LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS
Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas
Departamento de GenéticaAvenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil
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A BIOTECNOLOGIA NO MELHORAMENTO DA CANA-DE-AÇÚCAR
Aluno: João Fernando BortoletoOrientador: Antonio Vargas de Oliveira Figueira
SUMÁRIO
introduçãobiotecnologianovas abordagensdesafios e perspectivasconsiderações finais
INTRODUÇÃO
INTRODUÇÃOaspectos socioeconômicos
1532: Grandes Navegações
Preço do açúcar Monocultura Grande propriedade Escravidão 1630: Invasão
holandesa Decadência
INTRODUÇÃOaspectos socioeconômicos
Crise do petróleo 1975: Programa Nacional do Ácool
(Proácool) Crise de 1989
Uso de álcool na gasolina
Brasil: maior produtor
INTRODUÇÃOaspectos socioeconômicos
Safra 2006/07 R$ 41 bilhões 3,65% PIB
420 milhões ton 5,82 milhões ha
30 milhões ton
17,5 bilhões L
Unicamp/CTC/Procana
60% da produção
INTRODUÇÃO
Divisão Magnoliophyta
Classe Liliopsida
Ordem Poales
Família Poaceae
Gênero Saccharum
Espécies: S. barberi, S. edule, S. officinarum, S. robustum, S. sinense, S. spontaneum
taxonomia
INTRODUÇÃOtaxonomia
S. officinarum S. spontaneum
híbrido
Saccharum spp.
INTRODUÇÃO
Grande produtividade, melhor capacidade de enraizamento e resistência a doenças
S. officinarum2n=80; X=10
S. spontaneum2n=48-128; X=8
2n=808X=80
octaplóide
2n=8010X=80
decaplóide
INTRODUÇÃOgenoma D´Hont et al., 1998
18S-5,6S-25S
5S
INTRODUÇÃOgenoma
S. officinarum2n=8X=80
S. spontaneum2n=6-16X=48-128
híbrido
Saccharum spp.2n=100-130
INTRODUÇÃO
INTRODUÇÃOgenoma
S. officinarum
S. spontaneum
D´Hont et al., 1996
Poliploidia e aneuploidia 15-20%: genoma de S.
spontaneum Menos de 5%: cromossomos
translocados
INTRODUÇÃOgenoma Grivet e Arruda, 2002
1. Célula somática (2C)2. Célula gamética (1C)3. Conjunto monoplóide
INTRODUÇÃOgenoma
Genoma grande: 7440 Mpb Octaplóide (S. officinarum)
930 Mpb Maior que gameta do sorgo: 760
Mpb Duas vezes maior que gameta do
arroz: 430 Mpb
Grivet e Arruda, 2002
Cana-de-açúcar(Saccharum officinarum)
Sorgo(Sorghum bicolor)
INTRODUÇÃOmelhoramento
www.ctcanavieira.com.brpmgca.dbv.cca.ufscar.br
www.iac.sp.gov.br/Centros/CentroCANA/PRINCIPAL.htm
Necessidade de integração do melhoramento convencional e
molecular para superar o desafio de manter a indústria lucrativa no futuro
BIOTECNOLOGIA
por quê?
Genoma complexo: estrutura e recombinação Base genética estreita Baixa fertilidade Susceptibilidade a doenças e pragas Longo ciclo de seleção para produção de
cultivares de elite
BIOTECNOLOGIA
dificuldades no
melhoramento
progressos
Genômica Cultura de células e
tecidos Transformação genética
de cultivares Desenvolvimento de
mapas genéticos Diagnóstico molecular de
patógenos Estudo das bases
moleculares do acúmulo de sacarose
BIOTECNOLOGIA
genômica
Técnicas de sequenciamento
eficientes SUCEST (The Sugarcane
EST Project) Mais de 260.000
sequências expressas Vários tecidos e estágios
de desenvolvimento Ao menos 90% das ESTs
de cana-de-açúcar anotadas
BIOTECNOLOGIAVettore et al., 2003
cultivo in vitro
Micropropagação Multiplicação
clonal Meristemas apical
e axilar Regeneração
direta: estabilidade genética e fenotípica
Lakshmanan et al., 2006
BIOTECNOLOGIA
cultivo in vitro
Embriogênese somática Tipo de calo Tecidos foliares (meristemas) Idade e posição do explante 2,4-D (ácido 2,4-diclorofenoxiacético) Transformação genética
Cidade et al., 2006Niaz e Quraishi, 2002
BIOTECNOLOGIA
Snyman et al., 1996
cultivo in vitro
Outras aplicações Conservação de germoplasma
Produção de plantas sadias para plantio comercial
BIOTECNOLOGIA
Tecnologias iniciais Polietilenoglicol (PEG): primeiros calos transgênicos Eletroporação: calos com estabilidade do transgene
protoplastos
Dificuldades na
regeneração
transformação genéticaBIOTECNOLOGIA
Agrobacterium
BIOTECNOLOGIAtransformação genética Gelvin, 2005
Agrobacterium Desarmamento de cepas
BIOTECNOLOGIAtransformação genética
Brasileiro e Carneiro, 1998
Agrobacterium Vetores binários
BIOTECNOLOGIAtransformação genética
Brasileiro e Carneiro, 1998
Komori et al., 2007
Agrobacterium Construção de vetores por recombinação
BIOTECNOLOGIAtransformação genética Komori et al., 2007
Agrobacterium Vetores superbinários
Komari et al., 1996
BIOTECNOLOGIAtransformação genética
Agrobacterium Marcador visual: β-glucuronidase (GUS) Calos
BIOTECNOLOGIAtransformação genética Arencibia et al., 1998
Agrobacterium Plantas resistentes a BASTA Frequência de transformação: 35%
BIOTECNOLOGIAtransformação genética Enríquez-Obregón et al., 1998
Agrobacterium Marcador visual: proteína verde fluorescente (GFP) Seleção de linhagens transgênicas
BIOTECNOLOGIAtransformação genética Elliott et al., 1998
Agrobacterium Gemas axilares Elevada eficiência de
transformação:50% Plantas resistentes a
BASTA
BIOTECNOLOGIAtransformação genética Manickavasagam et al., 2004
Agrobacterium Tipo de cepa Dependência de genótipo Prevenção de morte celular Calos jovens e regeneráveis Tecidos foliares jovens pré-induzidos à embriogênese
somática Gemas axilares
BIOTECNOLOGIAtransformação genética
Biobalística Método mais amplamente explorado
www.bio-rad.com
BIOTECNOLOGIAtransformação genética
membrana carreadora
câmara de gásem alta pressão
tela de retenção
membranade ruptura
micropartículascélulas-alvo
prateleira
aparato de lançamento
Biobalística
BIOTECNOLOGIAtransformação genética Bower e Birch, 1992
Biobalística Brasil: plantas resistentes a herbicida, broca da
cana-de-açúcar e com acúmulo de prolina
BIOTECNOLOGIAtransformação genética
Christensen e Quail, 1996 Falco et al., 2000
Christensen e Quail, 1996 Falco e Silva-Filho, 2003
Biobalística Disponibilidade de
equipamento Método de alta
aplicabilidade e versatilidade
BIOTECNOLOGIAtransformação genética
DESAFIOS E PERSPECTIVAStransgênicos Lakshmanan et al., 2005
Características engenheiradas Sistemas repórter ou de
seleção Resistência a herbicidas Resistência a doenças Resistência a pragas Modificações
metabólicas e produtos alternativos
NOVAS ABORDAGENS
NOVAS ABORDAGENSbiofábricas
Produtos alternativos com alto valor agregado Competitividade e sustentabilidade 100 proteínas recombinantes já produzidas
em plantas Proteínas virais Vacinas Peptídeos antimicrobianos Fármacos Anticorpos Compostos industriais
NOVAS ABORDAGENSbiofábricas
Por que a cana-de-açúcar? Crescimento Biomassa Fixação de carbono Sistema de armazenamento Propagação vegetativa Cultivo
Fator estimulante de colônias de macrófagos granulócitos humanos (GM-CSF)
Aplicações clínicas Acúmulo limitado a 0,02% do total de proteínas
solúveis em plantas sob condições de campo Ainda inviável economicamente
NOVAS ABORDAGENSbiofábricas Wang et al., 2005
NOVAS ABORDAGENSbiofábricas McQualter et al., 2005
corismato piruvato-liase
4-hidroxicinamoil-CoA-hidratase/liase
Ácido p-hidróxi-benzóico(pHBA)
Biopolímero Até 7,3% do peso seco das
folhas e 1,5% do colmo Sem anormalidades no
crescimento e desenvolvimento
NOVAS ABORDAGENSbiofábricas McQualter et al., 2005
NOVAS ABORDAGENSbiofábricas
Poli-3-hidroxibutirato (PHB) Produto biodegradável 1,88% do peso seco das folhas 0,004% do peso seco do colmo Sem prejuízos ao crescimento e
desenvolvimento
Petrasovits et al., 2007
NOVAS ABORDAGENSbiofábricas Petrasovits et al., 2007
NOVAS ABORDAGENSbiofábricas Chong et al., 2007
sorbitol-6-fosfato desidrogenase
glicoquisane
Sorbitol Acoplamento com
intermediários do metabolismo de sacarose
120 mg/g de peso seco da folha (61% dos açúcares solúveis)
10 mg/g peso seco do caule Comprometimento do
crescimento Acúmulo de níveis
expressivos
NOVAS ABORDAGENSbiofábricas Chong et al., 2007
DESAFIOS E PESPERCTIVAS
Pontos-chave Promotores
Otimização de codons Técnica de transformação
Uso de chaperonas Endereçamento de produtos
para organelas Transformação de
cloroplastos
DESAFIOS E PERSPECTIVAStransgênicos/biofábricas
DESAFIOS E PERSPECTIVASmarcadores moleculares
Origem da cana-de-açúcar comercial “Complexo Saccharum”: Saccharum, Miscanthus,
Erianthus, Sclerostachya e Narenga Hibridação? Altamente contrastantes
Diversidade e identificação de variedades Altamente heterozigótica (porção do genoma de S.
spontaneum) SSR para identificação de cultivares
DESAFIOS E PERSPECTIVASmarcadores moleculares Grivet e Arruda, 2002
DESAFIOS E PERSPECTIVASmarcadores moleculares
Introgressão e identificação de QTLs Estreita base genética Marcas ligadas a genes de interesse (Erianthus
arundinaceous) RAPD, RFLP, SSR ---> SNPs e DArT Busca de QTLs Melhoria de ferramentas biométricas
Marcadores moleculares para diagnóstico Ácidos nucléicos Diversas doenças Dependência dos avanços genômicos
Aumento da biomassa x aumento daconcentração de sacarose Estratégia?
Manipulação de enzimas sacarose fosfato sintase (SPS) e invertases (INV) Sucesso limitado
Bases moleculares do balanço metabólico Crescimento x armazenamento
DESAFIOS E PERSPECTIVASacúmulo de sacarose
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Potencial dos programas genômicos
Estrutura, função e interação de genes
Revolução na biotecnologia
Melhoramento molecular ilimitado
CONSIDERAÇÕES FINAIS