Melhoramento genético

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
PÓLO AVANÇADO DE XERÉM
GRADUAÇÃO EM BIOTECNOLOGIA
CURSO MELH. GEN. E OGMs (XBT353)
TURMA 2014/2
Aula 2A:
Conceitos e estrutura de
programas de melhoramento
genético
Prof. Dr. Silas Pessini Rodrigues
Rio de Janeiro,
19 de agosto de 2014
Agricultura
Plantio e colheita de recursos vegetais e o pastoreio de animais
Melhoramento genético
•Na agricultura, objetiva-se a obtenção de plantas e animas novos e
melhorados
•As alterações são permanentes e hereditárias
•Pode envolver reprodução sexuada (metodos clássicos) ou não (DNA
recombinante)
Objetivos do melhoramento genético 
visam atender às necessidades do produtor,
consumidor e impacto ambiental
• Plantas resistentes a tombamento e a pestes
• Alimento de maior teor nutricional e mais sabor
• Plantas como biorreatores na produção de fármacos
(biofármacos)
• Variedades mais produtivas
Cultivar
variedade ou genótipo que é
plantada com fins comerciais
Organismos geneticamente
melhorados  obtidos por
melhoramento genético clássico
Organismo geneticamente
modificados (OGMs) ou
transgênicos  obtidos por
engenharia genética para a
incorporação genes “estranhos” no
organismo
FlavrSavr® tomato,
1o OGM aprovado para consumo nos U.S. em 1992
Tecnologia Bt
• Toxina Bt inativa  no intestino
alkalino do inseto (humano é ácido) 
desenovela  clivada por enzimas
digestivas  forma ativa da toxina 
provoca perfurações na parede do
intestino do inseto
•Adotado em 1996 pela Monsanto
Bacillus thuringiensis
Aumento de 1000 X
Toxina Bt
Soja brasileira, expressando o gene Cry1Ac e o gene de
resistência a glifosato
• Aceita no processo
regulatório brasileiro
em 2010
• Desenvolvida pela
Monsanto
Soja transgênica
Soja controle
Conceitos chave no melhoramento genético
1) Evolução
•Fenômeno de população
•Mudanças na frequência de alelos (i.e., o conjunto de genes de uma população)
 acarreta mudanças na diversidade genética e na abilidade da população em
sofrer divergência genética
2) Domesticação (>10,000 anos atrás - 1900)
•As alterações genéticas são causadas por meio de seleção imposta por humanos
•Plantas e animais são selecionados de acordo com as suas características de
cultivo/criação para o benefício de produtores e consumidores
•Existem graus de domesticação
•Geralmente não podem ser re-introduzidos no meio selvagem
3) Melhoramento genético (1900 - 2000)
•A ocorrência e frequência de um deternimado gene são induzidas numa espécie
utilizando-se abordagens diferentes
• Utiliza tanto conceitos quanto o método científico
Evolução: Teoria de Charles Darwin
O ambiente impõe limites aos indivíduos  alguns terão vantagens em relação a
outros  seleção natural
Princípios: variação (nas diferentes características do indivíduo), hereditariedade
(o filho se parece com o(s) pai(s)), seleção (alguns indivíduos são mais resistentes
que outros)
Dinâmica de populações x seleção natural  especiação
Tempo  fator fundamental
Longo, na evolução
Curto, no melhoramento
Evolução x melhoramento genético
•
•
•
Conceitualmente, melhoramento genético = evolução
Melhoramento é a evolução feita por humanos
Melhoramento utiliza populações abertas (porque insere os genótipos de
interesse, de diferentes origens), enquanto a evolução atua em populações
mais fechadas ou limitadas
Domesticação: categorias de plantas
Primárias  parentes selvagens foram cultivados por humanos e
evoluíram no novo ambiente
Ex.: Avina sterilis
Aveia
Avina fatua
Secundárias  evoluíram à partir de ervas daninhas, que cresciam
em campos cultivados
Domesticação: principais famílias de plantas
domesticadas
Cruciferae
Gramineae
(ou Poaceae)
Solanaceae
Leguminoseae (ou Fabaceae)
Domesticação: Influências culturais ou regionais
Síndrome da domesticação
Objetivos comuns à maioria das espécies que se pretendia domesticar
(melhorar geneticamente):
1) Germinação/muda: com maior taxa germinativa, quebra de dormência e
mudas mais vigorosas
2) Reprodução: capacidade de reprodução vegetativa e autofecundação
3) Pré- colheita: sementes mais uniformes, sementes com pouco ou nenhuma
dispersão natural, planta mais compacta e pouco sensível a fotoperíodo
4) Pós-colheita: sabor, textura, cor, tempo de prateleira.
O melhoramento genético científico sucedeu a
domesticação…
Conceitos científicos fundamentais:
Gregor Mendel  os ‘fatores’ são transmitidos dos pais para os filho através das gerações
• Originou o conceito de genes, base da genética
• Trabalho feito com ervilhas, publicado em 1865
Wilhelm Johannsen  Linhagens ‘puras’, ou homozigotas podem ser obtidas através de
autopolinização de uma espécie
• Precursor da teoria da linhagem pura, publicada em 1903
H. Nilson  O cruzamento entre duas espécies próximas origina indivíduos com
desempenho melhor que o dos pais
• Precursor do conceito de ‘vigor do híbrido’
Programa de melhoramento genético: organização
1) Organização do projeto: número de pessoas
envolvidas, campo, casas de vegetação,
germinadoras, outras necessidades
2) Plano de controle: objetivos e estratégias claras;
estratégias para manejo de dados
3) Comportamento: trabalho em equipe
4) Tomada de decisões: diversas questões surgirão ao
longo do programa; o melhorista analiza e toma
decisões
Programa de melhoramento genético: decisões
1) Objetivo do melhoramento  devem ser claros e economicamente viáveis
2)
Germoplasma  deve fornecer o gene para o caráter desejado (hoje, vários bancos de
germoplasmas são disponíveis no mundo)
3) Estratégia de melhoramento  qual é o método (híbridos, polinização aberta com pré-seleção dos
parentes, melhoramento assitido por marcador, transgenia, ou uma combinação de estratégias)
4) Tipo de cultivar  O cultivar a ser melhorado seria uma híbrido ou um transgênico? O
melhoramento é focado em uma região geográfica ou de abrangência mais ampla?
5) Mercado  Produto final vai ser consumido à fresco ou industrializado
6) Avaliação  Estratégia de avaliação de cada ciclo do melhoramento
Alguns genótipos são avaliados no campo por muitos anos, outros em diferentes regiões
Ex.: As populações resultantes do cruzamentos são sempre reduzidas em tamanho (10,000 para
1,000, de 1,000 para 100 e de 100 para 10)
Pergunta-se: Esta planta tem potencial para se tornar um cultivar?
Ela teria alguma outra utilidade?
Sim? Genótipo é mantido ppor mais um ciclo da cultura, e re-avaliação
Não? Descarte
7) Liberação do cultivar  Escolhe-se o genótipo mais estável, defini-se um nome, e aspectos de
proteção legal -------Liberação = Clímax do programa!
Estratégias de melhoramento genético
Melhoramento convencional ou clássico
• Cruzamento entre duas plantas (hibridização)  técnica principal na indução de variabilidade
em plantas com flores
• Seleciona-se as variedades de interesse
• Fácil condução e acessível para a maioria dos melhoristas
• Ainda é a ferramenta mais robusta disponível.
Melhoramento não convencional
• Métodos mais modernos (Ex.: tecnologia do DNA recombinante)  utilizado para criar
variabilidade, que as vezes não é possível com métodos clássico
• Requer mais tecnologia e formação de pessoal especializado
• Geralmente de custo elevado
• Pode contornar problemas com barreiras reprodutivas entre espécies
As duas estratégias são complementares
Métodos moleculares  geram variabilidade ou facilitam a seleção  uma planta transgênica
pode ser cruzada com outra espécie  transferência do gene de interesse
O produto de ambas as estratégias  avaliado no campo  passa por uma avaliação da
qualidade de sementes  liberado ao produtor
Os obtidos por transgenia  sofre um controle adcional (discutido separadamente em outra
aula).
Melhoramento vegetal no setor privado x setor público
1. Setor privado
• Com fins lucrativos
• Maiores multinacionais envolvidas (Monsanto, Pioneer, Novartis/Syngenta e Advanta Seed Group)
• As companhias são detentoras das novas sementes desenvolvidas
1.1 Fatores que determinam a tendência do melhoramento:
1.1.1 Custo da pesquisa  novas tecnologias têm custo muito elevado  mas o produto final tem alta
qualidade e produtividade, facilitar o cultivo no campo
1.1.2 Estrutura do mercado  O mercado da semente específica é grande e lucrativo ?  o interesse
é ainda maior quando o custo da semente disponível no mercado já é alto
1.1.3 Organização do mercado de sementes  a companhia que tem a posse de uma tecnologia 
monopoliza o mercado até que uma alternativa seja lançada
1.1.4 Abilidade de se apropriar do retorno da pesquisa  tradicionalmente, o setor privado prefere
plantas de alto valor (ex.: milho) e com capacidade de serem hibridizadas
1.1.5 As companhias devem considerar também os lucros para os fazendeiros
Melhoramento vegetal no setor privado x setor público
2. Setor público
2.1 Brasil
• Embrapa
• Incaper
2.2 Estados Unidos
• Feito em instituições que ‘ganham’ areas de terra do governo
Ex.: Universidade de Cornell, Massachusetts Institute of Technology (MIT)  focadas em
agricultura
• mais interssadas em plantas de interesse econômico
2.3 Internacional
• Algumas instituições internacionais (Food and Agricultural Organization (FAO); Ford
Foundation; Rockefeller Foundation  preocupadas com culturas que são importantes
apenas em países que não dominam tecnologias de melhoramento  Ex.: mandioca na
África
• Países em desevolvimento com programas avançados de melhoramento
Brasila, China, India e África do Sul
Duração e custos de um programa de
melhoramento
• 7-10 anos (as vezes mais) para a liberação de um novo cultivar anual
Ex.: milho, trigo e soja
• Mais tempo para plantas perenes
• O uso de técnicas moleculares e cultura de tecidos podem acelerar o processo
• Pode custar de milhares a milhões de reais
• Fica ainda mais caro se envolve propriedade intelectual
• Custo depende do local e do pessoal envolvido no programa
Ex.: melhoramento em país em desenvolvimento tem mão-de-obra mais barata
Recursos genéticos para o melhoramento:
Germoplasmas
Recursos genéticos que guardam a variabilidade
genética entre e dentro da espécie, com fins de
utilização para a pesquisa em geral, especialmente
para o melhoramento genético.
Germoplasmas
•Indispensável para qualquer programa de
melhoramento
• Material genético que pode ser usado na perpetuação
de uma espécie
• Fornece parentes utilizados no início de programas de
melhoramento  avalia-se os germoplasmas quanto
ao interesse específico, alguns exemplares são
liberados para o melhoramento
• Utilizados na indução de variabialidade com o uso de
diferentes métodos
• Principal fonte são os locais de onde a cultura é
originária
Bancos de germoplasmas
Brasil tem o 6º maior banco de sementes do mundo
• 102.000 sementes, à -20 oC, resistem > 100 anos
•Representam ~500 espécies diferentes
• Perde para os U.S., Alemanha, China, Índia e Korea do Sul
Outros bancos de germoplasmas específicos:
Banco de Germoplasma de Hortaliças (BGH – UFV)
•Universidade Federal de Viçosa/Fundação Rockefeller
•Criado em 1966
•Resgatar espécies nativas ou introduzidas, preservar, documentar e manter intercâmbio
de germoplasma entre as diversas regiões do Brasil
•Acervo com mais de 7.000 subamostras de hortaliças, provenientes do Brasil e também
recebidos como doação de mais de 100 países
Banco Ativo de Germoplasma de Soja
•Acervo de ~5.000 acessos
•Mantidos na Embrapa Soja, em Londrina-PR.
Tipos de germoplasmas
1) Plantas domesticadas
Cultivares comerciais  atuais (com características desejáveis) ou obsoletos (Ex.: que se
tornaram suceptíveis a novas doencas)
Subprodutos do melhoramento  genótipos intermediários de programas de
melhoramento
Landacres  desenvolvidos e mantidos por fazendeiros ao longo de anos
Plantas introduzidas  um genótipo importado de outra região, geralmente outro país
Estoque genético  produto de manipulação genética especializada (induzidos por
mutações)
2) Plantas não-domesticadas
Quando os genes de interesse não existem em plantas domesticadas  as plantas não
domesticadas são uma alternativa
3) Outras espécies ou gêneros
Para o melhoramento clássico  requer que os prognitores sejam reprodutivamente
compatíveis e férteis
Geralmente fácil e com sucesso  se os envolvidos são próximos
Quanto mais divergente  mais difícil
Conceito de pools de genes
GP1: podem ser cruzados com facilidade, progêne é fertil
GP2: pode ser cruzado com GP1, mas a geração F1 pode ou não ser fétil
GP3: cruzamento com GP1 é muito problemática, gerando letalidade, esterilidade e outros problemas
A prioridade é sempre escolher progenitores dos grupos GP1 ou GP2, só se usa GP3
quando ele é a única fonte do gene
Vulnerabilidade Genética
Homogeneidade e uniformidade de algumas plantas que as pré-dispõe à
suceptibilidade a pestes, patógenos e perígos ambientais em maiores proporções
Helminthosporium
maydis
Epidemia no U.S. em 1970 causada pela uniformidade
geética do cultivar de milho utilizado no época
Vulnerabilidade genética pode ser causada pela herança de genes que
aumentam a suceptibilidade do indivíduo a estresse
Ex.:
Avelã
Fungo Cryphonectria parasitica
Doença fúngica (chestnut blight )
Fatores envolvidos na
vulnerabilidade genética:
-evolução do cultivar
-tendências do programa de melhoramento
-tendências na tecnologia utilizada
-decisões dos produtores  fator chave
Preferência do produtor/consumidor pela uniformidade da característica
Cultura sucessiva de um mesmo genótipo – seleciona patógenos
Como lidar com a vulnerabilidade?
1) Detectar o grau real de vulnerabilidade e a
concordância entre os produtores
2) Utilizar germoplasmas selvagens
3) Mudança de paradigma  antes se procurava por
fenótipos nos germoplasmas  agora deve-seprocurar
por genes
4) Uso de biotecnologia  criação de variabilidade
(usando-se transgenia, fusão de células, variação
somaclonal…)
5) ‘Emplilhamento de genes’  técnica em que vários
genes, por ex.: resistênca a doenças, são introduzidos
simultaneamente
Conservação do recurso genético x melhoramento
genético
A conservação da biodiversidade  fundamental para que problems futuros sejam
enfrentados
Erosão genética
Declíneo na diversidade genética de populações cultivadas ou naturais pela ação
humana
Causas da erosão genética
•Naturais  desastres naturais podem levar ao desaparecimento de espécies
•Ação de fazendeiros  manejo do solo, mono-cultura, desmatamento
•Ação de melhoristas  promovem muita uniformidade genética
•Problemas com a conservação de germoplasmas  armazenamento incorreto no
campo ou em laboratório  pode levar a exclusão de genótipos mais suceptíveis
•Ação do público em geral  com novas demandas por terra  o germoplasma é
sempre colocado em segundo plano, exposto à riscos de perdas
Questão: Qual é o limite
de manipulação genética
suportado por um
genoma?
Trazer no dia da prova 1, que sera anexo à prova