2005-2006

2005-2006
Genética
e
Melhoramento de
Plantas
AULA 2
Por: Augusto Peixe
2005-2006
EVOLUÇÃO DO MELHORAMENTO COMO ACTIVIDADE
As primeiras variedades
-De silvestre a cultivada
-O processo de domesticação
*Selecção automática
-Alteração da arquitectura da planta.
*DoTeosinte ao Milho Híbrido
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-Culturas primárias e secundárias
*Pureza das culturas Vs. Novas variedades
Origem das Plantas cultivadas
-Os precursores:
-Darwin(1866) – A origem das espécies
-De Candolle (1882) – A origem das plantas cultivadas
“O processo de domesticação não foi uniforme nem no espaço nem no tempo”
-Vavilov (1920) - Os centros de origem e diversidade
-Colecções de germoplasma com mais de 300.000 espécies.
“A variabilidade dentro de uma dada espécie é maior em determinadas regiões
do globo”
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-Próximo Oriente
-Chinês
-Indiano
-Sul mexicano e
Cento Americano
-Indo-Malaio
-Sul Americano
-Centro Asiático
-Sub-Centro
Brasil - Paraguai
-Sub-Centro
Chileno
-Mediterrâneo
-Abissínia
-O ponto de vista moderno: Harlan (1992) :Regiões centradas e
difusas de origem das plantas cultivadas.
-“O homem domesticou o que lhe foi possível quando e onde surgiu
essa possibilidade.”
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Aumento do Rendimento Por Melhoramento
Genético Em Algumas Culturas
Average maize yields in the US
Grain Yield (t/ha)
10
8
Milho USA 1860-1990
6
4
2
F1 Hybrids Doubled
Open Pollinated
Hybrids
Populations
0
1860
1880
1900
1920
1940
1960
1980
Year
Trigo Vários Paises 1866-1996
Soja USA 1940-2000
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Área necessária para produzir uma ton. de milho
m2
3000
2000
1000
0
1967
1977
1987
1997
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A Reprodução nas Plantas Superiores
1-Reprodução vegetativa ou assexuada
• Reprodução de indivíduos geneticamente
idênticos ao progenitor
• Sem meiose, sem fertilização, sem
recombinação
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Formas de reprodução vegetativa
Naturais
• Rizomas
• Estolhos
• Bolbos
• Tubérculos
Artificiais
• Estacaria
• Enxertia
• Mergulhia, Alpoquia,
Amontoa, Cameação
• Cultura in vitro
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APOMIXIA
•
•
•
Produção assexual de sementes ou estruturas semelhantes a
sementes, sem que tenha ocorrido fecundação e cuja evolução
origina plantas geneticamente idênticas à planta original.
~35 famílias, 130 géneros, 400 espécies
Obrigatória ou facultativa
EXEMPLOS:
• O saco embrionário evolui e
desenvolve-se sem meiose nem
fecundação (sementes apomiticas).
•
O saco embrionário aborta e uma
célula vegetativa do tecido somático
circundante desenvolve-se dando
origem a um embrião somático
(embrionia adventícia)
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Desvantagens da reprodução
assexuada
• Populações geneticamente uniformes,
baixa variabilidade genética.
• Baixa capacidade de disseminação
natural
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2-Reprodução Sexuada
• Produção da descendência através de
meiose e fertilização.
– Descendência genéticamente diferente dos
progenitores, devido à recombinação
Nota: Em muitas plantas as duas formas de reprodução coexistem
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Estrutura básica da flor
Flores Perfeitas Vs. Flores Imperfeitas
Flor Perfeita
Fminino: Estigma, Estilete,
♀
…………Ovário
(Carpelo)
ESTAMES ♂ Maculino: filete, antera
PISTILO
PETALAS
SEPALAS
Atracção de Polinizadores
Protecção
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Flor Imperfeita
Possui partes masculinas ou femininas
1. Monoicas
Flores masculinas e femininas separadas mas
na mesma planta
2. Dioicas
Flores masculinas nas plantas macho
Flores femininas nas plantas fêmea
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Polinização ≠ Fertilização
POLINIZAÇÃO – O PÓLEN É TRANSFERIDO PARA O ESTIGMA
PELO VENTO, PELA ÁGUA OU POR INSECTOS POLINIZADORES
FERTILIZAÇÃO – UM ANTROZIODE UNE-SE À OOESFERA PARA
FORMAR UM ZIGOTO.
(Dupla)- O segundo antrozoide junta-se aos núcleos polares
para formar um endosperma triploide
A fertilização só acorre após uma polinização bem sucedida
Noção de período de polinização efectivo
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MOST OF IT HAPPENS IN THE FLOWER!!!! THAT’S WHY WE DON’T SEE IT!
male gametophyte
formed in the
anther
female
gametophyte
formed in the ovary
Pollination
MEIOSIS !
fertilization
ovary
SPOROPHYTE 2N
embryo in seed
zygote
HOW DOES THE FEMALE GAMETOPHYTE FORM ?
2N
1N
IN THE OVARY!
meiosis
Mega = female
1 SURVIVES
3 mitoses
8 nuclei
7 cells
1 is egg
MEGAGAMETOPHYTE
1N
♀
in the anther !
MICRO = MALE
MEIOSIS
2N
CELL
4 1N
CELLS
2 1N
CELLS
MICROGAMETOPHYTE = POLLEN GRAIN
♂
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Dupla Fertilização em Angiospermicas
POLLINATION
2 sperm
formed as in
grows down
1 sperm joins with egg = 2 N zygote
1 sperm joins with polar nuclei =3 N endosperm
SEED !
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Polinização em flores hermadroditas
• Auto-compativel (AC)
– A fecundação é possível por
auto-polinização ou por
polinização cruzada
• Auto-incompatível (AI) ou Autoestéril
– Apenas viável a polinização
cruzada
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Autogamia
• Auto-fertilização
• Transferência do pólen
para a mesma flor ou
entre flores da mesma
planta.
• ~60% das
angiospermicas são
habitualmente
autogâmicas
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Desvantagens da Autogamia
• Diminui a variabilidade genética
• Reduz a heterozigocidade e aumenta a
homozigocidade de alelos letais.
• Reduz o vigor da descendência
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Perda de Heterozigocidade por auto-fecundação
A
a
A
AA
Aa
a
Aa
aa
Aa x Aa
1/4 AA
1/2 Aa
1/4 aa
O cruzamento entre dois heterozigóticos para um gene alelico produzirá
uma descendência em que 50% dos indivíduos são homozigóticos.
A proporção de heterozigóticos será reduzida para metade em cada novo cruzamento
F1: 50%
F2: 25%
F3: 12.5%
F4: 6.2%
F5: 3.1%
F6: 1.5%
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Auto-Incompatibilidade (AI)
• Incapacidade de uma flor hermafrodita fértil produzir
um zigoto após auto-fecundação.
• Envolve a presença de mecanismos bioquímicos ao
nível do estigma ou do estilete, por forma a rejeitar
ou impossibilitar o crescimento do tubo polínico do
pólen produzido pela própria flor.
• Geneticamente controlada pelos chamados locus-S
– Alelos S opostos atraem-se
– Alelos S idênticos repelem-se
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Incompatibilidade esporofitica (IE)
• Os tecidos da antera
(esporofito-2n)
determinam que
combinações são ou não
viáveis.
• Interacção entre a exina
do grão de pólen e o
tecido estigmático
• O pólen não germina em
flores que contenham um
dos dois alelos
coincidentes com os do
tecido esporofitico da
antera que o originou.
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Incompatibilidade Gametofitica (IG)
• O genótipo haplóide do
grão de pólen (gametófiton) determinam que
combinações são ou não
viáveis.
• Interacção entre o pólen e
os tecidos do estilete.
• O grão de pólen germinará
em qualquer pistilo que não
contenha o mesmo alelo.
• 50% das angiospermicas
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Vantagens da auto-incompatibilidade
• Previne a consanguinidade e a
expressão de genes letais que se
encontram na forma heterozigótica nos
progenitores.
• Aumenta a diversidade genética.
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Estratégias para impedir a auto-fecundação
Heterostilia
•
Flores em diferentes indivíduos
de uma mesma espécies com 2
ou 3 comprimentos diferentes
dos estiletes e das anteras,
variando estas dimensões
inversamente
•
25 famílias de angiospermicas,
em 155 géneros diferentes.
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Separação temporal da estruturas
reprodutivas (Dicogamia)
• Protandria
– As anteras libertam o pólen antes do estigma
estar receptivo
• Protoginia
– O estigma fica receptivo antes da libertação
do pólen
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Separação física das estruturas
reprodutivas
• Plantas monoicas
♀
• Plantas dioicas
♂
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Problema fundamental do melhoramento:
“Detentores de elevado índice de variabilidade, descobrir
dentro desta os indivíduos com o melhor genótiopo,
conhecendo apenas o fenótipo”
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Origem da Variabilidade
-Ambiental: Variação no desenvolvimento de plantas genéticamente
uniformes, devidas à exposição a diferentes situações de stress ambiental
-Hereditária
Mutação
Génica- Modificações pontuais, naturais ou induzidas, que têm como
resultado uma alteração na síntese das proteínas.
Cromossómica: Rearranjo, perda ou ganho de segmentos ou
cromossomas nas sua totalidade.
-Recombinação Génica -Ao contrário da mutação, a recombinação
não implica alteração ao nível do gene, mas sim novas combinação
de genes originários dos progenitores.
-Poliploidia - Variação no nº de cromossomas. Auto, alopoliploidia e
aneuploidia
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Falta de concordância genótipo/fenótipo
Exemplo: cruzamento entre indivíduos diferindo em apenas um par de
genes, num caso com dominância e noutro com hereditariedade
intermédia
Progenitores: A(vermelho) X a(Amarelo)
F1- Genótipos
100%Aa
F1- Fenótipos
Com dominância
Sem Dominância
100%Vermelhos (Aa)
F2-
Genótipos
100% Laranja (Aa)
25%AA + 50%Aa+25%aa
F2- Fenótipos
Com dominância
75% Vermelhos+25%amarelos
Sem Dominância
25%Vermelhos+50%Laranja+25%amarelos
Cruzamento teste ou avaliação da descendência de
autofecundação para conhecer a origem homo o
heterozigótica da cor vermelha
Sem necessidade de
avaliação
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Hereditariedade de Caracteres Simples
A avaliação do genótipo
1.- Teste de Descendência
O comportamento de uma
planta individual é conhecido
fazendo crescer e observando
as características da sua
descendência.
Por este processo, podemos
compreender se os alelos
envolvidos na manifestação de
um determinado caracter se
apresentam na forma homo ou
heterozigótica.
Veja-se o caso desta F2, onde
3 em cada 4 indivíduos
apresentam fenotipicamente
uma característica dominante
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2. - O Cruzamento Teste (Testcross)
A planta cujo genótipo se pretende avaliar é cruzada com uma
reconhecidamente homozigotico recessiva para o caracter em questão.
100% das plantas obtidas apresentarão a característica dominante se a
planta a testar for homozigótica dominante ou a proporção será de 1:1, se a
planta original for heterozigótica
Quando utilizar um
outro método?
-Em autogâmicas
-Em alogâmicas
-Em autoestéreis
O testcross é de grande utilidade no estudo do ligamento
(Linkage) i.e: a associação de genes no mesmo cromossoma
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Recombinação génica após hibridação
Segregação independente de dois
genes alelicos (cruzamento di-híbrido)
Restrições:
-Ligamento
-Tamanho da população para mais genes
2-----------------16
5-----------------1024
10---------------1.048.576
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No caso de genes ligados
Utilização do testcross para
determinar as proporções
de recombinação na F1
Genótipos esperados na F2 , (%). Alterações
ao racio 9VP:3Vp:3vP:1vp,esperado de um
cruzamento di-híbrido com segregação
independente.
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Importância do conhecimento dos valores de ligação para
o melhorador
1. A % de recombinação é constante.
2. As trocas de segmentos cromossómicos numa recombinação
ocorrem apenas entre 2 dos 4 cromatideos como tal o resultado de
recombinação será sempre <=50%
3. A proporção de recombinações será sempre inferior à proporção de
segregação de genes independentes pelo que será necessário
analisar de F2 de maiores dimensões, para obter a forma desejada.
4. A ligação pode ser benéfica se o gene desejado estiver fortemente
ligado a um outro que pode ser facilmente identificável
fenótipicamente. Pode ser prejudicial, se esta ligação ocorrer com
um gene capaz de transmitir características indesejáveis.
5. A informação sobre os valores de ligamento facilita a construção de
mapas genéticos
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Hereditariedade de caracteres quantitativos
Considerámos até agora caracteres de hereditariedade
simples, controlados por um reduzido nº de genes
maiores e cujos efeitos são facilmente identificáveis
fenótipicamente. Podemos dizer que tratámos de casos
de hereditariedade qualitativa. Cor da flor ou da folha,
putrescência ou ausência dela são alguns exemplos.
Vamos agora ver alguns exemplos de hereditariedade
quantitativa. Ou seja, casos em que as características
são controladas normalmente por vários genes
(poligenes), a que chamados genes menores,
normalmente localizados em diferentes loci e que
conjuntamente afectam a expressão de uma
característica fenótipica. Capacidade produtiva e vigor
são alguns exemplos.
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O aparecimento na F2 de
indivíduos com vários níveis
intermédios para a
expressão da característica
em análise é um exemplo
típico de que essa
característica é controlada
por um determinado nº de
genes menores não alelicos.
Segregação transgressiva
Outra característica hereditária dos
caracteres quantitativos ou mesmo dos
qualitativos, quando o caracteres de
interesse é controlado por genes
diferentes é o facto de alguma da
descendência se poder encontrar fora
dos limites dos progenitores. A estes
chamamos segregantes transgressivos
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A segregação transgressiva
torna-se mais evidente nas
gerações seguintes à F2.
Veja-se na figura ao lado
representada de forma
esquemática a distribuição de
individua em vária gerações
sucessivas
Aspectos específicos da heritabilidade de caracteres
quantitativos
1.Não é possível identificar efeitos de genes individuais. Cada um dos genes, expressa um pequeno
efeito que contribui para a expressão da característica.
2.Os efeitos dos múltiplos genes expressam-se sobre diferentes tipos de acção genica: aditividade,
dominância, epistasia, sobre-dominância.
3.Os genes que contribuem para a expressão de uma caractetistica encontram-se em vários loci e
por isso não são contabilizáveis racios directos de segregação.
4.Numa população em polinização livre, a característica fenótipica é observada de uma forma
continua desde o nível mais elevado ao nível mais baixo.
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As Técnicas Básicas do Melhoramento
-Selecção
O sucesso no melhoramento de plantas depende directamente da
variabilidade da população original e da capacidade do melhorador
para aumentar, combinar e seleccionar essa variabilidade
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-Recombinação
-Hibridação
-Cruzamentos complementares
-Cruzamentos transgressivos
-Retrocruzamento
-Operação de voltar a cruzar um
híbrido F1 com um dos seus
progenitores.
-Em melhoramento deveria chamarse Retrocruzamento Recorrente, pois
como vamos ver continua a cruzar-se
o híbrido com o progenitor com o
objectivo de introduzir neste a
característica desejada, recuperando
no final o resto do seu próprio
genótipo.
INTRODUÇÃO DE UM DOMINANTE
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INTRODUÇÃO
DE UM
RECESSIVO
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Nº de Indivíduos Necessário: A dimensão mínima
da família
n> log(1-S) / log(1-P)
Exemplo: Nº de individuos necessário para obter com 95% de probalibidade, pelo
menos um homozigótico recessivo (aa), num cruzamento entre progenitores (AA)x(aa)?
p=1/4, S=0,95
donde
n>log(1-0,95)/log(1-0,25)=10,4=11individuos