uma percepo crtica sobre tcnicas de manipulao gentica

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MELHORISTA CONVENCIONAL: ESPÉCIE EM EXTINÇÃO?
Ernesto Paterniani (1)
(1)
Professor Titular, ESALQ/USP - [email protected]
RESUMO. Desde o seu início, a agricultura vem alcançando crescentes níveis de eficiência,
graças em grande parte aos progressos da Genética e suas aplicações no desenvolvimento de
técnicas de manipulação genética. Praticamente todo o melhoramento genético até o presente
foi obtido utilizando os métodos identificados como convencionais. Com a moderna
Biotecnologia, novas técnicas foram disponibilizadas, ampliando as possibilidades de
manipulação genética, como no caso das cultivares transgênicas, cujo cultivo vem aumentando
anualmente, embora enfrentando ainda forte oposição de certos setores. Embora técnicas da
biotecnologia representem uma importante contribuição na incorporação de características
desejáveis às cultivares, técnicas convencionais de seleção, em especial os esquemas de
seleção recorrente em suas várias modalidades, com eficiência comprovada, ainda apresentam
um grande potencial a ser explorado para o melhoramento genético das plantas. Há
necessidade, entretanto, de maior ênfase no ensino e treinamento de melhoristas
convencionais, bem como em estatística experimental e áreas afins, além da reintegração de
programas de melhoramento convencionais em universidades e instituições públicas.
Palavras-chave: melhoramento convencional, Biotecnologia, seleção.
Introdução
Graças à invenção da agricultura há 10.000 anos, de maneira independente, pelo
menos em duas regiões, no Velho e no Novo Mundo, a humanidade passou a depender menos
da imprevisível caça e coleta de alimentos. A eficiência da agricultura atingiu níveis
surpreendentes, pois, enquanto a caça exigia 2500 ha para alimentar uma pessoa, uma
agricultura com tecnologia moderna consegue, em 250 ha alimentar 4000 pessoas (Stork e
Teague, 1952 e Borlaug, 1972). Por isso é que atualmente, toda a área dedicada à agricultura
no mundo é igual à área da América do Sul, mas, se a produtividade agrícola fosse igual à de
1950, para se obter a mesma produção seria necessário cultivar uma área equivalente a todo o
Hemisfério Ocidental (Avery, 1994). Todo esse progresso foi obtido graças aos contínuos
conhecimentos da natureza das plantas e de técnicas do seu cultivo. Inicialmente, com a
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domesticação e seleção empírica, foi possível desenvolver cultivares da quase totalidade das
espécies hoje cultivadas.
Os
fatores
envolvidos
na
domesticação
das
plantas
são,
essencialmente
(Simmonds,1976):
•
Seleção natural para adaptação a novos ambientes e a resistência a pragas e a
enfermidades.
•
Seleção artificial praticada pelos povos antigos.
•
Hibridações naturais intra e inter-específicas (ex. trigo, algodão, etc.).
Durante o processo de domesticação, características genéticas foram selecionadas em
praticamente todas as espécies cultivadas, o que foi denominado por Harlan (1992) de
“síndrome da domesticação”. As principais são:
•
Perda dos mecanismos de dispersão natural das sementes.
•
Perda da dormência das sementes, promovendo maior uniformidade da
germinação.
•
Mudança da reprodução alogâmica (cruzamentos) para autogâmica
(autofecundação).
•
Mudança de plantas dióicas (plantas masculinas e femininas separadas), para
plantas monóicas ou hermafroditas, com eliminação das plantas masculinas
improdutivas.
•
Mudança ,do ciclo de vida perene para anual, possibilitando aumento da
produtividade por área.
•
Aumento do tamanho dos frutos, espigas, grãos e da produtividade em geral,
além da alteração de várias características relacionadas à qualidade, sabor e
cor dos frutos.
•
Perda de substâncias amargas e tóxicas dos frutos e também perda de
estruturas de proteção natural das plantas, como espinhos e aristas.
•
Nos cereais, maior teor de carboidratos e menor teor de proteínas.
Como se pode apreciar, tais alterações genéticas, resultantes essencialmente da
seleção empírica, são muito mais significativas do que as modificações obtidas com os
conhecimentos da moderna tecnologia. Isso demonstra o poder da seleção, que é muito
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maior do que geralmente é admitido mesmo pelos geneticistas. Inúmeros exemplos
notáveis podem ser mencionados, como o feijão Nuña desenvolvido pelos Incas. Sendo
vegetarianos, na base do milho e da batata, vivendo a 3 mil m de altitude, a única fonte
de proteína, o feijão exige muita energia para o cozimento. Sem lenha disponível, e
água fervendo a cerca de 93o , foi possível selecionar o feijão Nuña, que com 2 minutos
rompe o tegumento e fica cozido.
A Era Científica da Genética.
Após a redescoberta das leis mendelianas em 1900, e o subseqüente desenvolvimento da
Genética, o melhoramento das plantas passou a ser cada vez mais eficiente, graças a uma série
de tecnologias desenvolvidas ao longo do século XX. Devem ser mencionadas ainda,
contribuições significativas dos avanços da Agronomia, destacando-se as áreas de nutrição e
adubação das plantas, fitopatologia, entomologia, engenharia agrícola, plantio direto, entre
outras. Há, entretanto, necessidade de contínuos progressos para se conseguir uma agricultura
cada vez mais eficiente na produção de alimentos e fibras, elevando a produtividade por
hectare, preservando o ambiente e conservando ou mesmo aumentando a fertilidade do solo
para as gerações futuras, o que corresponde a uma agricultura sustentável.
A primeira aplicação da redescoberta das leis mendelianas, foi a descoberta do fenômeno do
vigor de híbrido, primeiramente empregado no milho híbrido e depois em inúmeras outras
plantas cultivadas. Ao procurar verificar se as leis mendelianas eram aplicáveis a outras
espécies, Shull e East nos Estados Unidos, autofecundando e cruzando linhagens de milho,
constataram notável aumento de vigor do híbrido.
Uma significativa contribuição para melhorar a eficiência da seleção, foi dada por Fisher
com os componentes da variação genética e ambiental, iniciando uma promissora área de
Genética quantitativa. Assim, a variância fenotípica é, inicialmente, decomposta como segue:
Variância fenotípica = Variância genética + Variância ambiental + Interação variância
genética x ambiental
Ou, na expressão:
σF2 = σG2 + σE2 + σGxE2
e, na decomposição da variância genética:
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σG2 = σA2 + σD2 + σI2
Donde:
σF2 é a variância fenotípica;
σG2 é a variância genotípica;
σE2 é a variância dos efeitos do ambiente;
σGxE2 é a variância da interação genótipo x ambiente;
σA2 é a variância dos efeitos gênicos aditivos;
σD2 é a variância dos efeitos gênicos dominantes;
σI2 é a variância dos efeitos das interações gênicas não alélicas.
Estudos de genética quantitativa envolvendo os componentes da variação hereditária,
permitiram o desenvolvimento de métodos de seleção elaborados, com o objetivo de aumentar
a eficiência da seleção. Uma fórmula geral sobre a eficiência da seleção, é dada pela
expressão:
G = ck σA /yσF
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Onde,
G é ganho anual esperado por seleção,
c representa o controle parental,
k representa a intensidade de seleção,
y corresponde ao número de anos para se completar um ciclo de seleção, e
σF é o desvio padrão fenotípico.
O milho tem sido especialmente usado como material para o desenvolvimento de inúmeros
métodos de seleção, muitos dos quais com potencial para outras plantas alogâmicas. A seguir,
alguns exemplos:
•
Seleção massal simples
•
Seleção massal estratificada
•
Seleção massal com controle biparental
•
Seleção entre e dentro de famílias de meios irmãos
•
Seleção entre e dentro de famílias de irmãos germanos
•
Seleção entre e dentro de famílias S1 ou S2
•
Seleção recorrente recíproca baseada em progênies S1
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•
Seleção recorrente recíproca baseada em famílias de meios irmãos
•
Seleção recorrente recíproca baseada em famílias de meios irmãos e plantas
prolíficas.
Várias combinações entre essas técnicas têm sido propostas, existindo na literatura
mais de duas dezenas de opções (Hallauer e Miranda, 1981 e Paterniani 1990). É fácil
perceber, que as opções de seleção disponíveis ainda não foram suficientemente
avaliadas com relação aos seus potenciais. Isso se deve a preferências pessoais dos
melhoristas, falta de suficiente continuidade, além de outros fatores de natureza
logística. Como conseqüência, os métodos de seleção empregados, representam uma
fração dos métodos disponíveis. Mesmo com essas limitações, o melhoramento
convencional tem tido progressos acentuados. A seleção entre e dentro de famílias de
meios irmãos em milho, tem sido especialmente eficiente (Paterniani, 1967). A título
de exemplo, a figura 1, apresenta uma adaptação do esquema para cenoura. O método
em questão, se presta especialmente para plantas alogâmicas, nas quais os cruzamentos
manuais não são facilmente executados. As polinizações são naturais.
De maneira geral, os métodos de melhoramento empregados para plantas
autogâmicas, têm sido mais padronizados do que para as alogâmicas. No entanto, têm
sido sugerido e empregado em vários casos de plantas autogâmicas, métodos próprios
das alogâmicas, com a finalidade de se ampliar as recombinações gênicas e a criação
de novas oportunidades genotípicas.
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Seleção Entre e Dentro de Famílias de Meios irmãos em Cenoura
1
2ª. Geração
3ª. Geração
Produção de sementes de
famílias de meios irmãos
............
1ª. Geração
2
3
................
N
Ensaios das famílias de meios irmãos
Lote isolado com sementes remanescentes das
melhores famílias segundo os ensaios (seleção entre)
Seleção das melhores cenouras de cada família e
plantar em novo lote (seleção dentro)
4ª. Geração
Ensaios das famílias de meios irmãos obtidas das
melhores cenouras do campo anterior (início do 2° ciclo)
Fig. 1. Esquema de seleção entre e dentro de famílias de meios irmãos em cenoura.
O emprego do vigor de híbrido é uma das mais importantes contribuições para a
produção de alimentos. Descoberto originalmente em milho, é amplamente empregado em
inúmeras espécies cultivadas. Para aumentar a eficiência na produção do vigor de híbrido,
destaca-se a seleção recorrente recíproca (Comstock et al. 1949). A berinjela é uma espécie
onde o vigor de híbrido é particularmente acentuado, e se presta para um programa de seleção
recorrente recíproca, para ampliar o vigor de híbrido da geração F1 empregada
comercialmente. A figura 2, apresenta uma adaptação específica para beringela. É
recomendável que as populações A e B tenham suficiente variabilidade genética, o que se
consegue a partir de cruzamentos intervarietais.
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Seleção Recorrente Recíproca em Beringela
População A
População B
....
....
1ª Geração
1
2
3 .........
N
1
2
3 ..........
N
Frutos e sementes de cruzamentos intrapopulacional (progênies de meios
irmãos dentro), AxA e BxB
Frutos e sementes de cruzamentos interpopulacional (progênies de meios
irmãos entre), AxB e BxA
2ª Geração
3ª Geração
Ensaios das progênies de meios irmãos entre
Plantios das sementes das progênies de meios irmãos dentro, das plantas
cujos progênies entre foram mais produtivos nos ensaios.
Efetuar os cruzamentos como na 1ª Geração ( início do 2º ciclo)
Figura 2. Esquema de seleção recorrente recíproca em berinjela.
A Era da Moderna Biotecnologia
O melhoramento genético tem sido um componente altamente significativo na
contribuição para o progresso da agricultura. Inúmeras técnicas de manipulação genética estão
hoje disponíveis, podendo ser classificadas, de forma abrangente, como convencionais e
biotecnológicas. Não se pretende efetuar uma revisão das metodologias genéticas dessas
técnicas, uma vez que isso está amplamente disponível na literatura especializada, além de
fugir do escopo deste trabalho. A partir do conhecimento de que o DNA é a molécula
responsável pela herança dos caracteres dos seres vivos, a sua estrutura e pesquisas
subseqüentes, teve início a era da moderna biotecnologia. As modificações genéticas com
vistas ao melhoramento, passaram a ser conduzidas por técnicas laboratoriais, embora a
ploidia e a mutagênese sejam mais antigas. A seguir as técnicas consideradas:
•
Ploidia – Alterações no número de cromossomos
•
Mutagênese – Indução artificial de mutações
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•
Variação somaclonal – Reprodução a partir de células somáticas
•
Hibridação somática – Fusão de protoplastos
•
Cíbridos – Citoplasma da espécie A e núcleo da espécie B
•
Transgênese – Transferência de genes exógenos
•
Transplastomia – Transferência de plastídios exógenos
Dentre as técnicas que são independentes da reprodução sexual, a ploidia, iniciada por
volta de 1920 e a mutagênese descoberta por Muller (1927) e Stadler (1930), são
relativamente antigas em relação às demais. Nem todas essas técnicas têm sido empregadas
com intensidade semelhante. Ploidia, mais utilizada no passado, é pouco empregada
atualmente. A variação somaclonal, inicialmente considerada bastante promissora, tem hoje
pouca aplicação devido ao reduzido sucesso obtido. A hibridação somática e os cíbridos,
encontram-se ainda em estágios essencialmente experimentais. As técnicas mais empregadas
atualmente, são a mutagênese e a transgênese. Os transplastômicos, oferecem a possibilidade
de transferência interespecífica de plastídeos, não afetando, assim, o genoma, o que pode
reduzir pelo menos em parte as oposições aos transgênicos.
Embora o termo Biotecnologia na acepção mais ampla possa ser empregado para designar
todo e qualquer processo envolvendo tecnologias relativas aos seres vivos, tem sido mais usual
empregar o termo na sua acepção mais restrita, indicando as técnicas laboratoriais de
manipulação genética in vitro. A obtenção de plantas haplóides pode empregar reprodução
com genes marcadores, bem como técnicas de cultura de anteras, polinização e fertilização in
vitro e hibridação somática, podem empregar uma combinação de processos reprodutivos e
não reprodutivos.
Melhoramento convencional e transgênese
Do ponto de vista do melhoramento genético, é importante salientar que os métodos
convencionais e a transgênese, não são mutuamente excludentes: ao contrário, são
complementares, e é neste contexto que devem ser considerados. Na verdade, todo o progresso
genético para produtividade e demais atributos quantitativos, foi obtido pelos métodos
convencionais. A transgênese apenas incorporou nas variedades superiores um ou poucos
genes responsáveis por características específicas que conferem certas vantagens adicionais,
como resistência a insetos pragas, herbicidas, entre outras. O emprego dos QTLs (quantitative
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trait loci) embora vislumbrado pela transgênese, continua uma expectativa indefinida. Sem
dúvida, os transgênicos são importantes como elemento coadjuvante para aumentar a
eficiência da produção agrícola, trazendo benefícios para a instituição detentora, para o
agricultor e a médio prazo também para o consumidor, que deverá contar com produtos mais
acessíveis e de melhor qualidade. Face ao exposto, vários programas de melhoramento têm
dirigido consideráveis recursos para a obtenção dos transgênicos resultando em certa limitação
nas atividades com métodos convencionais. Como os recursos para pesquisa sempre são
limitados, é importante estabelecer um equilíbrio que contemple de forma adequada as
tecnologias disponíveis e que melhor atenda as perspectivas de melhoramento genético.
A presente situação tem certa semelhança com a época do advento do milho híbrido,
quando os programas passaram a atuar quase exclusivamente na obtenção de híbridos,
paralisando o melhoramento populacional, que mais tarde foi retomado inclusive para garantir
futuros progressos do milho híbrido. Percebe-se que a ênfase dada à biotecnologia, parece
ignorar o papel da seleção na manipulação genética. Atualmente, mesmo distinguidos
geneticistas não mais consideram a seleção como fator relevante no melhoramento genético.
Isso é surpreendente, pois é a seleção o fator preponderante pela grande variabilidade dos
seres vivos e pelo melhoramento obtido, além de que, a própria transgênese depende
fortemente da seleção. Como se sabe, na transgênese os genes são inseridos nos cromossomos
ao acaso, resultando em um certo número de eventos não previsíveis. A seguir, as células
cujos marcadores indicam a presença do gene inserido, devem regenerar as plantas
correspondentes a serem avaliadas e selecionadas para eventual escolha de um evento
promissor. Uma vez obtido o evento desejável, o gene em questão pode ser transferido a
outros genótipos pelo conhecido método convencional do retrocruzamento.
Conforme mencionado acima, inúmeros esquemas de melhoramento convencional,
tanto para obtenção de linhagens como para melhoramento populacional, têm sido propostos
ou utilizados com resultados consagrados e eficiência comprovada, destacando-se os
esquemas de seleção recorrente e recorrente recíproca em suas várias modalidades
(Paterniani,1990; Hallauer e Miranda Filho, 1995 e Souza Junior, 2001). Cabe salientar que
tais esquemas não vêm sendo empregados com intensidade suficiente, indicando que o seu
potencial ainda deve ser bastante elevado. Acrescente-se ainda que, com os registros de
germoplasma, seus direitos e patentes, há cada vez menos intercâmbio desses materiais entre
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os geneticistas, o que restringe a variabilidade genética disponível. A seleção, promovendo
maior recombinação gênica, fator primordial para aumento da variabilidade genética,
compensa, em grande parte, as restrições de acesso a germoplasmas.
Face às considerações expostas, considera-se que atualmente, ainda é oportuno e
desejável a condução de programas de melhoramento de plantas empregando as técnicas
convencionais já consagradas como eficientes e ainda não suficientemente exploradas.
Há de se considerar que as técnicas ditas biotecnológicas e as convencionais não são
excludentes. As biotecnológicas, incorporando genes específicos nos genótipos superiores
melhorados, já comprovaram a sua grande contribuição ao melhoramento, produzindo
cultivares menos exigentes em insumos agroquímicos, além de incorporar melhoramento
qualitativo nutricional e outras características desejáveis.
As técnicas convencionais, de eficiência amplamente comprovada, de execução
relativamente mais simples e menos custosas do que as biotecnológicas e de resultados mais
contínuos ao longo dos anos ou gerações, deverão continuar produzindo resultados altamente
compensadores. Há necessidade de maior ênfase no ensino e treinamento de melhoristas
convencionais, bem como em estatística experimental e áreas afins. É fundamental, ainda, a
reincorporação em universidades e instituições públicas de programas de melhoramento
convencionais.
Potencialidades, limitações e críticas
O contínuo desenvolvimento da Genética tem proporcionado uma série de técnicas de
manipulação genômica, como a relação apresentada. Sendo o melhoramento de plantas uma
ciência essencialmente aplicada, é natural que os melhoristas procurem experimentar, avaliar e
utilizar efetivamente as técnicas disponíveis. Embora todas as alternativas indicadas devam
ter, em graus variáveis, suas potencialidades de sucesso, na prática os resultados obtidos
dependem, em primeiro lugar, do estágio de sua aplicação ao melhoramento (experimental ou
avançado) e em segundo lugar, da intensidade de utilização, que muitas vezes não explora a
potencialidade máxima da técnica. Com uma tal diversidade de técnicas, muitas delas ainda
em fase experimental, é fácil constatar porque a maioria, ainda não foi suficientemente
avaliada e adotada pelos programas de melhoramento.
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Praticamente todo o melhoramento das plantas conseguido até o presente se deve ao
melhoramento convencional, pela intensidade e extensão do seu emprego. Progressos
substanciais têm sido obtidos em todo o mundo, sendo talvez o milho a espécie na qual o
melhoramento genético atingiu o mais alto nível. No Brasil, Vencovsky e Ramalho (2000)
relatam ganhos anuais obtidos por vários autores, em períodos diferentes, que vão de 31 a 123
kg/ha, com uma estimativa conservadora de um ganho contínuo de 60/kg/ha/ano a partir de
1946. De especial significado é a constatação de que os atuais métodos convencionais não
esgotaram as suas potencialidades, podendo-se prever subseqüentes progressos desde que
sejam empregados com a intensidade requerida.
Como parte da biotecnologia moderna, o desenvolvimento de marcadores moleculares,
passaram a ocupar com especial intensidade as técnicas laboratoriais com a finalidade de
auxiliar programas de melhoramento. Tem havido grande expectativa dessa tecnologia, como
auxiliar do melhoramento de plantas. A literatura registra milhares de publicações sobre o
assunto. Isso se deve à forte pressão para publicação de “papers”. Com os equipamentos
disponíveis, a tecnologia de marcadores moleculares passou a ser conduzida de maneira
rotineira, com muita facilidade nos laboratórios. No entanto, como salienta Stuber (2000), o
impacto da técnica de mapeamento de locos quantitativos, foi menor do que muitos esperavam
a 20 anos atrás.
Liu (1998), lista as seguintes limitações de ordem estatística:
•
QTLs são genes hipotéticos baseados em inferências estatísticas e os efeitos
genéticos usados para mapeá-los, podem ter muito pouco significado
biológico.
•
Os modelos genéticos nos quais o mapeamento de poligenes se baseia, não
são acurados.
•
A quantidade de informação genética presente nos experimentos não é
adequada estatisticamente.
•
As metodologias de análise estatística não são poderosas o suficiente e nem
são adequadas para análises que envolvam um alto nível de interações
espistáticas.
Recente informação pessoal do Dr. Arnel Hallauer da Universidade de Iowa, salienta
que as empresas de milho híbrido estão desesperadamente procurando contratar
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melhoristas convencionais, que estão em falta nos Estados Unidos, enquanto há
excedente de pesquisadores em marcadores moleculares. Um fórum composto por 12
líderes em melhoramento comercial de milho, foi realizado para discutir o futuro do
melhoramento convencional. A principal conclusão foi a de que é necessário convencer
os dirigentes das universidades da importância do treinamento de melhoristas
convencionais e reincorporar programas e posições que foram descontinuados.
Literatura Citada
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13
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