): DOMINÂNCIA (σd) : - Dominância parcial valor do heterozigoto está entre a média dos homozigotos e o valor do homozigoto ao qual é mais semelhante. 2 d 2 a 36
3. Ação gênica TIPOS DE AÇÃO GÊNICA (intra locus): DOMINÂNCIA (σd) : AA = 120 Aa = 100 aa = 60 - Dominância parcial d Média F 1 = 120+60 / 2 = 90 aa μ Aa AA -a 60 90 100 120 Ex. Cor das pétalas de Mirabilis jalapa. a -a = 90 60 = 30 a = 120 90 = 30 d = 100 90 = 10 DOMINANCIA PARCIAL a > d 2 a 2 d = 90 60 = 30 = 100 90 = 10 2 a > 2 d 2 x ( x x) n 1 2 μ : média dos valores genotípicos dos dois homozigotos. a : desvios dos valores genotípicos dos homozigotos em relação à média. d : desvio do valor genotípico do heterozigoto em relação à media; representa um desvio de dominância. 37
3. Ação gênica TIPOS DE AÇÃO GÊNICA (intra locus): DOMINÂNCIA (σd) : - Sobredominância valor do heterozigoto é maior (ou menor) que o valor do homozigoto. 2 d 2 a 38
3. Ação gênica TIPOS DE AÇÃO GÊNICA (intra locus): DOMINÂNCIA (σd) : - Sobredominância d AA = 100 Aa = 140 aa = 60 Média F 1 = 100+60 / 2 = 80 Aa aa μ AA 60 80 100 140 -a = 80 60 = 20 a = 100 80 = 20 d = 140 80 = 60 Sobredominância a < d -a a 2 a 2 d = 80 60 = 20 = 140 80 = 60 2 a < 2 d Ex: 1) cada alelo pode conferir resistência a uma raça de fungo (complementariedade); 2) as 2 diferentes proteínas atuariam sinergicamente (sinergismo). 2 x ( x x) n 1 2 μ : média dos valores genotípicos dos dois homozigotos. a : desvios dos valores genotípicos dos homozigotos em relação à média. d : desvio do valor genotípico do heterozigoto em relação à media; representa um desvio de dominância. 39
3. Ação gênica TIPOS DE AÇÃO GÊNICA (intra locus): ADITIVIDADE (σa) (ou codominância): - o efeito de cada gene (ou alelo) tem um efeito aditivo (de incremento) na formação do cárater. 2 a 2 d 40
3. Ação gênica TIPOS DE AÇÃO GÊNICA (intra locus): ADITIVIDADE (σa) (ou codominância): d Aa aa μ -a a 20 40 Média F 1 = Média dos pais 60 AA AA = 60 Aa = 40 aa = 20 Média F 1 = 60 +20/ 2 = 40 -a = 40 20 = 20 a = 60 40 = 20 d = 40 40 = 0 Aditividade d = 0 Ex. com mais genes 1) cor do grão em trigo (na seqüência). 2) Fictício no próximo slide 2 a 2 d = 40 20 = 20 = 20 20 = 0 2 d = 0 2 x ( x x) n 1 2 μ : média dos valores genotípicos dos dois homozigotos. a : desvios dos valores genotípicos dos homozigotos em relação à média. d : desvio do valor genotípico do heterozigoto em relação à media; representa um desvio de dominância. 41
3. Ação gênica ADITIVIDADE (σa): É ADITIVIDADE? CONTRIBUIÇÃO DE CADA ALELO? (P1) - AABB (140 cm) X aabb (80cm) - (P2) F1 AaBb (110 cm) AB Ab ab ab AB AABB AABb AaBB AaBb Ab AABb AAbb AaBb Aabb ab AaBB AaBb aabb aabb ab AaBb Aabb aabb aabb σa² = A = 15 cm σa² = B = 15 cm Genótipo Fenótipo Número Obs. AABB 140 cm 1 P1 AABb 125 cm 2 AaBB 125 cm 2 AaBb 110 cm 4 AAbb 110 cm 1 Rec aabb 110 cm 1 Rec Aabb 95 cm 2 aabb 95 cm 2 aabb 80 cm 1 P2 42
3. Ação gênica TIPOS DE AÇÃO GÊNICA (intra locus): DOMINÂNCIA (σd) : -Avaliado a contribuição de cada loco - Uso do Teste de progênie ADITIVIDADE (σa) : -Avaliado a contribuição de cada alelo 43
3. Ação gênica TIPOS DE AÇÃO GÊNICA (inter locus): EPISTASIA: - resulta da interação entre genes em diferentes locos (não alélica). Por exemplo o efeito de dois genes é diferente do que a soma dos seus efeitos individuais. Tipos: Ação mascaradora: um gene tem seu efeito escondido na presença de um segundo gene. Ex.: cor da semente de aveia B_ Y_ ou B_ yy = semente preta bby_ = semente amarela bb yy = semente branca; Uma questão de pigmento? Ação duplicadora: quando dois genes produzem um efeito similar ou o efeito é produzido pelos dois genes juntos. Ex.: formato da cápsula das sementes de bolsa-de-pastor C_ = triangular D_ = triangular C_ dd ou cc D_ ou C_ D_ = triangular cc dd = ovóide; Um dominante conta. alelo dá Cópias em genes importantes... 44
3. Ação gênica TIPOS DE AÇÃO GÊNICA (inter locus): EPISTASIA: Efeito aditivo: dois genes produzem o mesmo efeito, mas seus efeitos são aditivos quando ambos genes estão presentes. Ex.: presença de aristas em cevada Sinergismo? 1+1=3 aa bb = mútico (sem aristas) A_ bb ou aa B_ = aristas de comprimento médio A_ B_ = aristas de comprimento longo. EPISTASIA: FORA DAS PROPORÇÕES ESPERADAS!!! 45
3. Ação gênica TIPOS DE AÇÃO GÊNICA (inter locus): PLEIOTROPIA: - resulta da interação entre genes em diferentes locos (não alélica). Por exemplo o efeito de dois genes é diferente do que a soma dos seus efeitos individuais. Figura 3. Teosinto e milho. Mesmo gene (tb1) governa a expressão do caráter perfilhamento e tipo de espiga. 46
3. Ação gênica OUTROS CONCEITOS... EXPRESSÃO OU NÃO! - Penetrância: Porcentagem de indivíduos de uma população com um determinado genótipo que exibem o fenótipo associado a esse genótipo; É completa ou incompleta; Quando a penetrância é incompleta alguns indivíduos contendo o alelo não apresentaram o respectivo fenótipo; devido a genes epistáticos ou ao efeito do ambiente, por exemplo. O alelo para cor preta está CC para todos os indivíduos. Mesmo assim, só 80% destes expressaram o caráter. 47
3. Ação gênica OUTROS CONCEITOS... O QUANTO foi expresso! - Expressividade: -corresponde ao modo de expressão do alelo, que pode ser uniforme ou variável ou ao grau de manifestação de um alelo. devido a genes epistáticos ou ao efeito do ambiente, por exemplo. Ambos podem ocorrer simultaneamente! 48
3. Ação gênica HETEROSE P1 P2 F1 Por definição é, o acréscimo do desempenho em determinado caráter dos indivíduos híbridos com relação aos pais. É também chamada de vigor hibrido. POR QUE O INDIVÍDUO HETEROZIGOTO (AaBbCcDd...) SERIA SUPERIOR? Teorias: Sobredominância (East, 1936) Dominância Epistasia (Allard) AULA DO CARLOS!!!! P1 P2 F1 49
4. Caracteres qualitativos e quantitativos 50
4. Caracteres qualitativos e quantitativos 4.1. Caracteres qualitativos -Base de estudos da genética; - São de herança simples, controlados por 1 ou pouco genes (mono ou oligogênicos); - Genes de grande efeito no caráter; - Pequena influência do ambiente sobre o fenótipo; - Normalmente apresentam herdabilidade elevada; - Caracteres são facilmente selecionáveis; - Variáveis discretas; - Ex: cor de flor, tamanho do grão, tipo de folha, textura, etc... 51
4. Caracteres qualitativos e quantitativos 4.1. Caracteres qualitativos Variação fenotípica não é contínua, podendo ser separada em classes fenotípicas distintas. 52
4. Caracteres qualitativos e quantitativos 4.1. Caracteres qualitativos IMPLICAÇÕES PARA O MELHORAMENTO DE PLANTAS: - Há um relevante número de características de importância agronômica que são herdadas qualitativamente; - Ex.: resistência a doenças, tolerância ao alumínio em cereais, indeiscência em cereais; - Melhorista pode primeiro selecionar para caracteres qualitativos e depois concentrar esforços para melhorar caracteres quantitativos; - Apesar de caracteres importantes como ciclo, estatura e arquitetura de plantas serem normalmente controlados por grande número de genes (de forma quantitativa) é geralmente possível encontrar genes de grande efeito nesses caracteres que possibilitam ganhos de seleção rápidos pelo melhorista. 53
4. Caracteres qualitativos e quantitativos 4.2. Caracteres quantitativos -Normalmente são controlados por muitos genes (herança poligênica); - Cada gene contribuiu para uma pequena mudança no fenótipo; - Cada gene individual apresenta padrão de herança mendeliana; - Forte efeito do ambiente sobre fenótipo; - Herdabilidade tende a ser média a baixa; - Caracteres agronômicos importantes apresentam herança quantitativa; - Ex: rendimento, estatura de planta, número de frutos, tamanho de frutos, características nutricionais... 54
4. Caracteres qualitativos e quantitativos 4.2. Caracteres quantitativos Exibe variação fenotípica contínua. Indivíduos diferem um do outro através de pequenos incrementos no fenótipo. Grande contribuição da estatística 55
4. Caracteres qualitativos e quantitativos 4.2. Caracteres quantitativos Nilsson-Ehle (Suécia, 1908) Cor do grão em trigo Caráter governado por três genes Grande número de classes genotípicas formadas 56
4. Caracteres qualitativos e quantitativos Número de genes envolvidos e classes fenotípicas 57
4. Caracteres qualitativos e quantitativos Qualitativo x Quantitativo 58
5. Linhas puras 59
5. Linhas puras Wilhem L. Johannsen (Dinamarca - 1903, 1909) 3 Experimentos 60
5. Linhas puras 1) Primeiro Experimento 19 sementes SUCESSO! Porque o lote era uma mistura de linhas puras. 19 progênies (...) 19 linhagens Certa diferença DENTRO da linhagem (E) x=0,35 g Forte diferença ENTRE linhagens (G) x=0,64 g 61
5. Linhas puras 2) Segundo Experimento INSUCESSO! Não há ganho em selecionar dentro de cada linha pura. x=0,40 g 1 linhagem Fez isto com 19 linhagens x=0,41 g x=0,39 g x=0,40 g x=0,39 g x=0,40 g
5. Linhas puras 3) Terceiro Experimento Selecionou grãos pequenos em linhagens de grãos pequenos. Selecionou grãos grandes em linhagens de grãos grandes. Durante 6 anos! 63
5. Linhas puras (Allard, 1971) 64
5. Linhas puras Por que não há sucesso em selecionar dentro de linhas puras?
5. Linhas puras 3 Punnet! 66
5. Linhas puras O que é uma linha pura? É a linha resultante da autofecundação de uma única planta homozigótica. A maioria das variedades de plantas autógamas são linhas puras. DE ONDE SURGE A VARIABILIDADE GENÉTICA EM AUTOGAMAS? Mutações Cruzamentos naturais Mistura mecânica 67
6. Genes Ligados 68
6. Genes Ligados -Genes estão no mesmo cromossomo; -Herdados de forma conjunta; Quanto mais próximos um do outro, e quanto mais próximos do centrômetro, mais ligados -Cruzamento teste. 69
6. Genes Ligados Slide cedido por professor Oliveira 70
6. Genes Ligados Proporção de gametas de cada pai é maior que 50% na F1? % de Recombinação = Soma das classes diferente dos genitores x 100 Nº total de indivíduos 71
6. Genes Ligados (Esperado: 100% 2 fileiras e púrpura) Slide cedido por professor Oliveira 72
6. Genes Ligados S/L (25%) (25%) (25%) (25%) C/L (25%) (25%) (25%) (25%) 6,25% 6,25% Equações Allard, 1971 Slide cedido por professor Oliveira 73
6. Genes Ligados IMPLICAÇÕES PARA O MELHORAMENTO DE PLANTAS: Ligações positivas (entre genes favoráveis) podem ser facilmente mantidas nas progênies. Ao contrário, ligações desfavoráveis serão tanto mais difíceis de serem quebradas quanto mais fortemente ligados forem os genes. Poderão ser necessários vários cruzamentos para atingir o objetivo desejado. Quanto mais fortemente ligados os genes, maiores deverão ser as populações (progênies) para quebrar blocos de ligação desfavoráveis. 74
7. Referências bibliográficas Aulas dos professores Antonio Costa de Oliveira e Luciano Carlos da Maia ALLARD, R. W. Princípios do melhoramento genético das plantas. São Paulo: Edgard Blucher, 1971. 381p. GRIFFITHS, A. J. F.; WESSLER, S. R.; LEWONTIN, R. C.; GELBART, W. M.; SUZUKI, D. T.; MILLER, J. H. Introdução à genética. 9 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2009. 75
Universidade Federal de Pelotas Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel Departamento de Fitotecnia Programa de Pós-Graduação em Agronomia Área de concentração em Fitomelhoramento Disciplina de Melhoramento Genético de Plantas Ação Gênica / Parâmetros Fenotípicos e Genéticos em Plantas MUITO OBRIGADO! eduardo.venske@yahoo.com.br Alunos de doutoramento: Eduardo Venske, Eng. Agr., Msc. Danyela de Cassia Oliveira, Eng. Agr., Msc. Carlos Busanello, Eng. Agr., Msc. Professor orientador: Antonio Costa de Oliveira, PhD.