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HERANÇA MONOFATORIAL MENDEL Gregor Mendel (1822-1884) é chamado, com mérito, o pai da genética. Realizou trabalhos com ervilha (Pisum sativum 2n = 2x =14 ) no mosteiro de Brunn, na Áustria. Sua primeira monografia foi publicada em 1866, mas, devido ao caráter quantitativo e estatístico de seu trabalho, e das influências do trabalho de Darwin (1859) sobre a origem das espécies, pouca atenção foi dada àqueles relatos. Em 1900, o trabalho de Mendel foi redescoberto por outros pesquisadores. Cada um deles obteve, a partir de estudos independentes, evidências a favor dos princípios de Mendel, citando-o em suas publicações. Em 1905, o inglês William Bateson batizou esta ciência que começava a nascer de Genética. O TRABALHO DE MENDEL Mendel não foi o único a realizar experimentos de hibridação, mas foi o que obteve maior sucesso, devido a metodologia e ao material escolhido. Trata-se de material com muita variabilidade; há genitores contrastantes para vários caracteres; há possibilidade de se obter progênie abundante; a espécie é de fácil cultivo e ocupa pouco espaço; o ciclo é relativamente curto e a planta autógama, atingindo a homozigose e pureza por processo natural de propagação. Metodologia Mendel destacou-se por ter adotado procedimentos metodológicos científicos e criteriosos. Destacam-se os fatos de ter analisado um caráter por vez; trabalhado com pais puros; e ter quantificado os dados. Mendel estudou 7 características, cada uma com duas manifestações fenotípicas. Elas são relacionadas na tabela que segue. EXPERIMENTO ENVOLVENDO PLANTAS ALTAS E ANÃS Considerando o caráter altura de plantas, pode-se detalhar seus resultados da seguinte maneira: a) Cruzamento inicial: envolveu genitores contrastantes altos e anões. b) Geração F1: na primeira geração (F1) verificou-se que toda descendência era alta. O fenótipo anão havia desaparecido. Característica Dominância Recessividade Tipo de inflorescência axilar terminal Forma da casca da semente lisa rugosa Cor dos cotilédones amarelos verdes Cor da casca da semente cinza branca Forma da vagem normal sulcada Cor da vagem verde amarela Altura da planta alta anã c) Geração F2: quando se autofencundou a F1, verificou-se uma descendência constituída de 787 plantas altas e 277 plantas anãs, ou seja, das 1.064 plantas, 1/4 era anã e 3/4 altas. d) Teste da F2 anã: autofecundando-se as plantas anãs, observou-se que a progênie sempre era constituída de plantas anãs, e, conseqüentemente, essas plantas anãs F2 eram puras. e) Teste da F2 alta: as plantas altas, quando autofecundadas, resultavam na descendência só altas ou altas e anãs, na proporção de 3:1. Do total das plantas altas da geração F2, apenas 1/3 era pura, ou seja, quando autofecundadas resultavam em progênies só de plantas altas. Os 2/3 restantes eram impuros (ou segregavam), ou seja, quando autofecundadas, resultavam em plantas altas e anãs, na proporção de 3 alta : 1 anã. CONCLUSÕES Cruzando-se pais puros contrastantes e autofecundando-se a geração F1, observa-se: · Relação de Aparência = 3/4 altas: 1/4 anãs · Relação de Pureza = 1/4 alta pura: 2/4 altas não-puras: 1/4 anã pura. HIPÓTESE Pelos resultados observados, Mendel formulou a hipótese de que o caráter estaria sendo controlado por dois fatores determinantes, de modo que o indivíduo tivesse dois, mas os gametas apenas um. Por esta hipótese, os resultados poderiam ser explicados satisfatoriamente. Relação de Pureza (ou Genotípica) = ¼ alta pura (atribuído a AA) : 2/4 altas não-puras (atribuído a Aa) : ¼ anã pura (atribuído a aa) Relação de Aparência (ou Fenotípica) = ¾ altas (atribuído a A_ ou AA + Aa) : ¼ Anã (atribuído a aa) 1a. LEI O mesmo modelo, pressupondo que cada indivíduo tivesse dois fatores para o controle da característica, mas passando apenas um, por vez, para próxima geração, foi aplicado para explicar os resultados dos demais experimentos. Em todas as situações avaliadas, a hipótese mostrava-se adequada para elucidar o fenômeno biológico estudado. Esse fato levou Mendel a enunciar sua primeira lei. Por esta lei é estabelecido que os fatores genéticos (alelos) ocorrem aos pares nos indivíduos, mas apenas um, por vez, é passado ao descendente, por intermédio dos gametas. Autofecundações Ocorre quando o cruzamento envolve gametas masculinos e femininos produzidos pelo próprio indivíduo. Ocorre geralmente em vegetais, que contam com o aparelho reprodutor masculino e feminino na mesma planta (plantas monóicas) ou na mesma flor (plantas hermafroditas). Será considerado, como ilustração, a descendência obtida por autofecundação numa população P1, constituída de 20 indivíduos AA, 30 Aa e 50 aa. Neste caso, tem-se o seguinte esquema de cruzamentos. Genótipo Probabilidade AA Aa aa AA 0,20 0,20 - - Aa 0,30 0,075 0,15 0,075 aa 0,50 - - 0,50 Total 1,00 0,275 0,15 0,575 Esta população descendente é facilmente predita sabendo-se que, a cada geração de autofecundação, a freqüência de heterozigotos reduz-se à metade. Assim, a freqüência que originalmente é 0,30 passa para 0,15. O 0,15 restante é distribuído eqüitativamente entre os homozigotos. Logo a freqüência de AA torna-se 0,20 + ½(0,15) = 0,275, e a de aa, torna-se 0,50 + ½(0,15) = 0,575. Assim, a população autofecundada terá a seguinte constituição: Acasalamento ao Acaso Ocorre quando os cruzamentos não são estabelecidos de forma preferencial. Será considerado, como ilustração, a descendência obtida por acasalamento ao acaso entre indivíduos de uma população P1, constituída de 50 indivíduos AA, e 50 Aa. Assim a freqüência de homozigotos dominantes (D) é de 0,5, a de heterozigotos (H) é de 0,5 e a de recessivos (R) é 0,0. Neste caso, tem-se o seguinte esquema de cruzamentos: O usuário com conhecimento adicional em genética de populações poderá estimar com facilidade as freqüências gênicas ou alélicas da população, por meio das expressões: f(A) = p = D + (1/2)H; e f(a) = q = R + (1/2)H Assim, para população P2, tem-se: f(A) = p =0,75 f(a) = q = 0,25 Utilizando-se o princípio de equilíbrio de Hardy-Weinberg, aplicado a populações derivadas de acasalamento ao acaso, também se obtém: Genótipo Freqüência AA 0,275 Aa 0,150 aa 0,575 Cruzamento Probabilidade AA Aa aa AA x AA 0,50x0,50 0,25 - - AA x Aa(*) 2x0,50x0,50 0,25 0,25 - Aa x Aa 0,50x0,50 0,0625 0,125 0,0625 Total 1,00 0,5625 0,375 0,0625 Genótipo Esperado Freqüência AA p² 0,5625 Aa 2pq 0,3750 aa q² 0,0625 Cruzamentos Direcionados Ocorre quando os cruzamentos são estabelecidos de forma preferencial. Como exemplo, será considerado o cruzamento entre os indivíduos de duas populações, P1 e P2, dadas a seguir: Genótipo P1 P2 AA 20 50 Aa 30 50 Aa 50 0 Considera-se, inicialmente, a freqüência genotípica em cada população, dadas a seguir: Assim, são estabelecidos os seguintes cruzamentos: P1 x P2 Probabilidade AA Aa aa AA x AA 0,20x0,50 0,10 - - AA x Aa 0,20x0,50 0,05 0,05 - Aa x AA 0,30x0,50 0,075 0,075 - Aa x Aa 0,30x0,50 0,0375 0,075 0,0375 aa x AA 0,50x0,50 - 0,25 - aa x Aa 0,50x0,50 - 0,125 0,0125 Total 1,00 0,2625 0,575 0,1625 Conclui-se que, para esse cruzamento, a população híbrida terá a seguinte constituição: Freqüência P1 P2 D=f(AA) 0,20 0,50 H=f(Aa) 0,30 0,50 R=f(aa) 0,50 0,0 Genótipo Freqüência AA 0,2625 Aa 0,5750 Aa 0,1625 CRUZAMENTO-TESTE CONCEITO É entendido como o cruzamento entre um indivíduo (I) qualquer com outro em homozigose recessiva para os genes envolvidos no controle do caráter em estudo. Tem sido de grande importância em estudos de ligação fatorial ou em estudos de identificação de genótipos. IMPORTÂNCIA Em estudos de ligação fatorial, adistância entre genes é medida pela freqüência de gametas recombinantes. Assim, para se estimar a freqüência de cada gameta produzido por um duplo heterozigoto, com genes ligados, realiza-se o cruzamento-teste. O testador, sendo recessivo, permite a manifestação de genes vindos do duplo- heterozigoto, e a freqüência dos indivíduos formados reflete a freqüência de seus gametas. Em estudos de identificação de genótipos, o cruzamento-teste também tem sua importância. Considera-se certa doença em uma espécie, sendo a resistência determinada por A- (AA ou Aa) e a susceptibilidade, por aa. Tendo-se um indivíduo com fenótipo dominante (resistente), surge a dúvida de tratar-se de um homozigoto ou de um portador da forma alélica indesejável. A identificação do verdadeiro genótipo torna-se possível com a análise da descendência do cruzamento-teste, pois existem duas possibilidades: a) se surgirem só descendentes resistentes, conclui-se que o indivíduo é AA; e b) se surgirem descendentes resistentes e suscetíveis, conclui-se que o indivíduo é Aa. TAMANHO DE AMOSTRA O problema que surge na análise da descendência para identificação de genótipos diz respeito ao número de indivíduos necessários, para que a inferência a respeito do genótipo do genitor seja feita com grau satisfatório de certeza. Assim, se na descendência do cruzamento-teste surgirem resistentes e suscetíveis, ter-se-á certeza absoluta de que o genitor é Aa, mas, se surgirem n descendentes resistentes, e n for um número relativamente pequeno, concluir-se-á que o genitor tem genótipo AA, mas com certeza 1 - a, sendo a o erro que se comete por desprezar o fato de o indivíduo poder ser Aa e no cruzamento (no caso, cruzamento-teste) proporcionar apenas resistentes. Podemos considerar duas situações de identificação de genótipos: Um indivíduo resistente que, ao ser submetido ao cruzamento-teste, proporcionou n descendentes resistentes Neste caso, conclui-se que o genótipo do indivíduo é AA, com certeza de 1 - a, sendo a o erro que se comete por desprezar o fato de o indivíduo poder ser Aa e, no cruzamento-teste proporcionar apenas resistentes. Logo, o erro a é estimado por meio de: a = (1/2)n e c = certeza = 1 - a Assim, o número de descendentes a serem avaliados, para se concluir sobre o genótipo do genitor com c % de certeza é: n = LOG(1-c)/LOG(1/2) Se for especificada certeza de 99%, teremos: n = LOG(1-0,99)/LOG(1/2) = 6,64 Ou seja, serão necessários 7 descendentes para que a inferência sobre o genitor seja feita com 99% de certeza. Um indivíduo resistente que, ao ser autofecundado, proporcionou n descendentes resistentes Neste caso, conclui-se que o genótipo do indivíduo é AA, com certeza de 1 - a, sendo a o erro que se comete por desprezar o fato de o indivíduo poder ser Aa e, na autofecundação, proporcionar apenas resistentes. Logo, o erro a é estimado por meio de: a= (3/4)n e c = certeza = 1 - a Se for especificado um certo grau de certeza, pode-se estimar o tamanho da amostra por meio de: n = LOG(1-c)/LOG(3/4) Assim, se for especificado certeza de 99%, teremos: n = LOG(1-0,99)/LOG(3/4) =16 Ou seja, serão necessários 16 descendentes para que a inferência sobre o genitor seja feita com 99% de certeza. AUTOFECUNDAÇÃO CONCEITO A autofecundação é um processo de propagação sexuada, verificado naturalmente em muitas espécies vegetais que contam com os aparelhos reprodutores masculino e feminino na mesma planta. Também é utilizado em programas de melhoramento, com vistas a obtenção de linhagens homozigóticas, para produção de híbridos heteróticos a partir de seus intercruzamentos. EFEITO DA AUTOFECUNDAÇÃO Se uma população de heterozigotos (100% Aa) é autofecundada, a descendência (F1) será formada de 50% de heterozigotos e 50% de homozigotos (AA + aa). Assim, em apenas uma geração de autofecundação a freqüência de heterozigoto reduz-se à metade. Esse fato se verifica nas gerações seguintes, ou seja, se a F1 for novamente autofecundada, ter-se-á: Verifica-se que agora a freqüência de heterozigotos, reduzida à metade, é de 25%. Os 25 % restantes são distribuídos eqüitativamente para os homozigotos. RETROCRUZAMENTO CONCEITO Refere-se ao cruzamento de um descendente com qualquer um de seus genitores. O termo genitor pode ser entendido no sentido restrito, se referindo àqueles indivíduos que de fato contribuíram, por intermédio de seus gametas, para a formação do descendente ou no sentindo amplo, se referindo a indivíduos representativos da variedade, da raça ou do tipo dos genitores estudados. Neste último caso, retrocruzamento não é, necessariamente, um tipo de cruzamento endogâmico (ou consangüíneo). Retrocruzamento tem sido reconhecido como um importante método de melhoramento, utilizado para a obtenção de materiais genéticos superiores, obtidos pela transferência de um ou poucos genes, de uma fonte não-recorrente. ILUSTRAÇÃO Como ilustração, é considerada uma variedade (C) geneticamente superior, utilizada por agricultores, pelos seus excelentes atributos. Entretanto, essa variedade poderá vir a apresentar limitações de cultivo devido ao genótipo hh, que confere a suscetibilidade a certa doença, que até então não ocorria na região. Será admitido que se dispõe de fonte de resistência em uma variedade não-comercial (S), de genótipo HH. Pretende-se, neste caso, obter o material genético idêntico ao C original, porém com o gene de resistência H. Para isso, realiza- se o cruzamento inicial: F1 Probabilidade AA Aa aa AA 0,25 0,25 - - Aa 0,50 0,125 0,25 0,125 aa 0,25 - - 0,20 Total 1,00 0,375 0,25 0,375 Cruzamento original: C (hh) x S (HH) F1: Hh A F1, por ser um híbrido, reúne, em probabilidade, ½ das características desejáveis da variedade C, mas concentra a outra ½ de características da variedade S. Para eliminar as características indesejáveis de S, realiza-se o retrocruzamento envolvendo o genitor recorrente C, tendo-se: Retrocruzamento 1: F1 (Hh) x C (hh) Descendência RC1: Hh e hh. Indivíduos hh são indesejáveis e, portanto, eliminados. A similaridade da RC1 com o material C é agora, em probabilidade, igual a 75%. Esse valor é obtido considerando-se que cada descendente herda metade dos atributos genéticos de cada genitor. Assim, considera-se: RC1 = ½ [C] + ½ [F1] Sendo [C]: informação genética atribuída ao genitor C; [F1]: informação genética atribuída ao genitor F1. Sendo um híbrido, tem-se: F1 = ½[C] + ½ [S] Logo, RC1 = ½ [C] + ½{ ½[C] + ½[S]} = ¾ [C] + ¼ [S] Retrocruzamento 2: RC1 (Hh) x C (hh) Descendência RC2: Hh e hh. Indivíduos hh são indesejáveis e, portanto, eliminados. A similaridade da RC2 com o material C é, em probabilidade, igual a 87,5%. Esse valor é obtido de forma análoga: RC2 = ½ [C] + ½ [RC1] Logo, RC2 = ½ [C] + ½{ ¾ [C] + ¼ [S]} = 7/8 [C] + 1/8 [S] Conclui-se que, a cada geração de retrocruzamento, a contribuição do genitor não-recorrente (S) reduz-se à metade. CARACTERÍSTICAS GERAIS De maneira geral, pode-se afirmar: a) A freqüência de indivíduos resistentes e suscetíveis na n-ésima geração de retrocruzamento é de 50 % (1/2 Aa e ½ aa); b) A similaridade dos indivíduos da n-ésima geração com o genitor não-recorrente (S, no exemplo) será: Similaridade com genitor não-recorrente : (1/2)(n+1) c) A similaridade dos indivíduos da n-ésima geração com o genitor recorrente (C, no exemplo) será: Similaridade com genitor recorrente : 1 - [(1/2)(n+1)] d) Deve ser ressaltado que após cinco a sete gerações de retrocruzamentos, tem-se material genético com praticamente todas as características da variedade original C. Entretanto, o genótipo é ainda heterozigoto. Torna-se, portanto, necessário o intercruzamento (ou autofecundação) entre os indivíduos Hh, de forma que se obtenhana descendência indivíduos C HH. GENÉTICA DE POPULAÇÕES ESTRUTURA GENÉTICA DE UMA POPULAÇÃO Uma população é a reunião de indivíduos com diferentes genótipos. O conhecimento da estrutura genética de uma população é indispensável ao melhorista para realizar sobre ela mudanças em magnitude e sentido desejados. A estrutura da população é definida pela freqüência dos alelos que compõem os diferentes genótipos das diferentes famílias. Considerando apenas o gene A/a, define-se uma população de tamanho n como sendo aquela constituída de n1 indivíduos AA, n2 Aa e n3 aa, tal como ilustrado no quadro a seguir: n = n1 + n2 + n3 D + H + R = 1,0 As freqüências dos alelos A e a, na população, podem ser obtidas por meio das expressões: f(A) = p = (2n1 + n2)/2n = D + ½H f(a) = q = (2n3 + n2)/2n = R + ½H p + q = 1,0 Como exemplo, será considerada a seguinte população: Genótipos Nº de indivíduos Freqüência AA 200 D =0,2 Aa 400 H = 0,4 aa 400 R = 0,4 Total 1000 1 A partir desses valores, obtém-se: Genótipos Nº de indivíduos Freqüência AA n1 D = n1/n Aa n2 H = n2/n aa n3 R = n3/n Total n 1 p = f(A) = 0,2 + ½ (0,4) = 0,4 q = f(a) = 0,4 + ½ (0.4) = 0,6 FATORES QUE ALTERAM FREQÜÊNCIA GÊNICA Os seguintes fatores alteram a freqüência gênica de uma população: Processos Sistemáticos São aqueles cuja alteração na freqüência gênica é conhecida tanto em termos de magnitude quanto de direção. Consideram-se como processos sistemáticos a seleção, migração e mutação. Processos Dispersivos São aqueles em que é possível conhecer apenas a magnitude da alteração da freqüência, mas não a direção em que ela foi alterada. Como processo dispersivo, é considerada a oscilação genética ou a amostragem. EQUILÍBRIO DE HARDY-WEINBERG Em uma população suficientemente grande e na ausência de seleção, migração e mutação, o equilíbrio é atingido após uma geração de acasalamento ao acaso ("aaa"), de maneira que a relação genotípica se torne igual ao quadrado da freqüência gênica e, com as sucessivas gerações de acasalamento ao acaso, permanece inalterada. Será considerada uma população original com genótipos AA, Aa e aa, nas freqüências D, H e R, respectivamente. As freqüências alélicas são p e q, para A e a, respectivamente. Admitindo que ocorre acasalamento ao acaso ("aaa") entre os indivíduos dessa população, pode-se predizer a descendência, conforme ilustrado a seguir: sendo, portanto f(A) = p1 = D + ½ H = p 2 + ½ 2pq = p f(a) = q1 = R + ½ H = q 2 + ½ 2pq = q A relação genotípica da descendência é dada por (pA + qa)² . AVALIAÇÃO DE EQUILÍBRIO Um estudo de grande importância é a avaliação da existência da condição de equilíbrio numa determinada população. Caso isto ocorra, haverá indicativo de que ela não está sujeita à pressão de seleção e de que o fluxo de migração e a mutação são desprezíveis. Tendo-se informações sobre as freqüências genotípicas, pode-se verificar as condições de equilíbrio, como ilustrado a seguir: Cruzamento em Po Freqüência Pop1 - AA Pop 1 - Aa Pop 1 - aa AA x AA D² D² - - AA x Aa 2DH DH DH - AA x aa 2DR - 2DR - Aa x Aa H² H²/4 H²/2 H²/4 Aa x aa 2HR - HR HR aa x aa R² - - R² Total 1,0 (D+ ½H)²=p² 2(D+ ½H)(R+ ½H)=2pq (R+ ½H)²=q² Genótipos Num. Observado Freqüência AA 100 0,6756 Aa 28 0,1891 aa 20 0,1351 Com os dados disponíveis, estimam-se as freqüências gênicas, como descrito a seguir: f(A) = p = D + ½ H =0,675 + ½ 0,1891 = 0,7701 f(a) = q = R + ½ H = 0,1351 + ½ 0,1891 = 0,2299 No equilíbrio, espera-se uma freqüência igual a p², para AA, 2pq para Aa e q² para aa, o que corresponde a 0,5931 AA; 0,3537 Aa; e 0,0527 aa. Assim, considerando os 148 indivíduos, podem-se comparar os valores esperados com os observados, tal como descritos a seguir: Genótipos Observado Esperado no Equilíbrio AA 100 87,78 Aa 28 52,35 aa 20 7,80 Como se dispõe de três classes fenotípicas, com valores esperados obtidos por meio das estimativas de p (ou de q), estima-se a estatística x², associada a 1 grau de liberdade. Para os dados considerados, tem-se: x² = [(100 - 87,78)²]/87,78 + [(28 - 52,35)²]/52,35 + [(20 - 7,80)²]/7,80 = 32,08 O valor de probabilidade associado é a = 0,0001. Conclui-se que os dados não se ajustam ao esperado, sendo, portanto, indicativo de que a população não se encontra em equilíbrio. ALELOS MÚLTIPLOS Mesmo quando mais de dois alelos são considerados em um loco (alelos múltiplos), o equilíbrio é estabelecido após uma única geração de acasalamento ao acaso. Também, nesse caso, a relação genotípica da geração em equilíbrio é dada pelo quadrado da freqüência dos alelos da geração original. Assim, considerando n alelos (Aj, com j=1 ...n com freqüência f(Aj)), têm-se no equilíbrio as seguintes propriedades: Relação Genotípica no equilíbrio = [f(A1) + f(A2) ... f(An)]² Será considerada, a título de exemplo, uma série constituída por apenas três alelos: A1, A2 e A3 com freqüência p, q e r, respectivamente. Os possíveis genótipos e as respectivas freqüências genotípicas são dados as seguir: Genótipos Nº de indivíduos Freqüência Genotípica A1A1 N11 P11 = N11 / N A1A2 N12 P12 = N12 / N A1A3 N13 P13 = N13 / N A2A2 N22 P22 = N22 / N A2A3 N23 P23 = N23 / N A3A3 N33 P33 = N33 / N As freqüências gênicas podem ser obtidas através das expressões: f(A1) = p = (2N11 + N12 + N13)/2N = P11 + (P12 + P13)/2 f(A2) = q = (2N22 + N12 + N23)/2N = P22 + (P12 + P23)/2 f(A3) = r = (2N33 + N13 + N23)/2N = P33 + (P13 + P23)/2 Após uma geração de acasalamento ao acaso, têm-se as seguintes freqüências genotípicas: GENES LIGADOS AO SEXO Nesse caso, pode-se demonstrar que para se atingir o equilíbrio é necessário que as freqüências dos alelos nos diferentes sexos sejam iguais. Esse equilíbrio não é alcançado em uma única geração, mas, quando atingido, se verificam as seguintes relações genotípicas: Machos XAY XaY Freqüência p q Considerando um gene deletério dominante ligado ao sexo (A), em que f(A) = p, espera-se observar maior freqüência de defeito entre as mulheres (p² + 2pq > p). Para o caso de um gene deletério recessivo (b) ligado ao sexo, espera-se maior freqüência de defeitos entre os homens (q > q²). Genótipos Freqüência A1A1 p² A1A2 2pq A1A3 2pr A2A2 q² A2A3 2qr A3A3 r² Total 1,0 Fêmeas XAXA XAXa XaXa Freqüência p² 2pq q²
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