Melhoramento de Plantas em PDF.pdf

 MELHORAMENTO GENÉTICO DE PLANTAS PLANTAS ÍNDICE PLANO TEMÁTICO .......................................................... ........................................................... ..........3 .......... 3 VISITAS E SAÍDAS DE CAMPO: ........................................................ ................................................. 4 TESTES:...................................................................................................................................................4 TRABALHOS:.........................................................................................................................................4 Estrutura do relatório (8 a 10 páginas – times times new roman 12) ....................................................... ..........4 .......... 4 Nota de frequência (Nfr): .................................................... ........................................................... ..........4 .......... 4 Passagem: ........................................................ ............................................................ ............................. 4 0 INTRODUÇÃO A DISCIPLINA.....................................................................................................5 0.1 O que significa Melhoramento Genético de plantas? ..................................................... ..........5 .......... 5 0.2 Importância do Melhoramento genético na agricultura:...........................................................5 0.3 Qual a base genética para o melhoramento?.............................................................................5 1 A ORIGEM, DOMESTICAÇÃO, DOMESTICAÇÃO, DIFUSÃO E EVOLUÇÃO DAS ESPÉCIES CULTIVADAS . 6 1.1 Domesticação das espécies.......................................................................................................6 1.2 Os centros de origem e de difusão............................................................................................7 1.3 Os Bancos de Germoplasma...................................................................................................10 1.4 O conceito de “Pool” genético................................................................................................11 1.5 A evolução das espécies .......................................................... ............................................... 12 1.6 A evolução de algumas algumas espécies cultivadas: ........................................................ .................. 14 1.6.1 Trigo:..............................................................................................................................14 1.6.2 Milho: .......................................................... ........................................................... ........16 ........ 16 1.6.3 Arroz...............................................................................................................................18 2 BIOLOGIA FLORAL E SISTEMAS REPRODUTIVOS REPRODUTIVOS DAS ESPÉCIES CULTIVADAS .......19 ....... 19 2.1 BIOLOGIA FLORAL: ............................................................ ............................................... 19 2.1.1 A flor: .......................................................... ........................................................... ........19 ........ 19 2.1.2 Formação de gâmetas: ..................................................... ............................................... 20 2.1.3 Polinização .................................................. ............................................................................................................. ........................................................... ........20 ........ 20 2.1.4 Fecundação e formação da semente................................................................................21 2.2 SISTEMAS REPRODUTIVOS DAS ESPÉCIES CULTIVADAS ....................................... 22 2.2.1 Classificação dos sistemas de reprodução .................................................... .................. 22 2.2.2 Característica das populações de espécies alogâmicas :.................................................23 2.2.3 Características de espécies autogâmicas : .................................................... .................. 23 2.2.4 Espécies de propagação vegetativa.................................................................................24 2.2.5 MECANISMOS NATURAIS QUE FAVORECEM A ENDOGAMIA.........................24 2.2.6 MECANISMOS NATURAIS NATURAIS QUE FAVORECEM A ALOGAMIA ........................... 25 2.3 DETERMINAÇÃO DO TIPO DE REPRODUÇÃO E DA TAXA DE CRUZAMENTO EM CONDIÇÕES NATURAIS ....................................................... ......................................................... 32 2.3.1 Exame floral .......................................................... ......................................................... 32 2.3.2 Cultura de indivíduos isolados e exame das descendências: .......................................... 32 3 GENÉTICA DE POPULAÇÕES E BIODIVERSIDADE ..................................................... ........34 ........ 34 3.1 Revisão de conceitos básicos da genética de populações ....................................................... 34 3.2 A lei de Hardy-Weinberg........................................................................................................35 3.2.1 Exemplo numérico do equilíbrio CHW..........................................................................36 3.2.2 Teste χ2  :.........................................................................................................................37 3.3 Selecção..................................................................................................................................38 3.3.1 Selecção contra aa ..........................................................................................................38 3.4 Selecção contra os genótipos AA e Aa...................................................................................40 3.5 O destino do alelo nos precedentes tipos de selecção.............................................................42 3.6 Selecção a favor favor dos heterozigóticos Aa ..................................................... ........................... 43 3.7 Composição da variância genética..........................................................................................53 3.8 Composição da variância na geração F 2 .................................................................................54 3.9 Hn = D/(D + H + Eb) = 0.868 ............................................................ ..................................... 57 3.10 Interacção Genótipo * Ambiente ....................................................... ..................................... 64 3.11 Coeficiente de Inbreeding.......................................................................................................65 3.12 Capítulo 5. Métodos de Melhoramento Melhoramento de plantas ......................................................... ........68 ........ 68 3.13 Causas genéticas do sucesso das variedades híbridas.............................................................84 3.14 A base genética da heterose....................................................................................................84 3.15 Constituição de variedades híbridas ............................................................ ........................... 85 3.16 Constituição de linhas puras .................................................... ............................................... 87 3.17 O emprego da macho-esterilidade na produção de híbridos...................................................88

Melhoramento de plantas Página 2 de 111 3.18 Curva de progresso da doença ........................................................... ..................................... 97 3.19 Gráfico da curva de progresso da doença doença .................................................... ........................... 98 3.20 Como é que a resistência vertical afecta a epidemia?.............................................................99 3.21 Como é que a resistência horizontal afecta a epidemia?.......................................................100 3.22 Resposta hipersensitiva.........................................................................................................101 3.23 Resposta não hipersensitiva..................................................................................................101 3.24 O ciclo de infecção ........................................................ ....................................................... 102 3.25 Forma de transmissão da resistência.....................................................................................103 3.26 A hipótese gene para gene ....................................................... ............................................. 104

Caro Estudante: Estes apontamentos estão em revisão; para evitar evitar qualquer tipo de confusão, por favor, assista as aulas teóricas da Disciplina. O Docente : Eng. Magaia.

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PLANO TEMÁTICO

Temas: 1. Introdução a disciplina e Formas de evolução das espécies 2. Biologia floral e sistemas de reprodução de plantas cultivadas 3. Genética de populações e biodiversidade 4. Genética quantitativa 5. Métodos de melhoramento de plantas: 5.1  Métodos de melhoramento de plantas autogâmicas 5.2 Sistemas de isolamento de plantas alogâmicas 5.3  Métodos de melhoramento de plantas plantas alogâmicas 5.4  Direcção em melhoramento melhoramento de plantas alogâmicas

5.5  Melhoramento de culturas propagadas e vegetativamente 6. Técnicas para a introdução de variabilidade genética 7. Técnicas de melhoramento para factores ambientais 8. Aspectos regulativos para a criação, libertação e multiplicação de variedades Total

Aulas Teóricas Práticas Total 2

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4 2 2

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4 4 4 4 4 1 4

4 2 4 4 4

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VISITAS E SAÍDAS DE CAMPO: Data ?29/9 ?3/11 ?3/11 ?3/11

Local INIA – Maputo INIA – Umbeluzi FAEF – Umbel. INIA – Umbeluzi

TESTES: Testes: Temas 1º 1-4 2º 5 3º 6-8

Horas 8-12:00H 8-12:00H 8-12:00H 8-12:00H

Data (sábados) 6/9 25/10 29/11

Responsável Dr. Calane da Silva Dr. Miloge Denik Eng. Magaia Sr. Davólio Eng. Anabela

Local Anf 100 e 200 Anf 100 e 200 Anf 100 e 200

Tema Banco de germoplasma Milho Girassol Mandioca

Horas 8-10:00 8-10:00 8-10:00

TRABALHOS: 1. Relatório da visita ao BG INIA (individual); 2. Trabalho Semestral (Milho, Girassol ou Mandioca): (17/11)  Entrega (25/11)  Defesas Estrutura do relatório (8 a 10 páginas – times new roman 12) − Capa − Introdução − Revisão Bibliográfica (± 2 páginas) − Metodologia − Resultados e discussão (± 3 páginas) − Conclusões e recomendações (± 1 página) − Referências Nota de frequência (Nfr):

 Nfr = 0.2*T1 + 0.3*T2 + 0.25*T3 + 0.10*RBG + 0.15*TS Passagem: Nfr < 9.5 9.5 > Nfr < 13.5 Nfr > 13.5

Excluído Admitido Dispensado

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0 INTRODUÇÃO A DISCIPLINA

0.1 O que significa Melhoramento Genético de plantas? Modificar de forma estável as características genéticas de um organismo com o objectivo de melhorar a sua capacidade produtiva e/ou a sua qualidade. O melhoramento genético de plantas relaciona-se com disciplinas como: Genética Botânica Fisiologia vegetal Fitopatologia Bioquímica

Estatística e Metodologia experimental Agronomia Economia

0.2 Importância do Melhoramento genético na agricultura: Contribui substancialmente para melhorar a produtividade agrícola, através da criação de variedades mais produtivas, i.e., mais resistentes a factores (a)bióticos adversos (pragas e doenças, frio, seca, etc) e/ou com um potencial genético mais produtivo. p rodutivo.

0.3 Qual a base genética para o melhoramento? Existência de variabilidade genética. O fenótipo (P) é determinado por factores genéticos (G) e ambientais (E): Para cada característica, estes P=G+E factores podem ter contribuições diferentes. Para melhorar as diferentes características (P) pode-se agir sobre os factores ambientais (E) em que o organismo vive, o que nem sempre é possível (p. ex: caso do clima). Agir sobre factores genéticos (G) é um processo mais estável, embora não seja em termos absolutos, uma vez que os factores genéticos também podem sofrer variação ao longo do tempo (p. ex. Mutações). Para agir sobre G, devem-se considerar 3 aspectos diferentes: i. O sistema de reprodução da espécie em estudo; ii. O controle genético da característica em estudo; iii. Os métodos de selecção. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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1 A ORIGEM, DOMESTICAÇÃO, DIFUSÃO E EVOLUÇÃO DAS ESPÉCIES CULTIVADAS

1.1 Domesticação das espécies Todas as plantas hoje cultivadas apresentam modificações em relação as plantas primitivas que se podem encontrar na natureza. As modificações variam com o grau de domesticação, isto é, quanto mais antigo foi o início da domesticação, maiores diferenças apresentam os tipos domesticados dos seus ancestrais. Escavações arqueológicas, mostram que algumas espécies de cereais como Milho, Trigo e Cevada, foram domesticados a milhares de anos, enquanto que o girassol, p.ex., foi domesticado no século passado. A domesticação ocorreu através da selecção para a capacidade de retenção da semente na planta, precocidade e uniformidade na germinação, floração e na maturação, etc. Assim, o processo da domesticação melhorou características como: i. ii. iii.

A capacidade da planta de reter sementes; Capacidade de germinação, floração e maturação uniformes; Índice de colheita (HI) e o ideotipo das espécies cultivadas, para alto rendimento.

Actualmente, é possível encontrar espécies de alto valor agrícola e muito uniformes (linhas puras) para plantas autogâmicas e, combinação de genótipos que formam uma população com características distintas e estáveis para plantas alogâmicas. Embora todas estas características constituam vantagens para a produção agrícola moderna, elas podem trazer algumas desvantagens, p. ex., a uniformidade genética faz com que uma doença crie danos a toda a cultura no campo, causando enormes prejuízos económicos. O processo de selecção das espécies naturais durante a domesticação, teve 3 distintas fases: 1ª) feita de maneira inconsciente no princípio da civilização agrícola; 2ª) feito segundo uma base empírica até ao século antepassado e, 3ª) segundo a base científica através da aplicação das técnicas do melhoramento genético. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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1.2 Os centros de origem e de difusão O botânico N. Vavilov (1920), constatou que existe diferenças entre populações vindas de várias partes do mundo. Em certas zonas, as populações manifestavam-se uniformes e noutras exibiam muitas diferenças. Ele postulou que os centros de origem das espécies cultivadas coincidem com as zonas onde estas tem a máxima diversificação das suas populações. Vavilov designou 8 centros e 3 subcentros (Figura 1) onde as espécies evoluíram (Tabela 1 e Tabela 2): i. ii. iii. iv. v.

China; Índia; Centro Indo-Maláico; Ásia Central; Médio Oriente; Mediterrâneo;

vi. vii.

Abissínia; Sul do México América Central; viii. América do Sul; Chile; Brasil e Paraguai.

e

Mais tarde, o trabalho de Vavilov foi continuado pelo evolucionista J. Harlan que descobriu que, esses centros não constituíam a origem mas sim, centros onde os homens da antiguidade tinham sido mais activos e mudou o nome de centros de origem para centros c entros de difusão. Figura 1: Os centros de difusão Os centros de origem e difusão são bastante importantes para o melhoramento genético (programas de cruzamentos) e para os bancos de germoplasma (Tabelas 1 e 2). Existem os antigos centros (do velho mundo) e os novos recentemente estabelecidos (centros das Américas).

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Tabela 1: Os centros de origem do velho mundo Centro Culturas Etíope-Ocidente Africano Café arábica Cebola Café robusta Palmeira Feijão nhemba Inhame Mapira Arroz, etc. Mediterrânico Repolho Trigo Alface Morango Oliveira Beterraba, etc. Ásia Menor Beterraba Figo Cenoura Cebola Videira Pêra Trigo, etc. Ásia Central Maçã Mostarda Cenoura Pêra Cebola Trigo, etc. Lentilha Indo-Burma Amarantos Arroz Limão Cana-de-açúcar Manga Abóbora Laranja Inhame Siam, Malaio e Java Banana Arroz Coqueiro Inhame, etc. Cana-de-açúcar China Couve chinês Pêssego Feijão nhemba Soja Laranja Chá, etc. Mandarim

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Tabela 2: Os Centros do novo mundo (Américas) Centro Culturas 8 México-Guatemala Amarantos Caju Abacate Papaia Feijões Batata-doce Cereais Tomate, etc. Cacau 9 Andes Amarantos Papaia (Perú-Equador-Bolívia) Feijões Amendoim Cacau Batata Cereais Tomate, etc 10 Sul do chile Batata Morango 11 Brazil-Paraguai Noz Brasileiro Mandioca Cacau Ananás Caju Amendoim 12 Estados Unidos Girassol Oxicoco, etc. Morango Jerusalém artichoke

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1.3 Os Bancos de Germoplasma É importante que se conservem os genótipos selvagens de cada espécie hoje cultivada, para que quando necessário sirvam de fonte de variabilidade genética e de introdução de características de interesse para o melhoramento genético. Os genótipos selvagens são conservados em bancos de germoplasma. Estes bancos começaram a ser criados em 1940 nos EUA e hoje encontram-se espalhados por todo o mundo. Os bancos de germoplasma tem como função: i. ii. iii. iv. v.

colheita e colecção de populações de diferentes espécies cultivadas e seus ancestrais; estudo e classificação de diferentes materiais (acessões) através de análises morfológicas e genéticas; conservação do germoplasma existente (sementes, tubérculos, raízes, frutos, callus e células) 'in vitro', em viveiros, parques ou em reservas naturais; reprodução e manutenção do material a longo e a curto prazo; disponibilizar o material existente para trabalhos de melhoramento e outro tipo de pesquisa.

Nos bancos de germoplasma são conservadas, não só espécies de valor agronómico actual, como também unidades taxonómicas (espécies e géneros) que possam ter afinidades com as espécies cultivadas. Tais como variedades antigas, espécies ancestrais, ervas daninhas pertencentes a espécies ou géneros diferentes, mas que podem ser utilizadas para o melhoramento genético de variedades cultivadas, por causa de algumas das suas características:

− Resistência a factores bióticos e abióticos; − capacidade extractiva de nutrientes, etc.

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1.4 O conceito de “Pool” genético Harlam e de Wet (1971), classificaram os recursos genéticos utilizáveis para fins de melhoramento vegetal em “Pool” genético primário, secundário e terciário. “Pool” genético primário :

Corresponde ao conceito tradicional de espécie biológica e, quase sempre compreende a forma cultivada e a forma selvagem da mesma espécie. Neste Pool , os cruzamentos entre a forma selvagem e a forma cultivada são possíveis e, o híbrido resultante é fértil. Assim,. A transferencia de genes e recombinação é sempre possível neste “pool”. Pool genético secundário :

Compreende todas as espécies que se podem cruzar com a espécie cultivada. Os cruzamentos e a transferencia de genes entre a espécie do “Pool” genético secundário e a espécie cultivada é possível, embora apresente algumas dificuldades devido ao escasso vigor e esterilidade do híbrido resultante. Pool genético terciário :

Reúne todas as unidades taxonómicas, nos quais a troca através de cruzamentos é extremamente difícil. Quando se consegue cruzar, o híbrido é em geral anormal, estéril ou letal. Neste “Pool” genético é necessária a utilização de técnicas especiais de cruzamento, como sejam a cultura de embriões “in vitro”, para a introdução de características duma espécie para a outra.

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1.5 A evolução das espécies A evolução das espécies cultivadas dá-se: (1) pela acumulação duma série de caracteres novos, originados a partir de mutações espontâneas, seguida de conservação por meio de selecção natural ou artificial (fixação/evolução); (2) a partir da diversidade resultante do isolamento de espécies que se adaptam a diferentes ambientes (especiação). A evolução passa, portanto, pelos seguintes processos: a) Selecção (natural (natural ou artificial); b) Isolamento (por fenómenos naturais ou devido a migração); c) Fixação de caracteres (‘fitness’, evolução). A selecção pressupõe a existência de variabilidade genética, que pode ser produzida a partir de mutações, hibridização (intra)interespecífica, poliploidia, etc.  A mutação mutação representa representa o ponto central central da evolução. evolução.

As recombinações genéticas que se dão, depois do cruzamento entre diferentes mutantes, induzem a uma ulterior diferenciação dos indivíduos sobre os quais a selecção natural ou artificial pode agir. As mutações podem ser ao nível dos genes (mutação pontiforme ou micromutação) ou ao nível dos cromossomas e/ou dum conjunto de genes (macromutação). Vavilov fez uma distinção entre culturas primárias e culturas secundárias, com base na história da sua evolução. Culturas primárias :

aquelas que começaram a ser cultivadas a partir de espécies selvagens. Ex. Trigo, cevada, arroz, soja, algodão, etc.

Culturas secundárias :

aquelas que se desenvolveram a partir de infestantes que invadiam as culturas primárias. Ex.: Centeio e aveia. Segundo Vavilov, aquelas infestantes ajustaram-se ao crescimento da culturas primárias, "imitando" alguns aspectos fisiológicos e morfológicos daquelas culturas, tornando-se assim espécies cultivadas.

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Uma outra descoberta importante de Vavilov, foi a " lei de séries homólogas": o conjunto de variabilidade morfológica e fisiológica das plantas cultivadas numa dada região geográfica, apresenta um notável paralelismo de aspectos, mesmo em plantas geneticamente distintas (senescência das folhas para resistir ao frio). O sentido biológico desta lei é que numa da região, estratégias similares podem ter sido desenvolvidas por plantas de espécies diferentes para reagir a uma determinada situação, como por exemplo resistir a uma certa doença.

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1.6 A evolução de algumas espécies cultivadas: 1.6.1 Trigo: Evoluiu no Médio Oriente (Sudeste Asiático) há alguns milénios (10 000 anos) A.C. (Figura 2): Figura 2: evolução da cultura de trigo:

Triticum monococum var. boetium 2n = 14 (AA)

*

T. tauchii (Aegilops speltoides) 2n=14 (BB)

T. turgidum Anfiplóide (AB) Endoduplicação T. turgidum Alotetraplóide * T. tauschii 2n=28 (A. squarrosa) 2n=14 (DD) T. turgidum var. durum (trigo da massa) AABB 2n=28

T. aestivum Endoduplicação T. aestivum var. aestivum (trigo do pão) 2n =42 AABBDD

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Ao longo da sua domesticação, a planta perdeu a sua habilidade efectiva de dessiminação da semente e tornou-se completamente dependente do homem para a dispersão. A domesticação do trigo acarretou a das outras espécies comestíveis, permitindo ao homem produzir maiores quantidades de alimento, levando ao estabelecimento das comunidades sedentárias, aumento da população e rápida evolução cultural. Uma enorme variação se desenvolveu na cultura (17 mil variedades), adaptando-se a vários ambientes, desde 67º N (Noruega, Finlândia e Rússia) a 45º S (Argentina), produzindo bons rendimentos, mas, o seu cultivo nos trópicos e subtrópicos é restrito a altitudes elevadas. A maioria das variedades pertencem ao trigo hexaplóide (mais comum) Triticum aestivum  var. aestivum , com alto teor de glúten no endosperma, de alto valor para produção do pão, pois esta proteína barra a saída do CO2  formado no processo de fermentação pela levedura, permitindo a expansão da massa fermentada. O trigo duro, T. turgidum var. durum (tetraplóide), é cultivado em regiões relativamente secas (bacia mediterrânea, Índia, Rússia, EUA e Canadá). O seu grão bastante duro, com baixo teor de glúten é usado no fabrico de produtos macaroni como massas alimentares. Existem também variedades diplóides sem importância económica. Graças a sua composição química: 60-80% de carbohidratos, 8-15% de proteínas ricos em aminoácidios essenciais (excepto: lisina, triptofano e metionina), 1.5-2.0% de gordura e minerais, vitamina B e E e, baixo teor de água, o trigo é de alto valor nutritivo e de fácil transporte, processamento e armazenamento. É alimento básico para 35% da população mundial, fornecendo 20% calorias alimentares consumidas a nível mundial. Nas 4 últimas décadas o trigo se beneficiou da revolução verde e melhoria das variedades, tendo aumentado ¼ da sua área mundial cultivada e cerca de 100% da sua produção.

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1.6.2 Milho: Foi domesticado a 5000 anos AC., no princípio da domesticação era dum grão menor ("pop corn"), de alguns mm de tamanho, mais tarde através da selecção apareceu o milho de grão maior, de 2 cm de comprimento e 1 cm de espessura e largura, com diferença no endosperma, mantendo-se semelhanças no embrião e no pericarpo e também na coloração. No grão doce e no "pop corn", os carbohidratos são armazenados mais em açúcares do que amido, por isso os grãos são enrugados e translúcidos depois de secar. O grão farinhento ("floury") apresenta o tecido endospérmico farinhento, opaco e leve com fina camada endurecida mais externa, o grão é liso, redondo ou ponteado. O grão "flint", tem um tamanho relativamente maior, baixo teor de tecido opaco e leve no centro do grão e a camada endurecida envolvente é maior, também pode ser liso, redondo ou ponteado. O grão dentado ("Dent"), tem a parte central constituída de amido leve que se contrai com a secagem do endosperma duro circundante, resultando numa aparência dentada do grão. Citotaxonomia do milho: O milho  Zea mays pertence a tribo  Maydeae  Maydeae juntamente com a teosinte ( Euchlaena  Euchlaena mexicana) ou Zea mexicana  ou ainda  Z . mays ssp mexicana e outras numerosas espécies do género tripsacum . A teosinte é uma erva anual similar ao milho, tem o número cromossômico de 2n=20, o mesmo que o milho. As 2 taxa, diferem em termos de estrutura na sua inflorescência feminina e no seu padrão cromossômico. O caule de teosinte é geralmente menos robusto e as plantas individuais tendem a afilhar. A espiga de milho é envolvida por numerosas folhas modificadas (casca), de ramos laterais e os cariópses (grão) estão aderentes ao raquis. A espiga lateral da teosinte é muito solta e envolvida por pouca casca, o raquis é muito frágil na maturação e, os cariopses disseminam-se naturalmente desprendendo-se com facilidade e são dormentes, enquanto que, no milho a propagação é completamente dependente do homem. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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As espécies tripsacum são perenes com número cromossômico múltiplo de x=18, citologicamente e morfologicamente são um pouco diferentes do milho e teosinte, tem um tamanho variável e, a inflorescência apresenta-se com sementes embebidas em segmentos virtualmente cilíndricas do râquis, tem alelos como os do milho, embora alguns se encontrem em cromossomas diferentes na forma e na disposição. O teosinte cruza-se prontamente com o milho e, as descendências são férteis. As duas espécies como o tripsacum são alogâmicas, nativos do México e Guatemala. A introgressão recíproca entre ambos é possível e tem ocorrido. O tripsacum cruza-se dificilmente com o milho e as descendências são quase sempre estéreis. Através do retrocruzamento, pequena porção do genoma de tripsacum pode ser incorporada no milho. As 3 hipóteses no que concerne a origem dos membros da tribo  Maydeae, indicam que: 1) o milho, teosinte e tripsacum são descendentes dum ancestral comum, tendo o último se diferenciado mais cedo que o milho e a teosinte; 2) o milho é derivado do teosinte, mas não há evidências arqueológicas que sustentam a hipótese; 3) o teosinte se originou do milho, esta hipótese é sustentada pelo facto de alguns estudos terem já provado que, a teosinte é um híbrido entre o milho e o tripsacum. Na América do sul, evidências arqueológicas de domesticação estão limitadas às áreas costeiras secas do Peru. Os materiais mais antigos datam de 1000ac outros 500ac, sendo claramente similares as raças selvagens dos Andes que podem ser encontrados no Peru e Bolívia, e que são muito distintos do milho arqueológico mexicano corrente. Os estudos agrobotanicos de variabilidade, apontam o México e/ou as baixas da América Central, como sendo o centro da variabilidade dos importantes tipos “dents” comerciais. Tais formas se espalharam ao longo dos trópicos desde 1500 d.C. (Figura 3), originando os dents mexicanos que chegaram aos EUA, cruzando-se no sec. XIX com os flints indígenos do norte, entre os descendentes deste cruzamento estão os "corn belt dents", sobre os quais se baseia a produção mundial actual do milho e que estão bastante adaptados a Europa do sul, onde tem sido amplamente usados nos últimos anos. Figura 3: A evolução da cultura do milho F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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1.6.3 Arroz Foi domesticado a 2500ac, evoluiu em duas espécies, uma de origem Sul e Sudeste Asiática ( Oryza sativa ) e outra da África Ocidental ( O. glaberrima ). O arroz asiático é o mais cultivado do que o africano (Fig 4). Figura 4: A evolução da cultura do arroz Existe pequenas diferenças morfológicas entre as duas espécies, mas há barreiras genéticas entre elas, sendo o cruzamento difícil e, os híbridos resultantes estéreis. Equivale ao trigo em termos de importância como alimento básico. É consumido por larga maioria da população de zonas densamente povoadas dos trópicos e subtrópicos húmidos. O seu endosperma é altamente digerível e relativamente nutritivo, embora o conteúdo em proteína seja relativamente baixa. Actualmente o arroz é cultivado entre 53º N e 35º S.

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CAPÍTULO II: 2 BIOLOGIA FLORAL E SISTEMAS REPRODUTIVOS DAS ESPÉCIES CULTIVADAS

2.1 BIOLOGIA FLORAL: 2.1.1 A flor: As flores são órgãos das plantas superiores, nos quais tem lugar a formação dos gâmetas e a sua fusão no processo da fecundação. Quanto ao sexo, as flores podem ser:

• Hermafroditas, quando produzem gâmetas dos dois sexos; • Unisexuais masculinas (estaminadas) ou femininas (pistiladas). As espécies, quanto ao sexo das flores de que dispõem podem ser:

Hermafroditas: com flores hermafroditas; Monóicas: com flores masculinas e femininas separadas na mesma planta; (iii) Dióicas: com flores masculinas e femininas separadas em plantas diferentes;

(i) (ii)

Uma flor completa ( Figura 5), apresenta 4 tipos de peças florais: sépalas pétalas, estames e pistilos (ex. leguminosas). Quando falta algum dos quatro tipos de peças florais a flor diz-se incompleta (ex. gramíneas). Figura 5: Corte longitudinal esquemático duma flor completa Estigma Estilete Ovário Antera Filete

Pistilo Estame

Pétala Sépala Óvulo Placenta Receptáculo F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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2.1.2 Formação de gâmetas:

• Gâmetas masculinos (pólen): Formam-se nos sacos polínicos dentro da antera, são originados pelas células-mães dos micrósporos, estas células através da meiose originam a tétrade (com 4 micrósporos), que se transforma depois nos grãos de pólen, pelo engrossamento da parede e uma divisão nuclear, originando o núcleo generativo e o núcleo do tubo polínico. Quando a antera está madura, os sacos polínicos abrem-se, permitindo a dispersão dos grãos de pólen. o grão de pólen, germina ao cair num estigma receptivo, desenvolvendo-se o tubo polínico e dividindo-se o núcleo generativo em 2 espermas (uma das quais gâmeta masculino).

• Gâmeta feminino É produzida dentro do óvulo por uma sucessão de processos, semelhante a da produção de espermas. Dentro de cada óvulo, uma célula mãe do megásporo, por meiose, produz uma tétrade (quatro megásporos). Três dos megásporos desintegram-se, o remanescente sofre divisões nucleares até formar o saco embrionário (com 8 núcleos e 7 células), constituído pela oosfera ou gâmeta femino com dois núcleos adicionais (3 sinérgidos que permanecem junto ao micrópilo), 3 antípodas no polo oposto e, 2 polares na zona central do saco. 2.1.3 Polinização É a transferência dos grão de pólen da antera para o estigma, este processo pode ocorrer por meio de insectos (entomófila) ou por vento (anemófila). A polinização pode ser: (i) (ii)

Directa ou autopolinização: quando se verifica entre órgãos masculinos e femininos da mesma planta; Cruzada: quando se verifica entre flores de indivíduos diferentes.

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2.1.4 Fecundação e formação da semente A fecundação é fusão dum dos espermas do tubo polínico com a oosfera, formando o zigoto. O segundo esperma funde-se com os dois núcleos polares para formar o núcleo primário do endosperma. O conjunto destes dois processos é a dupla fecundação (Figura 6). Figura 6: Esquema da fecundação O zigoto desenvolve-se no embrião que originará uma nova planta, na germinação da semente e, o núcleo primário do endosperma desenvolvese num tecido, o endosperma, com reservas alimentares para o embrião em germinação. As membranas que envolvem o óvulo, desenvolvem-se em tegumento que é diplóide e de origem exclusivamente materna. Semente é o conjunto formado pelo embrião, endosperma e pelo tegumento.

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2.2 SISTEMAS REPRODUTIVOS DAS ESPÉCIES CULTIVADAS O sistema reprodutivo determina o grau do potencial de recombinação da espécie e a forma como este é mantido em diferentes ambientes. Do sistema reprodutivo depende também o balanço entre a adaptação imediata de uma espécie a um certo ambiente (“fitness”) e, a elasticidade para adaptação a futuras modificações do ambiente. 2.2.1 Classificação dos sistemas de reprodução com base no sistema propagação, as plantas cultivadas podem ser divididas em: i) ii)

espécies de propagação sexual (ou por semente); espécies de propagação assexual (ou vegetativa)

Espécies de propagação sexual Distinguem-se com base no seu sistema reprodutivo que pode ser: - prevalecentemente alogâmicas; - Prevalecentemente autogâmicas Na prática, poucas espécies vegetais são completamente alogâmicas ou completamente autogâmicas. A diferença entre os dois grupos de plantas é consequência das acções que a autofecundação, a fecundação cruzada e a recombinação exercem sobre a estrutura genética das populações.

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2.2.2 Característica das populações de espécies alogâmicas: 1) polinização cruzada; 2) Plantas altamente heterozigóticas; 3) Autofecundação determina abaixamento de de vigor nas plantas, podendo conduzir a extinção da espécie a longo prazo; 4) A selecção natural ao longo do tempo, agiu principalmente sobre fases vegetativas do crescimento e da multiplicação; 5) Em algumas espécies polianuais, os genótipos de ‘fitness’ elevada podem ser propagados vegetativamente (tubérculos, bolbos, etc.); 6) A polinização cruzada possibilita variabilidade genética e fornece mais flexibilidade para a adaptação a modificações ambientais; 7) Do ponto de vista evolutivo, muitas plantas autogâmicas hoje cultivadas, derivam de ancestrais alogâmicas (trigo, cevada, tomate, ervilha, etc.); 

O objectivo de melhoramento para espécies alogâmicas, é a criação de variedades comerciais, mantendo sempre um certo nível de heterozigose e produção de híbridos, explorando a heterose.

2.2.3 Características de espécies autogâmicas: 1) Teoricamente constituídas por mistura mistura de linhas homozigóticas (linhas puras) que permanecem independentes na reprodução; 2) Cada planta é homozigótica e plenamente plenamente vigorosa; 3) Selecção artificial intensa feita ao longo do tempo, determinou capacidade de produzir grandes quantidades de sementes que permitem a manutenção da espécie, mesmo em condições adversas; 4) Autofecundação exclui possibilidade de recombinação natural como fonte de variabilidade; 5) A fonte de variabilidade reside no número de genótipos (linhas) diferentes; 6) Percentagem de fecundação cruzada reduzida e casual, mas permite novas combinações genéticas que podem ter melhor ou pior adaptação ao ambiente que os parentais. 

O objectivo do melhoramento para as espécies autogâmicas é a constituição de variedades baseadas em linhas puras.

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2.2.4 Espécies de propagação vegetativa - Tipo de propagação bastante comum nas plantas superiores; - Partes das plantas utilizadas: utilizadas: tubérculos, bolbos, estolhos e outros órgãos vegetativos; - Compreendem quase todas as fruteiras, quase todas a plantas ornamentais e algumas plantas herbáceas. Características: 1) altamente heterozigóticas com alto grau de segregação quando propagadas por semente; 2) reproduzem o genótipo com grande precisão, permitindo obter, independentemente do grau de heterozigose do genótipo, um número infinitamente grande de indivíduos geneticamente idênticos. 

Objectivos do melhoramento: procurar reproduzir genótipos recombinantes de valor agronómico, entre as plantas obtidas por semente e procurar obter mutações somáticas, quer naturais quer induzidas.

2.2.5 MECANISMOS NATURAIS QUE FAVORECEM A ENDOGAMIA São em geral mais simples que os mecanismos que favorecem a polinização cruzada: 1) Cleistogamia (flores hermafroditas):

• As flores encontram-se fechadas no momento da polinização, deste modo, as sementes só podem ser derivadas de autofecundação; • A precisão com que actuam os mecanismos de autofecundação dependem de factores genéticos e de factores ambientais; • O grau ou percentagem de cruzamento varia com as características ambientais do local onde se encontram as plantas; 2) Monoicismo:

• O sexo feminino e masculino encontram-se na mesma planta mas em flores diferentes. Embora nem sempre, o monoicismo signifique que a espécie é prevalecentemente autogâmica, esta situação pode favorecer a autofecundação, desde que não estejam presentes formas de autoincompatibilidade. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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2.2.6 MECANISMOS NATURAIS QUE FAVORECEM A ALOGAMIA 1) Dioicismo

• Sexo masculino e feminino em plantas diferentes; 2) Flores heteromórficas

• A fecundação é cruzada entre diferentes tipos de flores, porque: (i) o estilo e o filamento dos estames tem cumprimentos diferentes; (ii) a parte feminina e masculina tem posições diferentes na mesma flor 3) Flores homomórficas

• Encontram-se em plantas hermafroditas que não conseguem produzir frutos e sementes por autofecundação devido a:  Dicogamia  Dicogamia:

(i) (ii)

protandria: flores masculinas amadurecem para a fecundação, antes das flores femininas; Protoginia: flores femininas amadurecem para a fecundação, antes das masculinas.

 Incompatibilidad  Incompatibilidadee :

É um sistema de controle genético para forçar a polinização cruzada que opera a nível da relação de compatibilidade entre o pólen e o pistilo. Esta relação de incompatibilidade envolve processos bioquímicos de base genética.

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4) Incompatibilidade: (i)

gametofítica (controle genético): quando o tecido do pistilo tem um alelo igual ao do grão de pólen, não se pode desenvolver. Só se desenvolve quando tiver um alelo diferente. Neste tipo de incompatibilidade, não há diferenças entre cruzamentos recíprocos. Ex: se o estigma (diplóide) for s1s2, o tubo polínico (haplóide) que for s1 ou s2 não se pode desenvolver. Só se desenvolve quando for s3, s4, etc. As plantas resultantes serão sempre heterozigóticas para o locus s. Dois genótipos podem ser: (-) completamente incompatíveis (s1s2 * s1s2) ou; (+) parcialmente incompatíveis (s1s2*s1s3) ou; (++) plenamente compatíveis (s1s2 * s3s4).

Ε  Ε  s1s2 s1s3 s1s4 s2s3 s2s4 s3s4

s1s2 + + + + ++

s1s3 + + + + +

Γ  Γ  s1s4 + + ++ + +

s2s3 + + ++ + +

s2s4 + ++ + + +

s3s4 ++ + + + + -

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(ii)

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Incopatibilidade esporofítica: quando se verificam relações de dominância mais ou menos complexas entre os alelos, tanto no pólen como no tecido estigmático. Neste tipo de incompatibilidade, há diferenças entre cruzamentos recíprocos, podendo ser de sistema heteromórfico ou homomórfico: Sistemas heteromórficos:

Apresentam diferenças morfológicas nas flores associadas a reacção de incompatibilidade que é monofactorial (controlada por um gene) e, é a planta mãe que confere a reacção de incompatibilidade. Ex: Prímula: Plantas com anteras mais altas que qu e o estigma, tem o genótipo Ss; plantas com estigma mais alto que as anteras tem genótipo ss: antera (Γ ) estigma (Ε ) 

filete  

estilete

 

ss

ovário

Ss

- União possível (Γ Ss Ss * Ε ss ss) = Ss + ss; (Γ ss  - União impossível ss * Ε ss ss) por factores morfológicos e genéticos; (Γ ss  - União possível ss * Ε Ss Ss) = Ss + ss; (Γ Ss  - União impossível Ss * Ε Ss Ss) factores genéticos. 

por

Sistemas homomórficos :

Não há diferenciação morfológica das flores e o controle da reacção de incompatibilidade é monofactorial polialélico. po lialélico. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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5) Macho – esterilidade ou Androesterilidade: É caracterizada pela presença de gâmetas masculinos não funcionais. Existem 3 tipos de macho-esterilidade:

• Macho-esterilidade genética; • Macho-esterilidade citoplasmática; • Macho-esterilidade genético-citoplasmática (i)

Macho-esterilidade genética:

• Utiliza-se muito para a produção de híbridos, pois evita o trabalho de emasculação manual. É determinado por um só gene. • A condição é em geral recessiva e a planta macho-estéril conserva-se através do cruzamento com plantas macho-férteis heterozigóticas. • Metade da progénie será macho-estéril e a outra metade machofértil:

ms ms

*

(Γ -estéril) -estéril)

Ms

MsMs

(Γ -fértil) -fértil)

Ms ms

100% -fértil Γ -fértil

ms ms

*

Ms ms

ms ms 50% Γ -estéril -estéril Ms ms 50% Γ -fértil -fértil

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(ii)

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Macho-esterilidade citoplasmática:

• Este sistema de esterilidade está ligado a factores citoplasmáticos, plantas com um determinado citoplasma são macho-estéreis e só podem produzir semente na presença de plantas polinizadoras. • As sementes resultantes da F1 entre uma planta de citoplasma macho-estéril e o pólen de um outra planta dá origem a plantas macho-estéreis porque o citoplasma destas plantas é fornecido pelo gâmeta feminino (macho-estéril). • A manuntenção da linha macho-estéril é feita através do cruzamento de uma linha macho-estéril com uma linha machofértil. • A progénie duma planta macho-estéril nestas condições é sempre macho-estéril, qualquer que seja o genótipo da planta polinizadora.

N

S

S

*

-estéril Γ -estéril

-fértil Γ -fértil

100% -estéril Γ -estéril citoplasmático

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(iii) Macho-esterilidade genetico-citoplasmática:

• Difere do tipo anterior pelo facto de a progénie das plantas de citoplasma macho-estéril não ser necessariamente machoestéril, dependendo do genótipo da planta polinizadora. • Os progenitores macho-férteis capazes de dar uma F1 machofértil possuem um gene que permite a produção de pólen fértil na planta com citoplasma macho-estéril. Esses genes chamamse genes restauradores (R). • Os genes restauradores apresentam relações de dominância ( R é dominante em relação a r). • citoplasma da progénie é sempre determinado pelo citoplasma da planta-mãe, mas a transmissão da macho-esterilidade neste caso depende também da forma em que se encontra o gene restaurador na planta polinizadora. Ε  Ε  (macho-estéril)

Γ  Γ  (macho-fértil)

progénie S

S

N rr

*

rr rr

100% macho-éstéril

S

S rr

*

S Rr

RR

100% macho-fértil

S

N rr

*

S Rr

RR

100% macho-fértil F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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Ε  (macho-estéril)

Γ  Γ  (macho-fértil)

S

N rr

*

progénie S Rr

Rr

50% macho-fértil

S

S rr

*

S rr

Rr

50% macho-estéril

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2.3 DETERMINAÇÃO DO TIPO DE REPRODUÇÃO E DA TAXA DE CRUZAMENTO EM CONDIÇÕES NATURAIS • É muito importante para o melhoramento. • Conhecidos para grande parte das espécies cultivadas. • Varia com as condições ambientais dentro da espécie ou do cultivar. • procedimento para a determinação do tipo de reprodução: - exame floral - cultivo de indivíduos isolados e exame da descendência. 2.3.1 Exame floral

• Ausência de nectários, glândulas secretoras, órgãos petalóides; e existência de estigmas plumosos indica polinização não entomófila ⇒ autofecundação preponderante. • Verificação de dicogamia ou de monoicia sugere fecundação cruzada, assim como cleistogamia indica a autofecundação. 2.3.2 Cultura de indivíduos isolados e exame das descendências:

• Cultivar isoladamente plantas individuais e observar se produzem ou não semente. - Caso não produza: a espécie é provavelmente alogâmica; - Caso produza: espécie pode ser autógama, mas mas também pode ser alógama com percentagem relativamente elevada de auto fecundação (ex: milho) ou as sementes podem não ter origem sexual (apomixia) • efeito da autofecundação no fenótipo poderá dar uma indicação de autogamia. Se a autofecundação se efectuar sem redução aparente do vigor, a espécie será provavelmente autógama. 2.3.3. Determinação da taxa de cruzamento natural (TFC) Determina-se para ambientes específicos (zonas ecológicas) quando se cultivam juntos genótipos diferentes. Consiste no uso duma linha com marcador recessivo monogénico (a), semeada em minoria e intercalado com outra linha de alelo dominante (A). A semente da primeira geração obtida por polinização livre é colhida nos indivíduos do gene marcador recessivo, semeada e as descendências F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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obtidas na segunda geração são classificadas quanto a característica fenotípica do gene marcador. A taxa de fecundação cruzada (TFC) será igual a proporção de descendências fenotipicamente dominantes. 2ª geração 1ª geração: A A A a (1) A A A A

a A A A A A A A

(2)

A A A A A A a (3) A

A A A A A A A A

a = plantas marcadas marcadas (aa) A = plantas não marcadas (AA ou Aa)

(1) aa aa aa aa Aa aa aa aa aa aa 5%

(2) aa Aa Aa aa aa aa aa aa aa aa 10% TFC = 5%

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(3) aa aa aa aa aa aa aa aa aa aa 0%

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CAP. III:

3 GENÉTICA DE POPULAÇÕES E BIODIVERSIDADE 3.1 Revisão de conceitos básicos da genética de pop populações ulações

Definições: •  População • População mendeliana • População local • Pool gênico •  Selecção •  Fitness • Frequências genotípicas e gênicas Modelos da estrutura de populações: • Modelo clássico • Modelo balanceado Processos de mudanças evolutivas Potencial reprodutivo

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3.2 A lei de Hardy-Weinberg

Também conhecida como equilíbrio de Castle-Hardy-Weinberg (CHW), afirma que numa população muito grande onde todos os indivíduos cruzam-se entre eles de todas as maneiras possíveis e com a mesma quantidade de cruzamentos (Panmixia), as frequências dos genótipos e dos alelos no curso das gerações não mudam. Esta lei foi publicada em 1908 pelo biólogo Inglês Hardy e matemático Alemão Weinberg (mas antes, o cientista Americano Castle havia chegado às mesmas conclusões). Segundo esta lei, se um tipo de gâmeta A, tem uma frequência p, de modo que f(A) = p e, o outro tipo de gâmeta com o seu alelo a, tem frequência q, f(a) = q, tal que (p+q)2 = 1 ou seja f(A)+f(a) = 1, os genótipos na progénie que se produz neste cruzamento são: AA, Aa e aa nas proporções p2 + 2pq + q2. Estas quantidades podem ser calculadas de acordo com o desenvolvimento desenvolvimento do binómio de Newton: (p+q)2. Se numa população com dois alelos f(A) = p = 0.7, significa que f(a) = 0.3 e as proporções dos genótipos esperados são: (0.7A + 0.3a)2 = 0.49AA + 0.42Aa + 0.09aa. Se numa população se observa estas proporções, significa que se verifica a lei de CHW e, por isso, a frequência deste gene não muda no curso de gerações e, portanto, a mesma população não está a evoluir. Para este gene, a população está em equilíbrio estável com o ambiente, não havendo condições para evoluir pelo menos para este par de alelos.

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3.2.1 Exemplo numérico do equilíbrio CHW CHW Foi observada na Rússia uma população de raposas de 14 345 indivíduos, destes 12 eram de pêlo preto, 13 655 de pêlo vermelho e 678 de cor intermédia. Assumindo que um par de alelos A e a, controla as cores e os genótipos aa, AA e Aa com frequências genotípicas observadas R, D, e H calculadas como f(R) = 12 / 14 345 = 0.0837%; f(D) = 13 655 / 14 345 = 95.19% e f(H) = 678 / 14 345 34 5 = 4.726%.

Hipóteses: Ho: A população está em equilíbrio CHW Ha: a Ho não é verdadeira Frequências alélicas: f(A) = p = f(D) + ½ f(H) = 0.975531544 f(a) = q = f(R) + ½ f(H) = 0.024468456

Frequências genotípicas esperadas: (p +q)2 = (0.024468456 a + 0.975531544 A) = 0.000598705 aa + 0.047739501Aa + 0.951661794 AA

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3.2.2 Teste χ2 : Através deste teste por cada classe fenotípica, se pode calcular se os valores observados ( O) são aproximados aos valores esperados (E) (E = frequência esperada * total de indivíduos na população). O χ2 calculado é comparado com χ2 crítico ou tabelado a nível de significância de 0.05  e a graus de liberdades do número de classes fenotípicas menos um. Classes fenotípicas Preto Intermédio Vermelho Total

Valor Observad o 12 678 13655 14345

Valor Esperad o 8.588428 684.8231 13651.59 χ2 cal =

(O-E)2 / E 1.355175 0.067981 0.000853 1.424009

χ2 crítico = χ2 (gl=3-1) α=0.05= 5.99. Dado que χ2 cal < χ2 crit , Aceita-se a hipótese nula. Significa que a população se encontra em equilíbrio CHW.

Se a população está em equilíbrio CHW, significa que a partir de quaisquer frequências, sejam alélicas ou genotípicas, todas as outras frequências podem ser calculadas. Por ex., se a frequência de a é 0.7, significa que f(A)=0.3 e f(AA)=0.09.

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3.3 Selecção

É uma força evolutiva primária, permite que um alelo se desenvolva com grande rapidez no curso das gerações. Sem selecção, um novo alelo formado através da mutação pode ficar presente na população durante muitas gerações mas em quantidade pequena ou quase nula. Com base nesta força evolutiva se pode considerar vários modelos de selecção. 3.3.1 Selecção contra aa Neste modelo os genótipos aa são desfavorecidos em relação a AA e Aa. Os genótipos que tem o alelo A, tem a capacidade de viver e gerar progénie sem problemas, enquanto que o genótipo aa não produz progénie na sua totalidade, i.e., nem todo o seu potencial reprodutivo se pode exprimir. Uma certa quantidade s, por ex., 40% das plantas ou das suas potencialidades, não consegue gerar progénie, só (1-s) ou (1 – 0.40 = 0.60) desenvolve-se normalmente. Enquanto que os genótipos AA e Aa que tem o mesmo fenótipo, reproduzem-se normalmente. Assim a adaptação “Fitness” para os três genótipos, AA, Aa e aa, será respectivamente 1, 1 e 1-s. As proporções iniciais dos três genótipos depois duma geração mudam como é indicado na tabela seguinte: Genótipos Frequências iniciais Fitness Freq. depois da selecção (freq. relativa a unidade)

AA (D) p2

Aa (H) 2pq

aa (R) q2

Total 1

1 p2

1 2pq

1-s q (1-s)

1-sq2

p2 / (1-sq2)

2pq / (1sq2)

(q2 (1-s)) / (1-sq2)

2

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1

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A soma das frequências iniciais é 1 = p2 + 2pq + q2, a soma das frequências depois da selecção é 1-sq2, e, em termos unitários os três genótipos encontram-se na quantidade indicada na última linha da tabela acima. As novas frequências dos alelos A e a, depois duma geração da selecção, indicadas como f( A)´ e f(a)´, podem ser assim calculadas: f(A)´ = p´ = D´ + ½ H´ = f (AA)´ + f(Aa)´/2 e, f(a)´ = q´ = R´ + ½ H´ = f(aa)´ + f(Aa)´.

Assim:

f(a)´ = q´ = (q2 (1-s)) / (1-sq 2) + ½ * 2pq / (1-sq2) = = (q2 (1-s) + pq)/( 1-sq 2)

A mudança de frequência do alelo a numa geração de selecção é: ∆q = f(a)´ - f(a) = q´ - q = (q 2 (1-s) + pq)/( 1-sq2) – q = =- sq2 (1 – q) / (1-sq2)

A relação ∆q, pode ser simplificada eliminando o denominador (1sq2)  se o s  for pequeno (< 0.3), porque a quantidade sq2  será próximo de zero: ∆q = - sq2(1–q)

Esta relação com sinal negativo, significa que a mudança vai diminuir a frequência do alelo a  no curso de gerações. Esta mudança é máxima quando a frequência do alelo a é q = 0.6. ∆q = -sq2(1–q), máximo ∆q ⇒ ∆´q = 0 ∆´q = (-sq2(1–q))´ = (-sq2+sq3)´ = - 2sq + 3sq2 = 0 ⇒ sq(-2 + 3q) = 0 ⇒ -2 +3q = 0 ⇒ q = 2/3 = 0.6

Se a população tem este tipo de selecção, o destino é o fim do polimorfismo, porque o alelo a desaparece, f(a) = 0, enquanto que o alelo A aumenta até se fixar, f(A) = 1. Desde o princípio até a extinção do alelo a, a população apresenta um polimorfismo transitório. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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Exemplo numérico: Numa população s = 0.20, p = 0.60, q = 0.40. Genótipos AA Aa aa Total Frequências 0.36 0.48 0.16 1 iniciais Fitness 1 1 0.8 Freq. depois da 0.36 0.48 0.128 0.968 selecção (Freq. relativa a 1) 0.3719008 0.495867769 0.132231405 1 f(a)´ = 0.132231405 + ½* 0.495867769 = 0.380165289 e, ∆q = 0.380165289 - 0.40 = - 0.019834711 ou ∆q = - sq2(1–q) = - 0.20 * (0.40)2 (1 – 0.4) = - 0.0192 3.4 Selecção contra os genótipos AA e Aa Neste modelo de selecção o alelo A é dominante sobre a. por isso, os dois genótipos AA e Aa tem o mesmo fenótipo. A situação é mostrada na tabela abaixo:

Genótipos Frequências iniciais Fitness Freq. depois da selecção Freq. relativa a unidade

AA Aa 2 p 2pq 1-s 1-s p2 (1-s) 2pq (1-s)

aa q2 1 q2 

Total 1 1-s(1-q2)

p2 (1-s) / 2pq (1-s) / q2 / 1-s(1-q2) 1-s(1-q2) 1-s(1-q2)

1

Assim como foi feito no modelo anterior, se pode demonstrar que a frequência do alelo a depois da selecção agir (ou na geração seguinte) é:

∆q = sq2 (1-q) / 1-s(1-q 2) Significa que em cada geração a frequência do alelo a aumenta, porque o sinal é positivo, até chegar a fixação deste alelo em desfavor do outro (A) que se extingue (f(A) = p = 0) . Esta relação se pode simplificar eliminado o denominador, assumindo que s é pequeno como no caso anterior, assim:

∆q = sq2 (1-q) Esta quantidade é máxima quando f(a) = q = 0.33  e diminue quando q < ou > este valor. Note-se que esta relação é diferente daquela do modelo F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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anterior apenas pelo sinal. Também neste caso, trata-se dum polimorfismo transitório onde um alelo se fixa e outro se extingue.

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Selecção contra o alelo a com aditividade na fitness Neste caso, o genótipo Aa é intermédio em relação aos genótipos AA e aa, em termos da “fitness”. O modelo é o seguinte:

Genótipos Frequências iniciais Fitness Freq. depois da selecção Freq. relativa a unidade

AA p2 1 p2

Aa 2pq 1-s/2 2pq (1-s/2)

aa q2 1-s 2 q (1-s)

p2 / 1-sq 2pq (1-s/2) / q2 (1-s) / 1-sq 1-sq

Total 1 1-sq 1

Pondo um valor qualquer de s, AA não sofre selecção, enquanto que Aa tem tem a fitness que é metade entre os homozigóticos. Por ex., se s = 0.20  os três genótipos tem fitness de 1, 0.9 e 0.8  respectivamente em relação ao número dos alelos A. Neste caso trata-se de aditividade na adaptação. Também nete caso, se pode demonstrar que a frequência do alelo a, f(a) = q, sempre diminui até a extinsão, pois o sinal de ∆q é negativo:

∆q = - ½ sq2 (1-q) / (1-sq) ou com a simplificação, eliminando o denominador:

∆q = - ½ sq2 (1-q) Esta mudança é semelhante aquela que vimos nas selecções contra os genótipos AA e Aa. Também neste caso, o sinal é negativo e significa que em cada geração a frequência do alelo a baixa até atingir o valor zero.

3.5 O destino do alelo nos precedentes tipos de selecção Os modelos estudados até agora (selecção contra aa, selecção contra os genótipos AA e Aa e selecção contra o alelo a (aditividade na fitness)), tem um ∆q  claramente positivo ou negativo. Significa que, o alelo a aumenta ou diminui até fixar-se ou extinguir-se na popilação e, de maneira complementar se comporta o alelo A. Desenvolvendo a fórmula ∆q = - sq2 (1-q), sendo s = 0.20, no curso de gerações a frequência do alelo a tem um comportamento indicado no gráfico abaixo: F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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1

Selecção contra os dominantes

f(a)

Selecção contra os recessivos

0.5 s = 0.2 0

50

100

200

300

nº de gerações

Se pode notar que o destino do alelo a  é a sua redução no curso de gerações até próximo de zero, o que significa que vai extinguir-se. No gráfico acima, não foi desenhada a curva do alelo A que vai aumentando até atingir a unidade, quer dizer, até se fixar. Se pode notar também que, quando a selecção é contra os recessivos a diminuição é mais rápida com a frequência de 0.66 e que, quando a selecção é contra os dominantes a diminuição vai ser com mais rapidez com a frequência de 0.33, como já foi demonstrado.

3.6 Selecção a favor dos heterozigóticos Aa Neste modelo particular, ambos os homozigóticos estão em desvantagem a favor do heterozigótico. Neste caso, acontece que os alelos A e a ficam na população de maneira estável, porque as suas frequências chegam a um equilíbrio que não muda mais no curso de gerações. Por isso, parece que a população fica em equilíbrio CHW, onde as forças evolutivas estão ausentes, no entanto a selecção age contra os homozigóticos.

Genótipos Frequências iniciais Fitness Freq. depois da selecção Freq. relativa a unidade

AA p2

Aa 2pq

aa q2

Total 1

1-s1 p2 (1-s1)

1 2pq

1-s2 q2 (1-s2)

1-p2s1-q2s2

p2 (1-s1) / 1-p2s1-q2s2

2pq / 1-p2s1-q2s2

q2 (1-s2) / 1-p2s1-q2s2

1

f(a)´ = R´+ ½ H´ = (q 2 (1-s2) / 1-p2s1-q2s2) + ½ (2pq / 1-p 2s1-q2s2 F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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e f(a) = R` + 1/2 H` = ((q 2(1-s2) / 1 - p2s1 - q2s2) + 1/2 (2pq / 1 - p 2s1) = = (q - q2s2) / (1 - p 2s1) A variação de f(a) depois duma geração é:

∆q = pq (s1p - s2q) / (1 - p2s1 - q2s2) Neste caso ∆q pode ser positivo ou negativo dependendo da quantidade (s1p - s2q) que aparece no numerador. Quando s1p > s2q, ∆q tem o sinal positivo e f(a) aumenta de geração em geração. Quando s1p < s2q, ∆q é negtivo e f(a) diminui. Se s1p = s2q, significa que ∆q = 0, quer dizer que, a frequência de a, f(a), duma geração a outra não muda e, como já foi referenciado, parece que a população fica em equilíbrio de CHW duradoiro, enquanto que existe este tipo de selecção contra os homozigóticos.

Polimorfismo balanceado (estável) No polimorfismo transtório, está presente uma selecção que baixa ou aumenta as frequências alélicas, com sinal sempre positivo ou negativo, até se fixar ou extinguir o alelo (selecção direccional) mas, quando a selecção favorece o heterozigótico, ambos os alelos ficam na população e, assim, mantém-se o polimorfismo. Se pode demonstrar que os alelos no curso de gerações chegam a um equilíbrio estável que depende apenas dos valores dos coeficientes de selecção, s1 e s2. O valor de f(a) = q , quando a população atinge o equilíbrio, se pode calcular considerando que, neste caso s1p = s2q ou s1(q-1) = s2q, daqui se obtém que a frequência é:

^q = s1 / (s1+s2) e ^p = s2 / (s1+s2) Um exemplo clássico deste tipo de polimorfismo, na população humana dá-se com a grave doença da anemia falciforme (siclémica), que mata crianças antes de atingirem a adolescência, causada por uma alteração dum dos aminoácidos da hemoglobina nos glóbulos vermelhos. Em princípio, a doença deveria acabar no curso de gerações porque é seleccionada contra: o valor adaptativo (= fitness) dos indivíduos afectados é nulo. Mas em algumas regiões da África a frequência desta doença mantém-se no tempo. Este facto se verifica porque os heterozigóticos (portadores da anemia) tem uma vantagem sobre os indivíduos homozigóticos (normais ou livres da anemia) em relação a doença da malária, por isso, as duas doenças são balanceadas entre si. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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No mundo das plantas, este polimorfismo foi identificado em populações onde a semente tem a cor clara ou escura. A semente de plantas que se encontram em lugares húmidos tem a cor mais escura do que daquelas plantas que se encontram em lugares pouco húmidos (ou secos). Os passarinhos comem mais a semente clara num sítio molhado, enquanto que por outro lado comem mais a semente escura num sítio seco porque se pode ver melhor. Um conjunto de plantas que vivem numa área com ambas condições de humidade porporciona um polimorfismo balanceado (estável).

Exemplo numérico do equilíbrio balanceado Considerando que s1 = 0.4 e s2 = 0.15: o equilíbrio se obtém quando ^q = s1 / (s1 + s2) = 0.4 / (0.4 + 0.15) = 0,727273 , então quando a frequência do alelo a é igual a este valor, a população não muda mais nas suas frequências alélicas ∆q = 0. Entretanto, na fórmula ∆q = pq (s1p s2q) / (1 - p2s1 - q2s2) , se pode calcular que quando q > 0,727273, o ∆q < 0, enquanto que, se q < 0,727273 o ∆q > 0 e, os valores de ∆q tem um comportamento representado no gráfico seguinte: +

∆q 0.7273 0 .1

.2

.3

.4

.5

.6

.7

.8

.9

1.0

No curso de gerações, as frequências tendem a chegar ao ponto de equilíbrio, como indicado na figura pelas setas. Uma vez atingido o equilíbrio, as frequências dos alelos A e a não mudam e a população mantém ambos alelos sem mudança no curso do tempo.

3.6.1.1 Selecção quando o heterozigótico é desfavorecido Este modelo de selecção, existe basicamente só em princípio e, talvez na natureza em algum caso específico. É um tipo de selecção que favorece os homozigóticos e, por fim, permitindo a subdivisão duma população em subpopulações, assim, tem importância no processo de especiação (formação de novas espécies). F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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Genótipos Frequências iniciais Fitness Freq. depois da selecção Freq. relativa a unidade

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AA Aa p2 2pq 1 1-s p2 2pq(1-s) p2 / 2pq (1-s) (1-2pqs)  / (1-2pqs)

aa q2 1 q2 q2 / (1-2pqs)

Total 1 1-2pqs 1

∆q = 2pqs(q+1/2) / (1-2pqs) ou simplificando: ∆q = 2pqs (q+1/2)

Quadro resumo dos modelos teóricos de selecção: Genótipos e Modelo de selecção fitness AA Aa aa 1) contra aa 1 1 1-s 2) contra AA e Aa 1-s 1-s 1 3) contra  a  com 1 1-s/2 1-s aditividade na fitness 4) contra AA e aa 1-s1 1 1-s2 5) contra o Aa

1

1-s

1

∆q em cada geração ≈ - sq2(1-q) ≈ + sq2 (1-q) ≈ - ½ sq2 (1-q)

= pq (s1p - s2q) / (1 - p2s1 - q2s2) ≈ 2pqs(q+1/2)

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CAP. IV: GENÉTICA QUANTITATIVA (rever a introdução a genética quantitativa) Quando se encontra características monogénicas (ou qualitativas), os modelos de selecção que foram apresentados no capítulo anterior, podem ter importância para o melhoramento das plantas. O melhorador pode favorecer o aumento ou a diminuição dum alelo no curso de gerações, podendo contrastar aquilo que se encontra na natureza. Porém, a maioria das características agronómicas são devidas aos efeitos poligénicos, i. e., mais dum gene controla o fenótipo da plantas no cultivo (características quantitativas). Com base nestas características, controlados por um sistema poligénico, se distingue três tipos de selecção: 1. Selecção direccional: Uma das extremidades da distribuição normal ( DN) é favorecida no curso de gerações, por isso, em cada geração a característica vai aumentar ou diminuir e a população muda, de cada vez um pouco em cada geração até formar uma nova população. Este tipo de selecção é aquele que se encontra no processo de domesticação das espécies. Em cada lugar depois da migração do material genético, devido ao transporte pelo homem, encontram-se populações que alcançam boa adaptação no curso das gerações. O ambiente, entendido como clima, solo e conjunto de plantas ou ecossistema, representa o factor que vai seleccionar. Os genótipos que tiveream a fitness mais baixa não se reproduzem, enquanto que aqueles que tiverem maior adaptação vão produzindo mais semente e se acrescentam ainda mais. Por isso, cada população originada por um longo processo de adaptação num determinado lugar (ecótipo), apresenta um recurso genético de grande valor pelos genes que tem e que podem ser utilizados na constituição de novas variedades de plantas.

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Po:

µ

s

Pn:

µ´ 2. Selecção estabilizante: Acontece quando os fenótipos que se encontram em ambas extremidades da DN, tem menor valor em relação aqueles que tem valor médio e que estão presentes com maior frequência. Assim, a população mantém a mesma média, no curso do tempo.

Po:

µ´

Pn:

µ´ F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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3. Selecção separadora: encontra-se quando os fenótipos mais heterozigóticos não sobrevivem tão bem como os homozigóticos. Numa DN, são os indivíduos que ficam na parte central que não produzem ou produzem pouca progénie. Como consequência, os indivídiuos que se encontram na extremidade positiva e negativa reproduzem-se mais, até cjhegar a duas populações divergentes entre elas. Se este tipo de selecção vai continuando, formam-se duas novas espécies. É o tipo de selecção que deu origem às espécies (especiação) a partir duma única população.

Po:

µ´

Pn:

µ´1

µ´2

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Resposta a selecção Um problema prático que o seleccionador pode enfrentar, é o de não puder determinar de imediato, se escolhendo uma parte de plantas que se encontram numa cauda da distribuição de Gauss ou DN, se pode obter um bom resultado ou, melhor seria manter a população assim como se apresenta. Seleccionando as plantas maiores (p. ex. mais produtivas), temos que seleccionar a cauda positiva ( +) duma DN ou parte dela (figura a seguir). Por isso, esperamos obter na próxima geração, uma população que tem a média R (=resposta a selecção), tal que: R = S. Esta relação R = S, é valida se a característica a seleccionar tem uma base exclusivamente aditiva e, se também os efeitos genótipo x ambiente estão ausentes.

Po:

µ

S Aditividade significa que cada alelo num locus é heradado na progénie, de maneira que o seu efeito seja adicionável com outros para formar um conjunto de alelos positivos ( +).

P1:

R Significa também que não existem efeitos de dominancia, nem efeitos epistáticos, nem efeitos maternos (extranucleares) que podem mudar ou afectar o comportamento aditivo. De facto, melhores pais produzem bons filhos, mas às vezes podem produzir filhos muito diferentes, se assim acontece, significa que a característica não é aditiva e o ambiente muda o que se espera dos filhos. Assim sendo, a relação precedente deve ser: R = S*H, onde H representa o coeficiente de herdabilidade (no sentido lato), geralmente < 1, que toma em consideração estas mudanças em relação a aditividade. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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A diferença entre a S  e a média da população inicial µ, chama-se diferencial selectivo. Por isso, quanto maior for esta diferença, mais elevado seria o R. Mas, na DN  os extremos tem baixa percenatgem de indivíduos (ou plantas) e por isso, existe o risco de uma ou poucas plantas, facto que pode causar efeito da homose ou depressão pelo inbreeding, devido ao endocruzamento. Então o melhorador tem de decidir qual é a parte mais pequena que deve reproduzir sem correr tal risco. A relação precedente pode ser assim escrita: R/ σ = S*H/ σ, considerando de a intensidade de selecção é definida como sendo: i = S/ σ, a relação pode ser apresentada como sendo:

R = i*H*σ Está fórmula é básica para os programas de melhoramento. A intensidade de selecção i  é em relação à percentagem de plantas a seleccionar, enquanto que o coeficiente de herdabilidade H e o desvio padrão σ, são valores específicos por cada característica da população. Alguns valores de i em função da pecentagem de plantas a seleccionar dentro da população, cuja a característica considerada apresenta uma DN, estão mostrados na tabela abaixo:

i 2.64 2.42 2.05 1.76 1.55 1.4 1.27 1.16 1.06 0.97 0.88 0.8 2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 % 1 Exemplo numérico: A experiência do East 3.6.1.2 Atitude à combinação geral e específica Chama-se atitude combinatória geral ( ACG), ao valor que permite fazer uma avaliação da combinação dum genótipo cruzado com um determinado número de outros genótipos e, atitude combinatótia específica (ACE), ao valor que permite avaliar a combinação dum cruzamento entre dois genótipos específicos. A aditividade no efeito dos alelos e dos genes pode ser encontrado no caso da ACG, enquanto que, na ACE podem ser encontrados efeitos não aditivos tais como, o efeito da dominância e da epistasia ou o efeito materno.

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Considere a tabela abaixo que mostra os valores duma característica quantitativa qualquer, obtidos na progénie que resulta da combinação entre 5 linhas puras (A até E), mas também podia ser uma só planta ou quaisquer populações. Esta combinação chama-se dialélica, no qual uma linha é cruzada com várias outras linhas na disposição como nesta tabela.

A A X11 B X21 C X31 D X41 E X51 Total ∑Xi1

B X12 X22 X32 X42 X52 ∑Xi2

C X13 X23 X33 X43 X53 ∑Xi3

D X14 X24 X34 X44 X54 ∑Xi4

E X15 X25 X35 X45 X55 ∑Xi5

Total ∑X1j ∑X2j ∑X3j ∑X4j ∑X5j ∑Xij

Média αi  /ni ∑X1j /ni - ∑Xij /n  /nij ∑X1j /n ∑X2j /ni ∑X2j /ni - ∑Xij /nij ∑X3j /ni ∑X3j /ni - ∑Xij /nij  /ni ∑X4j /ni - ∑Xij /n  /nij ∑X4j /n ∑X5j /n  /ni ∑X5j /ni - ∑Xij /n  /nij ∑Xij /nij = µ

3.6.1.3 O valor αi por cada linha é o efeito da atitude geral, calcula-se como diferença entre a média por cada pai menos a média geral µ: 3.6.1.4 3.6.1.5 AGC para o pai A ou AGC (A) = ∑X1j /ni - ∑Xij /nij, ou = ∑X1j /ni µ ACE (A*B) = Xij - µ - αiA - αiB Quando o dialélico tem cruzamentos recíprocos iguais, quer dizer A*B = B*A, onde o primeiro pai é Ε  e   e o segundo Γ , significa que não existem efeitos extracromossómicos e os genomas mitocondriais e plastidiais são iguais entre os pais e, os seus efeitos sobre os genes nucleares são os mesmos. Mas, às vezes este efeito não acontece porque os recíprocos são diferentes. O melhorador que tem que trabalhar com muitas linhas pode fazer uma simplificação, pressupondo que os efeitos extranucleares são iguais, desta maneira, simplifica-se bastante o trabalho de cruzamento. Se temos n linhas, o número de cruzamentos será n(n-1), porque n  são endocruzamentos (ex. A*A). se se omite os recíprocos, o número de combinações se reduz a n(n-1)/2  e, mesmo esta quantidade é muito quando n for elevado. A ACG e a ACE  se pode calcular a partir dum cruzamento, e também omitindo a auto fecundação dos pais. Este método é usado quando os pais são linhas puras muito fracas, como nas espécies alogâmicas.

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Exemplo numérico: A A 15 B 20 C 18 D 16 E 21 Total 90

B 20 14 20 18 15 87

C 18 20 20 17 22 97

D 16 18 17 16 18 85

E Total Média αi 21 90 18 -0.2 15 87 17.4 -0.8 22 97 19.4 1.2 18 85 17 -1.2 20 96 19.2 1 96 455 18.2 = µ

ACG(A) = 18 - 18.2 = - 0.2 , neste caso o sinal é negativo. Significa que o pai A quando entra na combinação geral o seu efeito é negativo, ele baixa em 0.2 a média das progénies. O pai E, por sua vez, aumenta o valor da progénie em 1.0. Se o carácter considerado for produção, o valor dos pais em ordem decrescente será: C>E>A>B>D. Assim, se pode escolher os melhores pais nesta base genética devido aos efeitos aditivos. ACE(A*B) = 20 – 18.2 – (- 0.2) – (- 0.2) = 2.8 . Os valores de ACE se podem calcular por cada combinação e, como se pode verificar o valor máximo que é 22 no híbrido C*E é devido aos elevados valores de ACG nas linhas C e E e, também devido a ACE (C*E) que tem o valor 1.6. 3.7 Composição da variância genética Na fórmula da resposta a selecção, R = iHσ, quanto mais exacto for o valor de H, tanto mais é verdadeira a previsão de R. O coeficiente de heritabilidade, pode ser definido como a fracção genética da variância fenotípica. A variância fenotípica, é a soma das variações devidas ao genótipo mais aquelas ambientais. Num determinado lugar e num certo tempo, o ambiente influencia da mesma maneira os genótipos que aí se desenvolvem e, por isso, as comparações entre genótipos ou variedades devem ser feitas ao mesmo tempo e no mesmo lugar. A variância genética, é transmitida no curso de gerações de pais para filhos e é devida a genes que podem ter um efeito aditivo, √ad, mas também outros efeitos. Quando a quota genética da variância é só aditiva, a heritabilidade é mais valiosa e a previsão é melhor. A heritabilidade é, neste caso, no sentido F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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estreito, Hn, enquanto que é no sentido lato, Hb, quando todas as componentes da variância genotípica ficam no numerador.

Hb = (√ad + √dom + √ep + √mat + √int)/(√ad + √dom + √ep + √mat + √int + √amb) e

Hb = √ad / (√ad + √dom + √ep + √mat + √int + √amb) Considerando o caso de plantas autogâmicas, tendo em conta o par de alelos A e a dum locus, temos q ue o valor dos genótipos AA, aa  é por definição 2d, enquanto que o valor do genótipo Aa é h  medido como distância da média m entre AA e aa. Em termos gráficos temos:

aa 0

Aa -d

m

AA +d

h a a); onde: d – é a aditividade em relação ao alelo A = (AA – m) = (m – aa); h – representa a dominância entre alelos A e a = (Aa – m); m = ½ (aa+AA)  = média dos pais ou, = d(p2+q2) + 2pqh = média da população Exemplo numérico: temos duas linhas que produzem 32 e 10 gramas de semente cada planta. O seu híbrido, cultivado com os pais, produz 24 g. significa que a média dos pais é m = (32+10)/2 = 21  e em absoluto +d = -d = 32-21 = 11 ou 21 – 10 = 11 . O valor de h será 24-21 = 3. Se pode notar que sem o alelo A, o genótipo tem um valor baixo ( aa = 10). Com um alelo A, tem um valor intermédio ( Aa = 21). E com dois alelos A, tem o valor mais alto ( AA = 2d = 32). 3.8 Composição da variância na geração F2 No cruzamento de duas plantas autogâmicas (basicamente homozigóticas) AA e aa, a F1 e a geração F2 produz os genótipos abaixo representados.

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P:

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AA

F1: F2:

*

aa

Aa Genótipos Aa Freq. ¼ Valores -d Freq.*Valor ¼ (-d)

Aa AA Total ½ ¼ 1 H +d ½ (h) ¼ (+d) ½ h

A quantidade  ½h, para além de ser total é também média (que se obtém dividindo a mesma quantidade por uma unidade). A variância, calculada como o quadrado das diferenças dos valores entre a média é neste caso específico:

√F2 = ¼ (-d – ½ h) 2 + ½ (h – ½ h) 2 + ¼ (d – ½ h) 2 = ½ d2 + ¼ h2 Para todos os alelos que controlam características quantitativas, se pode definir: Σd2 = D  e Σh2 = H . Assim, temos como variância duma geração F2 o seguinte:

√F2 = ½ D + ¼ H Onde D  é a quota total de variância aditiva e H  é a quota total de variância de dominância.

Composição da variância na geração F3: Autofecundando a F2, temos a geração F3 com três famíliasque chegam dos genótipos aa, Aa e AA. Os genótipos entre parênteses representam o produto da segregação dos heterozigóticos:

F2: F3:

¼ aa + ½ Aa + ¼ AA ¼ aa + ½ (1/4 (1/4 aa + 1/2 Aa Aa + 1/4 1/4 AA) AA) + ¼ AA = ¼ h

A média desta população F3 é m = ¼ h. Desta geração em diante temos dosi tipos de variâncias em relação a proveniência das linhas: variância

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entre famílias e variância dentro de famílias, indicadas como σ2b e σ3w, respectivamente e, calcula-se como:

σ2b = ¼ (-d - ¼ h)2 + ½ (½ h – ¼ h)2 + ¼ (d – ¼ h)2 = ½ d2 + 1/16 h2 Tendo em consideração que Σd2 = D e Σh2 = H, significa que:

σ2b = ½ D + 1/16 H Junta-se a esta variância aquela que é devido ao ambiente Eb. A variância dentro das três famílias é:

σ2w = ¼ (0) + ½ (d2 + ¼ h2) + ¼ (0) Dentro das famílias homozigóticas aa e AA, a variância é zero porque não produzem variância genética depois da autofecundação, então:

σ2w = ¼ d2 + 1/8 h2 = ¼ D + 1/8 H Também neste caso se junta a variância devido ao ambiente Ew. Assim, o total da variância na geração F3 é:

√F3 = σ2b + σ2w = ¾ D + 3/16 H + Eb + Ew

Exemplo numérico: considere sementes que foram produzidas de plantas F2 duma espécie autogâmica, como amendoim, ervilhas, feijão ou trigo. Em cada cartucho temos semente duma planta. Temos de avaliar a variância para depois calcular a heritabilidade no sentido estreito e prever a resposta a selecção, R. Em primeiro lugar fazemos a sementeira planta – fila, i. e., cada fila de plantas no campo tem semetes de cada cartucho, daí obtemos uma F3. Imaginando que o terreno seja bastante uniforme, significa que não há necessidade de casualização, as variâncias ambientais Eb e Ew podem ser medidos directamente, por meio de linhas que não segregam em relação aos pais. Cada planta que se desenvolve, pode ser medida as suas características quantitativas como a altura, a data da floração ou a produção. Assim,

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podemos ter duas equações com duas icógnitas (Eb e Ew tem valores de 218 e 87 respectivamente e, σ2b = 5840 e σ2w = 3035). Calculando, se obtém que: D = 11061 e H = 1461. O coeficiente de heritabilidade no sentido estreito, para seleccionar linhas F2, se pode calcular excluíndo o Ew, a partir desta relação:

3.9 Hn = D/(D + H + Eb) = 0.868 Este valor é elevado e, a resposta a selecção para o carácter examinado, pode atingir o resultado esperado.

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DESENHOS GENÉTICO ESTATÍSTICOS PARA AS ESPÉCIES ALOGÂMICAS Através da genética biométrica, foram desenvolvidos desenhos experimentais de cruzamento que são considerados padrão. Estes modelos ajudam a elaborar os resultados de análise duma característica medida nas plantas em campo, sem ter que fazer o cálculo de variâncias aditivas e de dominância de cada vez, bastando saber como é feito o aranjo para os cruzamentos para cada modelo experimental a aplicar. Nestes modelos se toma em consideração que a população poderá ter alelos em equilíbrio, sem que necessariamente p = q  (ou f(A) = f(a) ). Para este caso, indica-se com R a situação de cruzamentos casualizados que caracterizam a aditividade e a dominância como DR e HR, respectivamente. E, uma vez calculadas as fracções DR e HR, através dum sistema de equações, se pode calcular o coeficiente de heritabilidade H da relação de resposta a seleção. Na prática os modelos mais utilizados são os seguintes: -

“BIPs” – Biparentais North Caroline Modelo I North Caroline Modelo II Dialélico Top Cross

“BIPs”: É também chamado por “Randomly mated biparental progenies” (progénies biparentais cruzados casualmente), consiste na avaliação das variâncias que se encontram entre e dentro das famílias obtidas do cruzamento casualizado de muitas plantas duma população. A semente que se obtém de cada planta, se separa doutras e é semeada em parcelas ou linhas. Se regista medidas de características de cada planta, de modo que, na análise de variância se tem as duas fontes de variação com as componentes médios esperados de variância:

Entre famílias = Dentro de famílias =

σ2w + mσ2b σ2w

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O m é o número de plantas por famílias. Uma vez estimadas as variâncias σ2w e σ2b, se pode calcular as fracções de aditividade e de dominância, segundo as relações seguintes:

σ2b = ¼ DR + 1/16 HR + Eb σ2w = ¼ DR + 3/16 HR + Ew As variâncias ambientais se devem calcular a partir doutro material, fazendo um aranjo no campo de tal maneira que se observe só a variância ambiental. No entanto, DR e HR  se calculam resolvendo o sistema de equações.

North Caroline Model I (NC mod I): Consiste em cruzar um certo número de plantas que funcionam como masculinas (m)  com um certo número de plantas que trabalham como femininas (f). Cada macho (ou fêmea) cruza um diferente grupo de fêmeas (ou machos) e, por cada cruzamentio se cria pelo menos dois filhos. Deste modo, se obtém: - Irmãos completos “full sibs” (tem o mesmo pai e a mesma mãe), que são as progénies de cada cruzamento; - Meio irmãos “half sibs” (tem só um pai comum), que é o conjunto de progénies que chegam dum só pai; - Progénie de casualização completa, que é o conjunto de progénies que chegam de diferentes pais. Cada uma destas componentes de variação tem uma fracção de variabilidade genética aditiva e de dominância e, também a variância ambiental. Na análise da variância onde considera-se que os machos ( m) são cruzados com um grupo de fêmeas ( f ) (como é o caso da fecundação artificial do gado), que gera uma progénie p, a tabela de análise de variância tem as seguintes fontes de variação, graus de liberdade e componentes médias esperadas:

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Fonte de G.L. variação Entre machos m-1 Entre fêmeas (f-1)m Entre (p-1)mf progéneis Total mfp - 1

SQ

QM

F

Comp. Méd. Esperadas * ou ** σ2w +pσ2F + pf σ2M * ou ** σ2w +pσ2F σ2w

X1 X2 X3

Assim, obtém-se o sistema de 3 equações com 3 icógnitas e com valores numéricos X1, X 2 e X3. X 1 e X2 tem de ser significativos através do teste “F”. Obtidas as estimativas de σ2w, σ2F e σ2M  se passa a analisar as fracções aditiva DR e de dominância H R, por meio das seguntes relações:

σ2w = ¼ DR + 3/16 HR + E σ2F = 1/8 DR + 1/16 HR σ2M = 1/8 DR Esquema do cruzamento NC mod I (Ex: 3 Ε s * 12 Γ s): s):

Γ  Γ1  Γ  Γ2  Γ  Γ3  Γ  Γ4  Total

Ε  Ε13 1  3 Full sibs Full sibs Full sibs Full sibs XΕ Ε13 1  3

Γ  Γ5  Γ  Γ6  Γ  Γ7  Γ  Γ8 

Ε  Ε14 1  4 Half Sibs Half sibs XΕ Ε14 1  4

Γ  Γ9  Γ  Γ10 1  0 Γ  Γ11 1  1 Γ  Γ12 1  2

Ε  Ε15 1  5 Full sibs Half Sibs Full sibs XΕ Ε15 1  5

North Caroline Modelo II (NC mod II): II ): Este modelo prevê cruzar uma série de organismos machos, com uma série de organismos fêmeas, de tal maneira que, cada organismo dum sexo seja cruzado com todos os outros de sexo oposto. A combinação estatística (factorial) é a mesma encontrada no delineamento de blocos casualizados, onde dentro do bloco se colocam as parcelas de todos os tratamentos. A diferença com o dialélico neste caso, é que as plantas masculinas são diferentes das femininas enquanto que, no dialélico cada planta trabalha ao mesmo tempo como feminina e masculina. O número de indivíduos a cruzar tem que ser bastante representativo da população a amostrar. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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Pelo menos, 30 indivídos da população tem de ser cruzados, se não o erro devido a deriva genética vai se evidênciar.

Fonte de G.L. SQ variação Entre fêmeas f-1 Entre machos m-1 Fêmeas * (f-1)(m-1) machos Entre mf(p-1) progénies Total mfp - 1

QM X1 X2 X3

F

Comp. Méd. Esperadas * ou ** σ2w + pσ2FM + pf σ2F * ou ** σ2w +pσ2FM + pm σ2M * ou ** σ2w + pσ2FM σ2w

X4

Se obtém um sistema de equações de 4 equações com 4 icógnitas. Onde os componentes aditiva e de dominância da variãncia genética se podem calcular como:

σ2M = σ2F = 1/8 DR σ2FM = 1/16 HR σ2w = ¼ DR + 3/16 HR + Ew Esquema do cruzamento NC mod II (Ex: 5 Ε s * 4 Γ s): s):

Γ  Γ \  Ε  Ε  F G H I Total

A XFA XGA XHA XIA X Ε ΕA 

B XFB XGB XHB XIB X Ε ΕB 

C CFC XGC XHC XIC X Ε ΕC 

D XFD XGD XHD XID X Ε ΕD 

E Total XFE X Γ ΓF  XGE X Γ ΓG  XED X Γ ΓH  XIE X Γ ΓI  GT X Ε ΕE 

Fórmulas (NC mod I e II): (1) Factor de correcção (FC): Onde: FC = GT/m*f GT = grande total m = nº de machos f = nº de fêmeas (2) Somatório dos quadrados totais (SQT): SQT = Σf i=1Σm j=1X2ij- FC F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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(3) Somatório dos quadrados das fêmeas (SQ Ε s): s): Onde:  F2 /m  F = total por fêmea SQΕ s = Σf i=1 F – FC i (4) Somatório dos quadrados dos machos (SQΓ s): s): Onde:  M 2 j – FC  M = total por macho SQΓ s = Σm j=1 M  (5) Somatório dos quadrados de fêmeas * machos (SQΕ *Γ ): ): SQΕ *Γ  =  = SQT - SQΕ s - SQΓ s (6) Quadrados médios (QM): QMΕ s = SQΕ s / (f-1) QMΓ s = SQΓ s / (m-1) QMΕ *Γ  =  = (SQΕ *Γ ) / (m-1)(f-1) (7) Valor do “F”cal: FΕ s = QMΕ s / QMΕ * Γ  FΓ s = QMΓ s / QMΕ *Γ  FΕ s* s*Γ s = QMΕ *Γ / QMp

onde: QMp=quadrado médio das progénies

(8) Valor do “F”tab F1 1

F2 1 2 3

2

Graus de liberdade: tratamento ( Ε ,Γ , ou Ε *Γ ) gl 3 4 5 6 Fcal < Ftab

5%

⇒ 

1%

** (1%) * (5%)

5%

1% Graus de liberdade: erro, interação ou progénies F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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Cruzamentos dialélicos: Através deste modelo, se pode avaliar as componentes genéticas de variâncias e calcular-se a heritabilidade, mas trata-se dum procedimento complexo. Aplicando-se a estatística do primeiro grau se pode calcular se estão presentes num determinado cruzamento efeitos aditivos seleccionáveis (por meio da ACG e ACE). Este tipo de modelo é importante, p. ex., para empresas sementeiras onde os seus programas de melhoramento não é apenas a selecção que tem importância, mas interessa o produto dum cruzamento particular. Isto é válido na produção de híbridos, uma série de combinações entre plantas pode ser bastante para saber, qual é o melhor produto como híbrido F1.

“Top Cross”: É um método desenvolvido para avaliar o valor de linhas puras de milho. Sabe-se que para produzir híbridos F1 precisa duas linhas puras que tenha elevada Atitude a combinação. Do cruzamento dessas duas linhas se obtém a semente híbrida que é vendida aos agricultores. As empresas sementeiras normalmente tem muitas linhas puras (centenas ou milhares) obtidas por meio de autocruzamento. O problema é avaliar as linhas que combinam bem entre sí e no caso de grande número de linhas não se pode pensar em fazer cruzamentos dialélicos. O “top Cross” consiste no cruzamento dum conjunto de linhas puras com uma variedade “tester” (uma variedade a polinização livre com uma certa variabilidade genética). No campo alterna-se filas de milho (linhas puras) com filas do “tester”. Quando as plantas de linhas puras atingem a floração, corta-se a parte masculina (bandeira) e a semente que é produzida obtém-se do cruzamento de cada linha com um pai comum. Se colhe a semente deste cruzamento e na geração seguinte se faz o ensaio de progénies “progeny test”. As melhores progénies serão obtidas das melhores linhas em termos de atitude a combinação. Desta maneira se reduz o número de linhas até atingir o número bastante pequeno para experimentar os cruzamentos dialélicos.

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3.10 Interacção Genótipo * Ambiente Contrariamente aquilo que se pode pensar, ainda não existem métodos científicos que dão uma ideia clara e simples de o que pode ser o melhor ambiente para uma planta. Por meio de análises químicas e físicas das mais sofisticadas não se pode ter uma informação suficiente sobre um bom ambiente para uma planta, se não for através da própria produção da planta. significa que, a melhor maneira de saber e medir o valor dum ambiente é apanhar informações de produções das plantas nesse ambiente. Mas, acontece que, as plantas não se comportam num sítio da mesma maneira. Portanto, só o genótipo permite saber a resposta fenótipica duma planta. Por isso, são de estrema importância os ensaios agronómicos. Porque não basta saber que um genótipo comporta-se bem num certo lugar. O importante é saber a produção no lugar onde se pretende cultivar a planta (ou variedade). O ambiente afecta de maneira impensável o genótipo, materiais que provém do hemisfério norte poderão ter um comportamento bastante diferente quando semeados no hemisfério sul. E, o problema que se coloca é como avaliar uma variedade em relação ao ambiente. Para isso temos a análise de Finlay e Wilkinson. O ambiente é entendido como solo, clima ou práticas culturais (irrigação, fertilização, lavouras, etc).

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3.11 Coeficiente de Inbreeding A lei de equilíbrio de Hardy-Weinberg aplica-se só quando os cruzamentos são aleatórios ou casuais, ou seja, quando a probabilidade de cruzamento entre dois genótipos é o produto das suas frequências: P(AA*aa) = f(AA) * f(aa). O cruzamento preferencial ocorre quando não é casual, ou seja, indivíduos com um determinado genótipo cruzam-se em maior frequência com os indivíduos de um outro genótipo, do que seria de esperar das suas frequências. O cruzamento preferencial por si só, não muda as frequências alélicas, mas muda as frequências genotípicas. Se a probabilidade de cruzamento entre dois genótipos é maior do que a esperada se o cruzamento fosse casual, a frequência de homozigóticos aumentará; se a probabilidade for menor que a esperada, a frequência de homozigóticos diminuirá. De um modo geral, se conhecemos a probabilidade dos vários tipos de cruzamento, as frequências genotípicas esperadas podem ser calculadas a partir das frequências genotípicas da geração anterior. O inbreeding  é uma forma de cruzamento preferencial e dá-se quando cruzamentos entre indivíduos com relações de parentesco são mais frequentes do que o que seria de esperar de cruzamentos aleatórios ou casuais. Uma vez que os indivíduos com relações de parentesco são geneticamente mais similares do que indivíduos sem relação de parentesco, o inbreeding aumenta a frequência de heterozigóticos em relação ao esperado em cruzamentos casuais, embora não altere as frequências alélicas. O caso mais extremo de inbreeding é a autofecundação. As consequências genéticas do inbreeding são medidas através do coeficiente de inbreeding ( F  F)  que corresponde a probabilidade de um indivíduo receber, num certo locus, dois alelos que são idênticos por descendência, isto é, ambos são copiados de um único alelo, transportado por um progenitor, pertencente a uma geração específica. Dois alelos com a mesma sequência de DNA são idênticos em estrutura, mas podem não ser idênticos por descendência, se tiverem sido herdados por progenitores sem relações de parentesco. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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Os resultados do inbreeding foram analisados por Mendel que calculou que depois de n gerações de autofecundação a progénie de um heterozigótico Aa consiste em homozigóticos e heterozigóticos. h eterozigóticos.

P: F1: F2:

Aa ⊗ ½ (AA ou aa) + ½ Aa

⇒

 F = ½

½ (AA ou aa) + ½ ( ½ (AA ou aa) + ½ Aa) = = ½ (AA ou aa) + ¼ (AA ou aa) + ¼ Aa ⇒ aa ) + ¼ (AA ou aa) = ¾,  F = ¾ ⇒ F = ½ (AA ou aa)

A progénie de um heterozigótico autofecundado será  ½  heterozigóticos   heterozigóticos e  ½  homozigóticos   homozigóticos que podem ser aa ou AA. Nos heterozigóticos os dois alelos não são idênticos por descendência, descendênc ia, mas nos homozigóticos, ambos alelos são idênticos por descendência porque ambos são cópias de um único alelo do seu tipo, quer seja A ou a, presente no parental heterozigótico autofecundado. Assim, a proporção de indivíduos com dois alelos idênticos por descendência na primeira geração de autofecundação de um heterozigótico é igual a frequência total de homozigotos (1/2), ou seja,  F=1/2. Na segunda geração de autofecundação,  ½  da   da progénie do heterozigótico será novamente constituída por homozigotos, cada um dos quais constituído por dois alelos idênticos por descendência, portanto, o  F será novamente  ½   e, uma vez que os heterozigotos representam  ½  da população, o incremento do coeficiente de inbreeding será  ½ * ½ = ¼ . isto adicionado à frequência de ½ da geração anterior será igual a  ½ + ¼ = ¾ . F = ¾ . Nas gerações seguintes, o valor de  F aumentará em  ½  multiplicado   multiplicado pela frequência do heterozigótico na geração anterior.

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Como calcular o coeficiente de inbreeding? Existe um método simples, chama do “ Path analysis”, que permite calcular o F de um indivíduo cujo o pedigree se conhece. O método consiste em seguir as setas no pedigree, a partir do indivíduo cujo  F  se pretende calcular, através de cada um dos ancestrais que são comuns a ambos os parentais e voltar até ao indivíduo.

A

(5)

(4)´

(4)

(5)´

C E

D

(3)

(6)

G I

B

F

H

(2)

J

(7) (1)

K A figura representa o pedigree do indivíduo K, cujos progenitores directos são J e H, que são primos entre si. Há dois caminhos possíveis para calcular o F de K:

1ª: K – J – G – C – A – D – H – K (7 passos) 2ª: K – J – G – C – B – D – H – K (7 passos) A contribuição de cada caminho para o cálculo de  F será (1/2)n, onde n é o número de passos do caminho menos 1, no caso de o indivíduo aparecer duas vezes, ou simplesmente o número de passos caso o indivíduo apareça apenas uma vez. O valor de F obtém-se somando a contribuição de cada caminho. No nosso caso, F = 1/64 + 1/64 = 1/32 . F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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3.12 Capítulo 5. Métodos de Melhoramento de plantas Os métodos de melhoramento desenvolveram-se tendo em conta a forma de reprodução das espécies. O objectivo final de qualquer método de melhoramento é a obtenção de material genético (variedades ou populações) que melhor respondam as suas necessidades, quer em quantidade, quer em qualidade. Qualquer que seja o método usado, a selecção está sempre presente como um instrumento.

1.1. Métodos de melhoramento para as espécies prevalecentemente autogâmicas Estas espécies tem as características seguintes: Populações constituídas por indivíduos altamente homozigóticos que dão descendência homogênea; Variabilidade genética concentrada em linhas puras; Alelos recessivos tendem a ser eliminados e liminados pela selecção natural, á medida que se manifestam; Plantas tolerantes ao inbreeding, bem adaptadas ao ambiente em que vivem, mas pouco tolerantes a mudanças de ambiente. Os métodos de melhoramento para estas espécies, pode dividir-se em 2 grupos: (i)

Métodos que exploram a variabilidade genética natural

Selecção massal Selecção por linha pura (ii)

Métodos que exploram a variabilidade genética induzida pelo cruzamento artificial

Pedigree População reunida Retrocruzamento F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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1.1.1. Selecção massal Parte-se geralmente de uma população grande, que apresenta variabilidade genética. Na primeira fase, seleciona-se os indivíduos fenotipicamente superiores para as características que se pretende melhorar (selecção positiva), ou eliminam-se os indivíduos com características inferiores (selecção negativa). Numa segunda fase, a semente colhida dos indivíduos selecionados é misturada, constituíndo o que se chama “bulk” e multiplicada. Esta semente vai constituir a base para a nova variedade melhorada. No caso de se aplicar a selecção negativa, não se deve eliminar mais de 25% das plantas, para evitar que a nova variedade que se pretende constituir tenha características muito diferentes da variedade original. A eficiência do método depende da hereditariedade da(s) característica(s) que se pretende melhorar. Quanto maior for a variância genética da característica, maior possibilidade de sucesso terá o método. O método de selecção massal pode também ser usado para manter e purificar variedades já existentes (selecção conservadora). Neste tipo de selecção, seleciona-se algumas plantas cujo o fenótipo corresponde ao fenótipo da variedade original e no ano seguinte semeia-se as sementes das plantas selecionadas, constituindo plantas-fil ha, isto é, cada fil ha corresponde a progénie de cada planta selecionada. Durante o desenvolvimento da cultura, vai-se eliminando as plantas atípicas e as filas com características diferentes das da variedade que se pretende manter. A semente das plantas restantes é colhida e misturada, constituíndo a base para obter a variedade purificada.

Esquema da selecção massal: 1.1.2. Selecção por linha pura É um método usado sobretudo para melhorar populações naturais. Faz-se em 3 fases:

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(i)

Na primeira fase, selecciona-se plantas de uma população ampla com grande variabilidade genética. A semente de cada planta seleccionada é guardada separadamente; (ii) Na segunda fase, semeia-se as sementes de cada planta selecionada em planta-filha, para avaliar o comportamento da descendência de cada planta. Elimina-se as linhas com características indesejáveis. As sementes das linhas restantes são depois semeadas anualmente, durante 2-3 anos em locais diferentes. Durante este processo, continua o trabalho de selecção e o número de linhas reduz drasticamente. (iii) Na terceira fase, as linhas selecionadas nas fases anteriores são postas em ensaios agronómicos para avaliar a sua capacidade produtiva e outras características, em comparação com variedades comerciais já existentes. O processo de avaliação dura cerca de 2-3 anos. A(s) linha(s) que apresentar(em) melhores resultados durante os ensaios poderá(ão) ser colocada(s) no mercado como novas variedades. Esquema de selecção por linha pura: Diferenças entre os dois métodos 1. Selecção Selecção por linha linha pura: pura: variedade variedade tem como base uma linha linha pura; selecção massal: variedade tem como base mistura de linhas puras; 2. Variedade Variedade constituíd constituídaa por selecção selecção massal massal é geneticam geneticamente ente menos menos uniforme que a variedade constituída por selecção por linha pura; 3. Selecção Selecção massal tem tem vantagem vantagem de ser mais mais rápida a atingir atingir objectivo objectivoss do melhoramento a partir de ecótipos já existentes, desde que estes apresentem características fenotípicas negativas facilmente identificáveis. As variedades obtidas a partir da selecção massal podem ser distribuídas aos agricultores, sem necessidade de ensaios de avaliação agronômica. Métodos que exploram a variabilidade criada pelo cruzamento artificial Objectivo: Combinar num genótipo, os genes favoráveis presentes em dois ou mais fenótipos diferentes. Ponto de partida: identificar o material que se pretende cruzar, cruzar o material e obter uma F1. A partir daí, as gerações segregantes podem ser submetidas aos diferentes métodos.

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Condições necessárias para o sucesso dos métodos: a. objectivos devem ser claramente definidos por um ideotipo b. deve haver uma alta possibilidade poss ibilidade de atingir os objectivos partindo dos progenitores escolhidos c. utilização de sistemas apropriados de selecção d. tratamento apropriado das populações híbridas obtidas 1.1.3. Pedigree A nova variedade que se pretende constituir deve ter características superiores às variedades comerciais já existentes, por isso, um dos progenitores pode ser uma variedade já existente e o outro deve possuir características pelas quais o primeiro progenitor é fraco. Faz-se cruzamento entre os dois progenitores de modo a obter uma quantidade de cerca de 100 plantas na F1. Deixa-se a F1 autofecundar-se naturalmente e obtém-se uma F2 de cerca de 2000 a 6000 plantas. Na F2 inicia o processo de selecção, escolhendo os indivíduos que o melhorador ache que podem produzir progénies melhores. A sementeira deve ser espaçada para permitir a selecção. Eliminam-se as plantas com características negativas. Na colheita conserva-se sementes de 250-300 plantas. As sementes colhidas da F2 são semeadas em planta-fila. Na F3 já há algum nível de homozigose e começa a distinguir-se as diferenças entre famílias (linhas). Na F3, a selecção faz-se com base em plantas individuais, nas famílias que apresentem boas características. Na F4, continua o sistema de sementeira por Planta-fila, e a selecção fazse como na F3, dando maior atenção ao valor médio de cada família. Entretanto, nesta fase, algumas famílais terão já sido eliminadas. As diferenças entre as famílias serão mais notórias que as diferenças dentro de cada família. Na F5, continua o mesmo sistema de sementeira s ementeira em planta-fila, o nível de homozigose é muito maior e nesta fase já se faz a sementeira a uma densidade normal. A sementeira é feita exclusivamente entre famílias para constituir a F6. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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Na F6 e F7, o número de famílias será muito mais reduzido e, só cerca de 20 famílias com características realmente superiores é que podem ser usadas para a avaliação sob diferentes condições ambientais. As linhas que tiverem comportamento produtivo melhor serão propostas para a libertação. Características especiais do método Pedigree Ao longo de todo o processo, faz-se o registo da informação genealógica de todas as linhas, através das chamadas “notas genealógicas”. Estas notas referem-se ao vigor, data de germinação, data de floração, data de maturação, resistência ao ataque de pragas e doenças e de outras características julgadas de interesse agronômico. É com base nesta informação que se irá decidir em cada geração, quais as linhas que se dvem manter e quais as que se deve eliminar. Desvantagens / limitações do método Pedigree 1. tempo; 2. quantidade do material nas primeiras gerações, espaço, mão de obra, erros; 3. a selecção na F2 é pouco eficaz porque se faz em material altamente heterozigótico; 4. a selecção aliada a auto fecundação, limita muito a recombinação, podendo-se perder logo nas primeiras gerações, alelos favoráveis, sem que haja possibilidade de os recuperar mais tarde. Métodos alternativos ao método Pedigree Métodos de Single Seed Descent Neste método, a selecção só começa a partir da geração F5-F6, quando o material já tem um nível considerável de homozigose e menos segregação. Propagam-se todas as plantas da população F2, tomando uma semente por planta. Repete-se o procedimento até F5-F6, sem fazer notas pedigree. A partir dessas gerações, o procedimento é igual ao do método pedigree. 1.1.4. Método de população reunida

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População F2 (5000 – 6000) indivíduos derivados da autofecundação da F1 de um cruzamento é semeada numa única parcela. Não se seleciona as melhores plantas, nem se formam as melhores famílias. A sementeira é feita a densidade normal; As sementes são colhidas todas e faz-se o bulk (mistura de sementes produzidas por todos os indivíduos de uma população); Do bulk tira-se uma amostra para semear uma outra parcela, do mesmo modo que na geração anterior. O procedimento é idêntico ao da F2 e continua até a geração F5-F8. A partir da F8 segue-se o mesmo procedimento que o método de melhoramento por linha-pura (selecção de melhores plantas dentro da população, criação de planta-fila, selecção das melhores famílias, avaliação agronômica das linhas seleccionadas). Características especiais do método de população reunida 1. Até F8, faz o uso da selecção natural e este actua sobretudo sobre características de adaptabilidade; 2. A partir da F8, quando as plantas tem já um nível considerável de homozigose, faz-se também o uso da selecção artificial; 3. Método aplica-se sobretudo quando se pretende obter linhas acentuadamente homozigóticas, com um mínimo de esforços e despesas; 4. A duração do método é em média até a geração F10-F11, dependendo das características genéticas que se pretendem melhorar. 1.1.5. Método de Retrocruzamento (Backcross) Utiliza-se quando se pretende transferir características genéticas de uma variedade para outra; A variedade que vai fornecer os genes chama-se progenitor dador e a variedade que vai receber os genes chama-se progenitor recorrente. Procedimento: Faz-se um primeiro cruzamento entre as duas variedades. O genitor dador é usado apenas neste primeiro cruzamento e funciona geralmente como polinizador; F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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As F1 resultantes são novamente cruzadas com o progenitor recorrente, produzindo a primeira geração de retrocruzamento, que se indica com a sigla BC; O retrocruzamento repete-se várias vezes, sucessivamente ou intercalado com ciclos de autofecundação e selecção, conforme o controle genético do carácter que se pretende transferir; Em cada retrocruzamento, aproporção de germoplasma doador é reduzida a metade, de modo que, depois de um número n de cruzamentos e retrocruzamentos, tal proporção será (1/2)n. Ex: Um cruzamento seguido de 5 retrocruzamentos, teremos (1/2) 6 = (1/64); isto significa que se recuperou mais de 98% do património genético do recorrente. A tudo isto corresponde um aumento de homozigose, depois de m gerações de retrocruzamento, a proporção de homozigose num par de locus individual será (2 m-1/2m). No nosso caso (m = 5 retrocruzamentos): (25  – 1 / 2 5) = 96.87%. Depois de 5 retrocrtuzamentos, 96.9% dos loci estarão no estado homozigótico. Para p pares de genes independentes presentes no estado heterozigótico na F1, a proporção de genótipos homozigóticos na população depois de m gerações de retrocruzamento será: (2m – 1/2m)p. Considerando o exemplo de m = 5 e 6 pares de genes, teremos, (2 5 – 1 /25)6 = 82.63%. Portanto, mais de 80% dos indivíduos da população serão homozigóticos com o genitor recorrente para todos os 6 pares de genes. O produto final dum programa de retrocruzamento deve ser submetido a ensaios agronómicos antes de se propor a libertação da variedade. Os procedimentos a seguir para o caso de se pretender transferir um gene dominante para o progenitor recorrente são diferentes dos procedimentos a seguir no caso de se pretender transferir um gene recessivo. Quando o alelo a transferir é dominante, depois de cada ciclo de retrocruzamento, faz a selecção eliminando todos os fenótipos que não apresentem expressamente o carácter que se pretende transferir. Depois de 5 gerações de retrocruzamento, cerca de 98% do genótipo do progenitor recorrente recupera-se. Nessa altura, interrompe-se os ciclos de retrocruzamento, elimina-se os genótipos recessivos e deixa-se as outras plantas autofecundar. As progénies dessas plantas são observadas e as que apresentarem segregação, são eliminadas, deixando-se apenas as F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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que não apresentando segregação são derivadas de homozigóticos dominantes. Quando o alelo a transferir é recessivo, é aconselhável, depois de duas gerações de retrocruzamento, deixar as plantas autofecundar e criar F2. Dentro destas serão seleccionadas as plantas homozigóticas recessivas a serem utilizadas nos ciclos sucessivos de retrocruzamento. Aspectos importantes a considerar para o sucesso do método: a. o progenitor recorrente deve ser uma das melhores variedades da zona; b. o carácter a trasferir deve ser dotado de alta hereditariedade; c. o número de retrocruzamentos deve permitir a recuperação de todos os genes do progenitor recorrente. 1.2. Métodos de melhoramento para espécies alogâmicas e para as espécies de propagação vegetativa Considerações gerais Os programas de melhoramento para estas espécies tem como objectivo não a planta individual mas sim o conjunto de plantas da população ou ecótipos. Ecótipos são todas as populações locais resultantes da acção desenvolvida pela selecção natural. Em geral, podem superar variações extremas de clima das suas zonas de adaptação, mas não tem características agronômicas de valor comercial. As variedades de espécies alogâmicas reproduzidas por semente são menos uniformes do que as das espécies autogâmicas, com a excepção de variedades baseadas em híbridos F1. Durante o programa de melhoramento é preciso chegar a um compromisso entre a necessidade de obter uniformidade característica das variedades comerciais e a conservação de um certo grau de homozigose para evitar efeitos do inbreeding. Com base na estrutura genética, as variedades cultivadas das espécies alogâmicas distinguem-se em duas categorias: 1. Variedades de livre polinização; 2. Variedades híbridas F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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Dentro de cada categoria, o objectivo de obter variedades dotadas de valor agronómico, uniformes, estáveis e distintas no tempo e no espaço, consegue-se de maneiras diferentes, com recurso a métodos que reproduzem artificialmente duas situações naturais que obedecem a dois princípios fundamentais da genética: a. a lei do equilíbrio de Hardy-Weinberg para as variedades de polinização livre; b. a lei da uniformidade dos híbridos F1 para as variedades híbridas. Nos programas de melhoramento para estas espécies, usa-se muito as provas de progénie (progeny tests). Provas de progénie consistem em avaliar o material parental através da sua descendência, o que permite fazer a selecção com base no genótipo e não no fenótipo. Na maior parte das espécies alogâmicas, a avaliação através da descendência refere-se apenas ao genótipo materno, pois o paterno é constituído por um pool polínico comum a toda a população e portanto indiscriminado, por isso é importante que durante as provas, o material materno seja conservado para permitir que com base nos resultados dos testes de progénie, se faça a selecção. Nas espécies polianuias a conservação do material materno não é problemático, mas nas espécies anuais, a conservação é feita através da semente de autofecundação das plantas-mãe. Na aplicação prática dos resultados das provas de progénie, devem estabelecer-se dois parâmetros necessários a avaliação das linhas em selecção: (i) (ii)

a aptidão geral à combinação (AGC); a aptidão específica à combinação (AEC).

A AGC indica o comportamento médio de um genótipo (planta, clone, linha pura) nas suas combinações híbridas. Diz-se que um genótipo tem alta AGC quando dá sempre óptimas descendências quando cruzado com outro, qualquer que seja o genótipo do outro. A AEC indica o comportamento do genótipo em cruzamentos particulares e, serve para explicar os casos em que certas combinações se apresentam F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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melhores que as esperadas com base no comportamento médio. Pode acontecer que um genótipo com baixa AGC tenha uma alta AEC com outro genótipo específico. Geneticamente, a AGC está relacionada com efeitos genéticos aditivos enquanto que a AEC se relaciona com efeitos de dominância e epistasia. Tipos de provas de progénie 1. Progénies autofecundadas A autofecundação determina uma notável redução de vigor, para os carácteres quantitativos que manifestam dominância e epistasia, portanto o recurso a autofecundação deve ser para os casos de avaliação de carácteres que estão sob controle genético de tipo aditivo. As plantas são escolhidas com base fenotípica, pouco antes da floração, no interior duma população e, são isoladas para obter sementes de autofecundação. A semente colhida de cada planta é usada para semear a prova de progénie. Com base nos resultados da prova são escolhidos os genótipos superiores. 2. Progénies de livre polinização São as que se obtém da semente de uma planta, de uma linha pura ou de uma estirpe clonal após a polinização não controlada. Estas progénies permitem avaliar com segurança o valor genético das plantas e a sua aptidão geral à combinação, embora a fonte de pólen não seja controlada. 3. Progénies de policruzamento Difere da progénie anterior porque a fonte de pólen é fornecida exclusivamente por plantas seleccionadas. Realiza-se clonando as plantas-mãe, escolhidas anteriormente com base nas suas características fenotípicas e transplantando ao acaso os clones em repetições numerosas (10-20), num campo isolado, de modo que se cruzem apenas entre sí. A casualização faz com que cada genótipo receba amostras de pólen o mais homogêneas possíveis e a clonagem assegura a produção de quantidades de sementes suficientes para as provas. A prova de progénie faz-se com a semente reunida, colhida nos clones de cada planta-mãe. Com base nos resultados, são escolhidas as plantas-mãe. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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4. Cruzamento por linha, clone ou variedade (top-cross) A semente a ser usada na prova de progénie pode ser fornecida por uma linha pura emasculada ou por clones; Escolhe-se também uma variedade comercial, bem conhecida e difundida na zona, que funciona como “tester”. Semeia-se alternadamente filas da variedade tester e da linha pura ou clone. Deve-se assegurar que a quota de autofecundação durante o período em que as linhas estão no campo seja mínima. A semente obtida, reunida por clones ou por linhas puras emprega-se nas provas de progénie, e, com base nos resultados pode-se concluir sobre a AGC e proceder a selecção. Se o tester utilizado for uma linha pura ou um clone, em vez de uma variedade com base genética ampla, o resultado do teste de progénie pode dar indicações sobre a AEC, tanto dos materiais a seleccionar como do tester utilizado. 5. Progénie de cruzamento simples (single-cross) Consiste em fazer todos os cruzamentos individuais possíveis entre um certo número de linhas puras, estirpes clonais ou outros materiais. O esquema utilizado em geral é o cruzamento dialélico (exclue-se as autofecundações e cruzamentos recíprocos). Com o single-cross obtém-se indicações tanto da AGC como da AEC. Cada cruzamento individual indica a AEC, enquanto que a média de todos os cruzamentos de um particular genótipo indica a AGC. O método só é praticável quando os genótipos a avaliar não são muitos e, usa-se em geral na fase final dum programa de melhoramento. Os métodos 1. Selecção massal É parecida com a que se faz nas plantas autogâmicas.

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A semente obtida por polinização, produzida por indivíduos fenotipicamente superiores de uma população com variabilidade genética, é colhida e misturada para dar lugar a geração seguinte. O método tem por fim aumentar a frequência dos genes desejados nas populações que se pretende seleccionar. O método é eficaz para o melhoramento de características qualitativas e quantitativas com elevada hereditariedade. 2. Selecção fenotípica Muito empregue em espécies polianuais onde seja possível quer a propagação vegetativa, quer a propagação por semente. As plantas seleccionadas são clonadas, reproduzidas num campo isolado, onde não possa chegar pólen estranho, de modo que a polinização aconteça só entre plantas seleccionadas. Controla tanto o fenótipo da planta-mãe como a fonte de pólen, e por isso, pode conseguir mais progresso que a selecção massal clássica. 3. Melhoramento por linhas A semente obtida da livre polinização, colhida dos fenótipos superiores no interior de uma população inicial, é utilizada para efectuar provas de progénie que permitam localizar as linhas provenientes das plantas-mãe melhores. Com base nos resultados obtidos, pode-se actuar de dois modos: a. Se a prova de progénie for feita com apenas uma parte da semente obtida das plantas-mãe, enquanto a outra parte se mantém separada, o lote de semente inicial da nova variedade será constituído reunindo a semente separada das plantas que tiverem dado as melhores progénies; b. Se a prova de progénie for feita com toda a semente obtida da plantamãe, o lote de semente o lote de semente inicial será constituído colhendo directamente e reunindo a semente proveniente da livre polinização produzida nas progénies melhores 4. Selecção recorrente Define-se como um esquema cíclico de selecção efectuado para aumentar a frequência dos genes favoráveis presentes numa população inicial e ter F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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depois maiores possibilidadesde extrair dos materiais seleccionados, genótipos superiores. As plantas heterozigóticas de uma populção contemporaneamente para um ou mais caracteres.

são

avaliadas

Os indivíduos fracos para os caracteres que se pretende melhorar eliminam-se. As plantas superiores são autofecundadas ou propagadas clonalmente. Fazem-se depois todos os cruzamentos possíveis entre as progénies das plantas superiores, ou deixam-se cruzar livrementeas progénies auto fecundadas ou clones seleccionados. A população resultante deste cruzamentoserve como fonte para o ciclo sucessivo de selecção e intercruzamento. Esta população é denominada Sintética Experimental. Vantagem: mantém a quota de inbreeding baixa devida a alternância entre a aufofecundação e intercruzamento e a ampla base genética das populações seleccionadas. O sucesso depende dos genes presentes na população original. Pode ser aplicado seguindo 4 processos diversos: 4.1. Selecção recorrente simples As plantas são seleccionadas com base em avaliação fenotípica de plantas individuais ou das suas progénies autofecundadas. As provas de progénie deste tipo de selecção chamam-se test-cross e são semelhantes ao top-cross, as plantas a serem testadas são cruzadas com um tester e a semente que se obtém serve para as provas de progénie. O uso deste método limita-se aos carácteres de elevada hereditariedade No ano 1, dentro da população inicial, selecciona-se fenotipicamente as plantas superiores para o carácter que interessa, essas plantas são depois auto fecundadas. Ño ano 2, com as sementes obtidas pela autofecundação, constituem-se progénies por espiga-fila, que se cruzam em todas as fecundações possíveis. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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No ano 3, a semente híbrida obtida no 2º ano, mistura-se e semeia-se para se obter uma população onde se vai escolher as plantas melhores para serem autofecundadas. No 4º ano o procedimento é igual ao do 2 ano A selecção continua por alguns ciclos até se obterem os resultados desejados. 4.2. Selecção recorrente para a AGC No ano 1, escolhem-se cerca de 100 ou mais plantas, dentro da população inicial. O pólen de cada uma destas plantas utiliza-se em parte para autofecundar as plantas dos quais foi colhido e, em parte para polinizar 6 – 7 plantas numa população de base genética ampla que serve de tester. Na altura da colheita, mistura-se a semente híbrida obtida de cada grupo de 6 – 7 plantas do tester de modo a ter a disposição tantos lotes de semente híbrida, quantas eram as plantas seleccionadas com base fenotípica na população inicial. A semente proveniente da autofecundação produzida nas plantas escolhidas é colhida separadamente por cada planta e conservada. No ano 2, numa experiência especial , são examinados os lotes de semente híbrida obtida no ano 1. No ano 3, semeia-se em espiga-fila a semente obtida no ano 1 por autofecundação, utilizando apenas a semente colhida nas plantas cujas progénies híbridas deram a produção mais elevada na prova efectuada no ano 2. Faz-se depois o intercruzamento manual entre as progénies ou deixa-se a polinização livre. No ano 4, inicia um novo ciclo de selecção, onde a população de base é representada pela mistura da semente obtida no ano 3. Dentro desta populaçãofaz-se uma nova selecção com base fenotípica. As plantas escolhidas são autofecundadas e simultaneamente cruzadas com o mesmo tester usado no ano 1.

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Prossegue-se depois da mesma maneira que no ciclo de selecção precedente. 4.3. Selecção recorrente para a AEC O plano de melhoramento é igual ao previsto p revisto para a selecção para a AGC, a diferença é no tipo de tester usado. No caso presente, o tester é uma linha pura ou um híbrido simples, isto é, um material de base genética estreita. 4.4. Selecção recorrente recíproca O material de base são duas populações (A e B), geneticamente diversas entre sí. No ano 1, autofecunda-se cerca de 200 plantas da população A e 200 plantas da população B, seleccionadas com base fenotípica. Ao mesmo tempo, o pólen de cada uma das plantas auto fecundadas de A é usado para polinizar grupos de 5 plantas colhidas ao acaso da população B e vice-versa. Teremos assim, 1200 plantas de cada população, sendo 200 autofecundadas e 1000 cruzadas em grupos de 5 com as 200 da outra população. Na colheita, constituem-se os seguintes lotes de sementes: 200 lotes de semente autofecundada de A 200 lotes de semente autofecundada de B 200 lotes de semente por cruzamento de A com as 5 plantas de B 200 lotes de semente por cruzamento de B com 5 plantas de A 200 progénies de cruzamento de A 200 progénies de cruzamento de B Os lotes de semente por cruzamento são constituídos reunindo a semente produzida pelas 5 plantas cruzadas com a mesma fonte polínica. No ano 2, enquanto os lotes de autofecundação são conservados, as progénies dos cruzamentos feitos no ano 1 são utilizadas para organizar dois ensaios agronómicos. No ano 3, retoma-se a semente autofecundada obtida no ano 1 das plantas autofecundadas da população A e B cujas progénies por cruzamento resultaram superiores nas provas agronômicas do ano 2. Com esta semente, constituem-se 2 campos distintos e isolados: 1 para as progénies por autofecundação de A e outro para as progénies de autofecundação das F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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plantas B. Em cada campo faz-se manualmente todos os cruzamentos possíveis entre as progénies ou deixa-se a polinização livre. Nos anos 4, 5 e 6, repete-se os processos seguidos no ano 1, 2 e 3, usando como material de base a mistura de semente produzida no ano 3 pelo cruzamento das progénies autofecundadas de A e de B, respectivamente. As duas novas populações são indicadas como A´ e B´.

Considerações gerais sobre a selecção recorrente 1. Nas plantas polianuais que se propagam também vegetativamente, não é necessário recorrer a autofecundação e o material genético das plantas que se usam nas provas com o test-cross, reproduz-se clonando as plantas. Em cada ciclo de selecção, em vez de intercruzar as progénies autofecundadas, junta-se num campo isolado de policruzamento as plantas-mãe clonadas que deram os melhores resultados nas provas de progénie. 2. As populações obtidas pelos vários processos de selecção recorrente são utilizadas para a constituição de novas variedades sintéticas ou para extrair, depois da autofecundação, linhas puras que tenham uma elevada aptidão a combinação, para a constituição de híbridos.

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5. Variedades híbridas Definição: populações F1 cultivadas, que manifestam um notável vigor híbrido, obtidas do cruzamento entre linhas puras, clones, variedades em equilíbrio ou outras populações geneticamente diferentes entre si. Vantagem: as produções que delas se obtém são muito superiores as das variedades em equilíbrio. Desvantagens: No caso de híbridos F1 resultantes do cruzamento entre duas linhas puras, a semente deve ser produzida todos os anos e os agricultores não podem guardar e usar a semente de uma campanha para a outra, pois na geração seguinte há segregação e uma redução acentuada no rendimento. 3.13 Causas genéticas do sucesso das variedades híbridas Nas espécies alogâmicas, a autofecundação leva a redução do vigor das plantas é o fenómeno de depressão por inbreeding. Quanto mais homozigótico for o material, menor é o vigor.

Heterose ou vigor híbrido: é oposto a depressão por inbreeding e manifesta-se devido a existência de relações de dominância entre alelos. Diz-se que há heterose quando o F1 tem um valor produtivo superior a media do valor produtivos dos seus parentais. A heterose manifesta-se não só nos híbridos F1 resultantes do cruzamento entre linhas puras, mas também pode se manifestar nos produtos do cruzamento entre populações em equilíbrio (híbridos inter-varietais) e outros materiais heterozigóticos de espécies alogâmicas.

3.14 A base genética da heterose Existem duas hipóteses para explicar o fenómeno da heterose:

1. Hipótese da dominância Admite que a depressão de inbreeding seja devida a fixação no estado homozigótico de alelos recessivos desfavoráveis que nas populações em equilíbrio altamente heterozigóticas se exprimem raramente.

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A heterose seria pois o fenómeno contrário, ou seja o disfarce dos alelos recessivos desfavoráveis presentes numa linha pura, por parte dos alelos dominantes da outra linha e vice-versa. De acordo com esta teoria, teoricamente seria possível encontrar uma linha pura constituída por alelos dominantes, cujo o rendimento e vigor fosse semelhante ao de um híbrido F1, mas na prática isso nunca se conseguiu, devido aos fenómenos de depressão de inbreeding.

2. Hipótese de sobredominância Considera que a heterose tem um efeito de estímulo sobre o organismo. Uma explicação possível poderia estar ligada a fenómenos de eficiência bioquímica ligados a vários estágios de desenvolvimento de um mesmo indivíduo. Outra explicação poderá estar ligada a fenómenos de linkage. Se os alelos ABC são dominantes sobre abc e estão ligados, é evidente que a forma heterozigótica Aa Bb Cc será fenotipicamente superior a forma homozigótica aa bb cc, pois os alelos dominantes cobrirão os efeitos negativos dos alelos recessivos. Fenómenos como epistasia e outras formas de interação génica podem também explicar o fenómeno. Embora não seja possível escolher entre as duas terias, é importante saber que elas não são mutuamente exclusivas e que embora a dominância seja sem dúvida um factor importante para o fenómeno da heterose, outros factores como a sobredominância também podem contribuir.

3.15 Constituição de variedades híbridas O maior sucesso das variedades híbridas foi conseguido na cultura do milho

5.1. Híbridos simples Constituem-se a partir do cruzamento entre duas linhas puras. As linhas femininas (emasculadas) cultivam-se alternadamente com linhas masculinas. Colhem-se as sementes das linhas femininas.

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5.2. Híbrido duplo É uma F1 entre dois híbridos simples. Ex.: A, B, C, D são linhas puras, o híbrido duplo será (A*B)*(C*D). Um dos híbridos funciona como progenitor feminino e outro como progenitor masculino. Actualmente, os híbridos que se encontram no mercado são chamados, em relação ao número de linhas inbreed que os constituem: híbridos simples ou a duas vias, híbridos a três vias e híbridos duplos a 4 vias. Em termos de uniformidade, os híbridos simples a duas vias são os mais uniformes e apresentam um elevado vigor híbrido. A capacidade produtiva depende sobretudo das características genéticas das linhas inbreed usadas.

5.3. Cruzamentos simples modificados Muitas vezes, usam-se cruzamentos simples modificados para a constituição de híbridos. Estes consistem em usar um progenitor como porta-sementes (feminino) e um polinizador que não seja linhas puras propriamente ditas, mas cruzamento simples entre sister-lines (linhasirmãs), que diferem entre si em poucos genes. As sister-lines podem ser originárias de populações obtidas através de selecção recorrente recíproca. Ex.: (A1*A2)*(B1*B2), onde A1 e A2 são sister-lines derivadas da população B. Os híbridos assim produzidos tem a vantagem de poderem superar problemas de baixa adaptabilidade às variações ambientais, melhor que os híbridos simples convencionais.

5.4. Híbridos a 3 vias São resultantes do cruzamento entre um híbrido simples e uma linha pura (A*B)*C, são chamados “Special crosses”. Tem a vantagem de combinar um preço mais baixo da semente com um elevado nível produtivo. Usa-se o simples como progenitor feminino e a linha como polinizador. A base genética é mais ampla que a dos híbridos simples e permite maior elasticidade de adaptação às mudanças ambientais.

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Operações necessárias para produzir híbridos 1) Selecção das melhores plantas no interior de variedades comuns, ecótipos ou populações obtidas por selecção recorrente; 2) Autofecundação das plantas escolhidas por 5 ou 6 gerações para produzir linhas puras homozigóticas; 3) Teste de linhas puras produzidas para a AGC/AEC; 4) Ensaios agronómicos do híbrido constituído; 5) Produção de semente comercial

3.16 Constituição de linhas puras Começa-se por autofecundar 300-400 plantas escolhidas antes da floração, para características como precocidade, robustez do caule, inclinação das folhas, etc. Nesta fase ainda não é possível seleccionar com base em resistência a doenças, qualidade da produção, etc. A semente da autofecundação colhida nas plantas escolhidas é usada para fazer testes de progénie, semeando 20 – 30 sementes por cada planta. Nesta fase a selecção faz-se entre as linhas e dentro de cada linha, escolhendo as plantas que dão melhores progénies. As plantas escolhidas com base no valor produtivo das progénies prosseguem com ciclos de autofecundação. Entretanto, a depressão de inbreeding levará a eliminação de muitas linhas, acompanhado de um aumento de uniformidade e homozigose. O ciclo de autofecundação prossegue por 5 – 6 gerações, até que se atinja uniformidade no interior de cada linha e se notem as diferenças entre as linhas. Interrompe-se a autofecundação deixando as plantas entrecruzarem-se livremente no interior de cada linha. Durante as autofecundações vão-se fazendo selecções a favor das características agronómicas desejadas Os híbridos serão constituídos entre linhas puras superiores.

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Teste para AGC Os testes não serão feitos com base na capacidade produtiva das linhas em si, pois com a depressão de inbreeding esta será muito baixa; A característica mais importante a testar será a aptidão a combinação com outras linhas. Os testes fazem-se através de provas de progénie de top-cross ou recorrendo a cruzamentos dialélicos. No caso de se recorrer a dialélicos pode-se também testar a AGC, pela média fornecida pelos cruzamentos singulares entre uma linha e todas as outras.

3.17 O emprego da macho-esterilidade na produção de híbridos Diminui os custos da produção da semente híbrida; Normalmente explora-se a macho-esterilidade genético citoplasmática, que permite evitar os custos de emasculação manual das linhas progenitoras femininas.

Procedimento: Preparação das linhas macho-estéreis, através da incorporação da machoesterilidade em linhas boas existentes, através de um programa de retrocruzamento, onde a linha macho-estéril citoplasmática faz de doador e o genitor recorrente é a linha escolhida para o programa de melhoramento. A metodologia consiste em no cruzamento entre o doador e o recorrente. Far-se-ão depois uma série de retrocruzamentos com o recorrente, onde a recorrente será conservado através da auto fecundação ou intercruzamento em isolamento. Os produtos do cruzamento inicial serão sempre macho-estéreis citoplasmáticos. No fim do programa teremos duas linhas fenotipicamente iguais, uma das quais será macho-estéril e outra macho-fértil. A fertilidade na linha macho-estéril será reestabelecida com a introdução de genes restauradores. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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Obtidas as linhas macho-estéreis, vários processos podem ser seguidos para a obtenção da semente híbrida:

a) Uma linha ms e nenhuma linha com genes R A (s) rr (macho-estéril) C (n) rr (macho-fértil) AB (s) rr (macho-estéril)

*

B (n) rr (macho-fértil)

AB = (s) rr (macho-estéril)

*

D (n) rr (macho-fértil)

CD = (n) rr (macho-fértil)

*

CD (n) rr (macho-fértil)

ABCD = (s) rr (macho-estéril)

O híbrido duplo ABCD será macho-estéril. A semente poderá ser empregue no cultivo, se for misturada com semente fértil do mesmo tipo, produzida usando a linha A macho-fértil. Para assegurar a polinização de todas as plantas é suficiente a presença no campo de 1/3 de plantas macho-férteis.

b) Uma linha ms e uma linha com genes R A (s) rr (m-s) C (n) rr (m-f) AB (s) rr (m-s)

*

B (n) rr (m-f)

AB = (s) rr (m-s)

*

D (n) RR (m-f)

CD = (n) Rr (m-f)

*

CD (n) Rr (m-f)

ABCD = (50% (s) rr) – ms (50% (s) Rr) – mf

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O híbrido ABCD será macho-estéril em 50% porque os genes restauradores possuídos por CD estão em condição heterozigótica, portanto, só passam ½ dos gâmetas com gene R. Esta percentagem é suficiente para garantir a polinização da cultura em campo.

c) Duas linhas ms e uma com genes R A (s) rr (m-s) C (s) rr (m-s) AB (s) rr (m-s)

*

B (n) rr (m-f)

AB = (s) rr (m-s)

*

D (n) RR (m-f)

CD = (n) Rr (m-f)

*

CD (n) Rr (m-f)

ABCD = (50% (s) rr) – ms (50% (s) Rr) – mf

d) Uma linha ms e duas linhas com genes R A (s) rr (m-s) C (s) RR (m-f) AB (s) rr (m-s)

*

B (n) rr (m-f)

AB = (s) rr (m-s)

*

D (n) RR (m-f)

CD = (n) RR (m-f)

*

CD (n) RR (m-f)

ABCD = (s) Rr mf

Em todos os casos examinados, a emasculação é abolida na fase de produção do híbrido simples AB e na produção do híbrido duplo ABCD. No terceiro caso, é abolida também para a produção do híbrido simples CD. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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6. Variedades sintéticas Definição: é uma variedade de uma espécie prevalecentemente alogámica, constituída pela combinação de um certo número de clones, linhas puras ou outros materiais avaliados precedentemente pela sua aptidão a combinação. Podem desenvolver-se em locais onde as condições não são suficientemente boas para que os híbridos apresentem produções suficientemente altas para compensar o custo das sementes. Os progenitores de uma variedade sintética ( Syn – 0), são intercruzados em todas as combinações possíveis, de modo a dar uma F1 que se denomina sintética de primeira geração ( Syn-1). Para obter semente suficiente para comercializar, é necessário deixar a Syn – 1 a livre polinização, produzindo uma F2 que se denomina Syn – 2. Pela lei de equilíbrio de H – W, as frequências alélicas e genotípicas estarão em equilíbrio, e, na ausência de factores de distúrbio, permanecerão em equilíbrio nas gerações sucessivas de multiplicação, que serão denominadas Syn – 3, Syn – 4, etc. É importante que o melhorador examine o valor agronómico não só da Syn – 1 como das gerações sucessivas, pois estas características devem se manter ao longo do tempo É muito importante verificar a AGC na geração Syn – 0, uma vez que a variedade será constituída a partir de vários progenitores cada um dos quais se deve combinar bem com os outros. O cruzamento aleatório durante as gerações de multiplicação é uma das condições fundamentais para o uso de variedades sintéticas, que sendo constituídas por genótipos heterozigóticos estarão sujeitos a pressões selectivas naturais no ambiente de multiplicação. Não se aconselha a multiplicação para além da geração Syn – 4 .

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7. Aspectos específicos do melhoramento genético para as espécies de propagação vegetativa 1) Fazem parte deste grupo, as espécies arbóreas e algumas herbáceas como a batateira, cana-de-açúcar, alho, morangueiro, espargo, etc.; 2) A maior parte são espécies perenes, que manifestam acentuada depressão de inbreeding por autofecundação e notável vigor híbrido, embora muitas vezes apresente baixa produção de sementes devido a problemas de esterilidade; 3) Os produtos comerciais são partes vegetativas ou frutos; 4) As variedades identificam-se como clones, ou seja, plantas derivadas duma única planta, multiplicados vegetativamente. Apresentam apenas variabilidade ambiental, com excepção dos casos em que se apresentam mutações somáticas; 5) Nos indivíduos que constituem os clones está presente uma quota de variabilidade genética no estado potencial, que se manifesta sempre que se recorre a reprodução sexual. Este tipo de variabilidade permite fazer selecção com o objectivo de criar novas variedades com características que se podem manter facilmente com propagação vegetativa; 6) Para a constituição de novas variedades, pode-se usar dois métodos: (i)

Selecção clonal, quando se tem a disposição amplas populações naturais constituídas por plantas genotipicamente diferentes entre sí. Neste caso, o melhoramento consiste em fazer selecção fenotípica de plantas, conservar e propagar vegetativamente;

(ii)

Hibridação quando necessário criar variabilidade genética por meio de reprodução sexual. Selecciona-se os clones, faz-se o cruzamento e a segregação vai-se manifestar directamente na F1. Cada semente poderá potencialmente um novo clone que se irá multiplicar vegetativamente. No caso de plantas arbóreas, o problema poderá ser quando estão presentes problemas de esterilidade que podem dificultar a hibridação. Por outro lado, estas espécies levam muito tempo a atingir o estado adulto (10 – 12 anos ou mais), o que exige muito tempo para obter uma nova variedade.

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Uma outra fonte de variabilidade pode ser a mutagênese que pode ser espontânea ou induzida.

7) Conservação das variedades Os fenómenos da mutação que ocorrem, fazem com que as variedades criadas pelo trabalho de melhoramento possam mudar as suas características, pelo que se torna necessário um trabalho de purificação através da selecção clonal.

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CAPÍTULO 6: MELHORAMENTO PARA A RESISTÊNCIA A FACTORES BIÓTICOS E FACTORES ABIÓTICOS A produtividade das plantas cultivadas está sempre em grande medida relacionada com a sua capacidade de resistir ao stress causado por factores bióticos (pragas e doenças) e a factores abióticos (frio, geadas, seca, etc.).

6.1. melhoramento para a resistência a factores bióticos 6.1.1. Considerações gerais - Sabe-se que o ataque de pragas e doenças às plantas cultivadas pode causar danos significativos que se vão traduzir numa redução drástica nos rendimentos; - Para combater as pragas pode-se usar pesticidas, ou desenvolver variedades resistentes; - O uso de pesticidas está limitado aos agricultores com possibilidade económica para suportar o seu custo, para além dos problemas de toxicidade e poluição ambientais que eles causam; - O uso de variedades resistentes tem a vantagem de ser mais económico para o agricultor e de não causar danos ao ambiente; - O sucesso no trabalho de melhoramento genético para a resistência aos efeitos das pragas e doenças, baseia-se no conhecimento das relações entre hospedeiro (a planta) e o patógeno (parasita) e, na possibilidade de encontrar fontes válidas de resistência.

6.1.2. Causas das doenças das plantas - Infecções causadas por fungos, vírus, bactérias e insectos: As plantas podem ter resistência natural, determinada por genes de resistência, mas depois de algum tempo, o patógeno pode ter a capacidade de superar a resistência. Quando o patógeno tem a capacidade de provocar uma reacção de susceptibilidade no hospedeiro, chama-se patógeno virulento. Quando o patógeno não tem capacidade de provocar uma reacção de susceptibilidade no hospedeiro, chama-se patógeno avirulento

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6.1.3. Raças fisiológicas do patógeno - Definem-se como sendo variedades do patógeno que se podem distinguir por um carácter fisiológico; - Podem ser reconhecidas inoculando-as em plantas de variedades com diferentes fontes de resistência. Exemplo: Inoculum I1 I2 I3 I4

Var. 1 S S S S

Var. 2 R S R S

Var. 3 R R R R

Raça A B A B

Raça fisiológica A: Causa reacção de susceptibilidade, ou é virulenta para a variedade 1 e é avirulenta ou não causa reacção de susceptibilidade nas variedades 2 e 3. Raça fisiológica B: Causa reacção de susceptibilidade ou é virulenta para as variedades 1 e 2 e é avirulenta, ou seja, não causa reacções de susceptibilidade na variedade 3.

6.1.4. Resistência do hospedeiro - A resistência nas plantas varia com os genótipos das diferentes variedades. Características da resistência: é de carácter complexo; tem variação contínua de susceptível a imune; tem especificidade; tem mecanismos específicos de acção; tem uma base genética. - Especificidade da resistência: existem duas categorias: resistência vertical (resistência específica) e resistência horizontal (resistência geral).

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• Resistência vertical (específica): - É efectiva contra alguns genótipos do patógeno e não contra outros (ex. variedade 2); - Tem uma interacção entre o hospedeiro e o patógeno; - Uma certa variedade é resistente contra uma raça específica do patógeno. Esquema da resistência vertical (específica) R R1

R2

0 Raças

24

R – Nível de resistência R1 e R2 – Linhas de comportamento da resistência em relação às diferentes raças fisiológicas do patógeno

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• Resistência horizontal (geral): - Expressa-se contra todas as raças do patógeno; - Não tem interacção entre o hospedeiro e o patógeno Esquema da resistência horizontal (geral) R R1

R2

0 Raças

24

6.1.5. O processo epidémico das doenças das plantas O aspecto mais importante a considerar é a proporção da cultura que fica infectada e não as plantas singulares

3.18 Curva de progresso da doença - Obtém-se pela relação entre a quantidade da doença ao longo do tempo. A quantidade de doença é expressa em % de plantas infectadas. - A doença tem um crescimento exponencial (gráfico).

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3.19 Gráfico da curva de progresso da doença Qtd(%) 1.0

Folhagem destruída

0.5

Fase exponencial

0 Junho

Julho

Agosto

(tempo) Qtd (%) – Quantidade de doença (proporção da área foliar afectada) - Durante a fase exponencial, a quantidade de doença pode ser caracterizada pela equação: Onde: t = tempo; r = taxa de reacção Xt = X0 * ert X0 = infecção no tempo t0 e = 2.718 - O desenvolvimento da epidemia depende de vários factores e pode ser diferente de ano para ano.

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3.20 Como é que a resistência vertical afecta a epidemia? - Atrasa o início da epidemia (X 0 = 0) (gráfico) Gráfico: efeito da resistência vertical no desenvolvimento da epidemia Quant. de doença

R0

P0 0

R1

P1 Tempo (meses)

Onde: P0 e P1  – curvas de resistência de duas variedades cultivadas no mesmo local e semeadas na mesma data: R0 e R1  – resistência específica das duas variedades (R1 > R0)

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3.21 Como é que a resistência horizontal afecta a epidemia? - Faz com que o desenvolvimento da doença seja mais lento, reduzindo a taxa de infecção (r); - Em geral este tipo de resistência dura mais a longo prazo que a resistência vertical (gráfico) Gráfico: Efeito da resistência horizontal no desenvolvimento da epidemia Quant. de doença

C1 C2

0 Tempo (meses) Onde: A variedade C1 desenvolve a doença muito rapidamente e a C2 mais devagar; A diferença não está na quantidade inicial da doença, mas na maneira como a infecção se desenvolve: r C1 > r C2; r – taxa de infecção.

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6.1.6. Mecanismos da resistência A planta pode resistir ao patógeno através de dois processos: (a) resposta hipersensitiva; (b) resposta não hipersensitiva

3.22 Resposta hipersensitiva - Neste caso, como resposta ao ataque do patógeno: - há um aumento na taxa de respiração da planta, na síntese do RNA (novos genes expressam-se), produção de novas proteinas, actividade de novos enzimas; - a planta responde activamente a presença do patógeno; - há produção de compostos químicos (phytoalexinas), como resposta ao ataque do patógeno; - a resposta de hipersensibilidade leva a morte do patógeno. O efeito da morte das células infectadas e, consequentemente, a morte do patógeno. O efeito da morte das células no desenvolvimentoda planta é negligenciável. - A resposta hipersensitiva actua numa fase específica do ciclo de infecção; - o hospedeiro e o patógeno são incompatíveis ( - )

3.23 Resposta não hipersensitiva - Neste caso, o hospedeiro e o patógeno são compatíveis (+), portanto: - desenvolve-se uma infecção na planta e o patógeno também se desenvolve; - a reacção de resistência vê-se na quantidade de patógeno que se desenvolve; - é um tipo de resistência r esistência quantitativa; - a resposta não hipersensitiva dá-se em qualquer fase do ciclo da infecção; - a resistência não hipersensitiva é por exemplo: a resistência no campo, em que há uma sensibilidade aos factores ambientais, tais como o nível de nitrogénio (se o N for elevado, a planta torna-se susceptível), o estágio de desenvolvimento da planta (níveis de resistência maior são expressos em tecidos da planta mais velhos).

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3.24 O ciclo de infecção

Infecção

Disseminação

Inoculação

formação de esporos

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6.1.7. A genética da resistência Resistência vertical - Há diferentes interacções entre os genótipos do hospedeiro e o patógeno; - A interacção é entre a especificidade do hospedeiro e a virulência do patógeno. Ambos devem ser analisados em conjunto. Ex: resistência a raças de ferrugem Raça 22 24

Genótipos Ottawa Bombay + +

3.25 Forma de transmissão da resistência Ottawa * Bombay F1: Todos resistentes F2: Raças\Var. Raça 22 Raça 24

Ottawa

Bombay

R S R (110) (32) (43) R:S = 110 + 43 : 32 + 9 = 153 : 41 = 3 : 1 R R S (110) (32) (43) R : S = 110 + 32 : 43 + 9 = 142 : 52 = 3 : 1

S (9) S (9)

- A resistência em ambos os casos é determinada por um só gene; - Os dois genes são de acção independente.

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Forma de transmissão da virulência Raça 22 * Raça 24 F1: todos avirulentos F2: Var.\Raças Ottawa Bombay Ottawa: Bombay:

Raça 22 Avirulento Virulento Avirulento Avirulento (78) (27)

Raça 24 Avirulento Virulento Virulento Virulento (23) (5)

A : V = 101 : 32 = 3 : 1 A : V = 105 : 28 = 3 : 1

78 : 27 : 23 : 5 = 9 : 3 : 3 : 1

⇒ 2 genes de acção independente

3.26 A hipótese gene para gene - Esta hipótese postula que a capacidade da planta resistir à infecção do patógeno é determinada por um gene de resistência. Para cada gene de resistência na planta há um gene correspondente no patógeno que controla a virulência. - Implicações da hipótese: - No que diz respeito a resistência, podemos ter 2 fenótipos no hospedeiro: R1_ ; r1r1; - No que diz respeito a virulência, podemos ter 2 fenótipos no patógeno: A1_; a1a1. Interacções possíveis: Hospedeiro Patógeno A1_ a1a1

r1r1 (1) + (3) +

R1_ (2) – (4) +

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Temos: - 3 reacções compatíveis (+) e 1 reacção incompatível (–); - Na prática, para cada gene de resistência há um gene correspondente do patógeno: R2/A2; R3/A3, etc. (1) o hospedeiro não tem genes de resistência, os dois organismos são compatíveis e a doença está presente; (2) o melhorador pode introduzir o gene da resistência e assim ficamos com uma reacção incompatível entre os dois organismos e o nível da doênça decresce; a1a1, (3) se se verificar uma mutação no patógeno de A1 o resultado é que temos uma reacção compatível entre os dois organismos. A selecção natural fará um rápido incremento na taxa da doênça e muito rapidamente toda a população será a1a1 e o gene R1 não será mais válido para conferir resistência; (4) A população hospedeira irá de R1  para r1r1, como resultado da situação (3).

6.1.8. Fontes de resistência Há duas possibilidades: (1) Selecção de material, entre material cultivado bem adaptado; transferindo resistência entre genótipos cultivados através de cruzamentos intraespecíficos; (2) Se não houver fontes de resistência entre os genótipois cultivados, seleccionar no material selvagem e transeferir a resistência através de cruzamentos interespecíficos. - Há um problema em manter a resistência no genoma das plantas a longo prazo, o que se deve por um lado, a capacidade dos patógenos mudarem o estado de virulência e por outro lado ao carácter poligenico da resistência horizontal. Algumas estratégias para obter resistência durável (a) Uso de genes específicos de resistência - Uma estratégia é usar combinações de 2 ou 3 genes de resistência ao mesmo tempo. Desta forma, o patógeno quando sofre mutação, tem de se ajustar a 2 ou 3 genes ao mesmo tempo, o que é difícil para ele. F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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(b) Uso de variedades multilíneas - Outra estratégia é o uso de variedades multilíneas, que consiste em misturar na mesma variedade, linhas com resistência a raças fisiológicas diferentes, de modo a que o nível de infecção se mantenha sempre baixo.

6.2. Resistência a factores abióticos - Os factores abióticos ou adversidades ambientais que podem provocar danos as plantas são muitos, mas aqueles que se pode pensar combater através do melhoramento genético, introduzindo um certo nível de resistência, são poucos; - Os factores mais importantes são o frio excessivo, o calor excessivo, a seca, as geadas e a acama. Melhoramento para factores abióticos - O melhorador pode avaliar a resistência a estes factores criando o material em campo, dependendo assim completamente do andamento das épocas, ou pode servir-se de equipamentos especiais (câmaras de crescimento, estufas) com os quais cria artificialmente as condições de stress desejadas; - Os danos provocados pelo frio podem ser de origem directa, isto é, devido ao dano causado pelas baixas temperaturas nos tecidos vegetais, ou indirectos, devido ao levantamento do terreno por acção do gelo e do desgelo; - A grandeza do dano relaciona-se com a época de sementeira, o estágio de desenvolvimento da planta, a densidade de sementeira, textura e humidade do solo, vento, estrumação, presença de neve, etc. - A natureza e o grau de resistência ao frio deverá ser regulado com base na zona onde as plantas estão cultivadas; - O melhorador pode submeter os materiais a ensaios agronómicos no campo, ou em câmaras de crescimento, onde é possível regular as condições climáticas. A estima da resistência exprime-se geralmente como % de sobrevivência; - Para a resistência ao calor e à seca, que em geral estão relacionados, não é fácil seleccionar no campo, enquanto que no laboratório ou na estufa, é bastante simples obter condições de stress reguláveis, condicionando a temperatura, humidade e luz; - A acama é um fenómeno que por vezes se verifica, em que as plantas se dobram, chegando mesmo a ficar na posição horizontal, provocando assim a ruptura ou desenraizamento do caule; F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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- Os cereais são as plantas mais susceptíveis a este fenómeno. Para se ter uma avaliação dos materiais para a resistência a acama deve-se actuar em muitas localidades e por muitos anos, afim de se poder observar o máximo de casos adversos e se possa tomar nota dos materiais mais resistentes; - A acama pode ser favorecida por estrumações e adubações azotadas abundantes e por sistemas mecânicos; - Para efectuar a selecção para a resistência a acama nos cereais, adoptase em geral um exame a olho, com pontuação de 1 a 5, sendo 1 o mínimo e 5 o máximo de acama. Para além disso, existem disponíveis meios de exame laboratorial, de resistência a ruptura do colmo nos cereais como trigo, bem como da resistência ao desenraizamento.

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Capítulo 7: A criação da variabilidade genética Um dos pressupostos para o melhoramento genético das plantas é a existência de variabilidade genética, sobre a qual a selecção possa agir para a criação de novos tipos com características superiores. Os métodos de melhoramento podem explorar a variabilidade existente na natureza, ou podem basear-se em variabilidade criada artificialmente pelo homem. A variabilidade genética pode-se criar através dos seguintes processos: (i) Mutagênese (ii) Aneuploidia (iii) Cruzamentos interspecíficos 7.1. A mutagênese como fonte de variabilidade Definição: Mutações são modificações imprevistas do material hereditário, que ocorrem numa célula do indivíduo. - As mutações podem ser ao nível do gene (mutações génicas), dos cromossomas (mutações cromossômicas), ou do genoma (mutações genômicas); - Na maior parte dos casos, as mutações são recessivas e para os indivíduos que as sofrem, e muitas vezes são também letais; - As mutações podem verificar-se espontaneamente ou ser induzidas experimentalmente através da aplicação de agentes mutagénicos; - As mutações que interessam ao melhorador são aquelas que podem ser economicamente vantajosas. 7.1.1. Mutações espontâneas - A variabilidade existente em todos os organismos vivos, incluindo as plantas, foi gerada pelas mutações espontâneas e pela sucessiva recombinação. A mutação e a selecção estão pois na base tanto da evolução biológica, como do melhoramento genético das plantascultivadas; - A taxa de mutação natural é muito baixa, embora alguns loci estejam mais sujeitos a mudar do que outros; - As mutações espontâneas podem ocorrer tanto ao nível das células somáticas, como ao nível das células gaméticas; F:\Files antigos do stick\Aulas UEM\Melhoramento de plantas 2005\Melhoramento de plantas 2003.doc

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- Se a mutação ocorrer na céluals gaméticas ela transmite-se para a geração seguinte, dando origem a novos indivíduos poratdores da mutação; - Se a mutação ocorrernas células somáticas, é necessário que dessa célula se gere um botão mudado (mutação de botão), para que o fenótipo correspondente possa ser propagado por via vegetativa. 7.1.2. Mutações induzidas - As técnicas de mutações induzidas desenvolveram-se a partir dos anos 1950; - As mutações podem ser induzidas através de agentes mutagênicos físicos e químicos; - Agentes físicos: Radiações ionizantes (raios X, neutrões, partículas alfa, beta e raios gama); Raios X: estão entre as radiacções de maior interesse para o melhoramento, pelos seguintes motivos: a. b. c. d.

São fáceis de aplicar em sementes e outras partes de plantas; O cálculo da dosagem é fácil; Usa aparelhagens que pode ser facilmente desactivadas; Não apresentam problemas de despejos de resíduos radioactivos.

Para cada material é necessário usar uma dosagem específica, suficiente para provocar o maior número de mutações possível, sem provocar danos nos materiais tratados; A primeira geração resultante de sementes tratadas designa-se M1, e as progénies sucessivas M2, M3, etc. Neutrões: o interesse no uso dos neutrões foi determinado pela construção de reactores nucleares; Tem a desvantagem de os materiais tratados tornarem-se por um breve período levemente radioactivos, e terem por isso de ser manipulados com cuidado.

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Partículas alfa e beta: partículas alfa (núcleos de hélio – Rn 222), Urânio (U238), e partículas beta (electrões – P32 e S35), podem ser usados como agentes mutagênicos.

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Técnicas para a utilização dos materiais segregantes nas experiências de mutagênese

7.2. Aneuploidia e euploidia como fonte de variabilidade 7.3. Cruzamentos interespecíficos como fonte de variabilidade

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