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NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 84 Professor: Geísa Paes – geisapaes@gmail.com GRADUAÇÃO UNEC / EAD CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA DISCIPLINA: Biotecnologia CAPÍTULO 10: APLICAÇOES E USO DOS MARCADORES MOLECU- LARES 1) INTRODUÇÃO O princípio da utilização dos marcadores moleculares é baseado no dogma central da biologia molecular e na pressuposição de que diferenças genéticas no DNA significam, na maioria das vezes, diferenças nas proteínas codificadas, as quais em conjunto levam a diferença no fenótipo. Existem vários questionamentos sobre o uso apropriado das várias tecnologias disponíveis, incluindo questões financeiras relacionadas à infra-estrutura e material de custeio necessário as metodologias, questões metodológicas de obtenção e aná- lise dos marcadores moleculares considerando os diferentes tipos, questões relacio- nadas aos recursos humanos com treinamento e experiência e questões relaciona- das às aplicações práticas desses marcadores. Os marcadores moleculares permitem gerar uma grande quantidade de infor- mações sobre identidade genética, diversidade, frequência gênica, relacionamentos filogenéticos, mapeamento genético, seleção assistida, entre outras. Essas informa- ções são extremamente úteis em programas de conservação, caracterização e uso de germoplasma e melhoramento genético. AULA 10 Fonte: Faleiro et. al, 2011. NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 85 Professor: Geísa Paes – geisapaes@gmail.com GRADUAÇÃO UNEC / EAD CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA DISCIPLINA: Biotecnologia As informações moleculares podem complementar as informações ecológicas, morfológicas e agronômicas dos recursos genéticos, contribuindo para aumentar a eficiência dos processos de coleta, direcionar o enriquecimento da base genética, formar e validar coleções nucleares e de trabalho, analisar a diversidade e a pureza genética, identificar acessos duplicados e redundantes, auxiliar trabalhos de classifi- cação botânica e filogenia e subsidiar a seleção de genitores, o planejamento dos cruzamentos e a seleção de genótipos com características desejadas em programas de melhoramento. Dessa forma pode-se dizer que os marcadores moleculares são ferramentas poderosas na geração de informações úteis em diferentes etapas, desde a coleta, caracterização e uso de recursos genéticos, passando por atividades de pré- melhoramento, melhoramento e pós-melhoramento. 2) O USO DOS MARCADORES MOLECULARES NA CONSERVAÇÃO, CA- RACTERIZAÇÃO E USO DE GERMOPLASMAS Bancos ativos de germoplasma (BAGs) são estruturas que conservam amos- tras de germoplasmas – também conhecidas como acessos –, e reúnem o conjunto de materiais hereditários de espécies que garantem a rica variabilidade genética, imprescindível para as pesquisas realizadas no âmbito dos programas de melhora- mento. As pesquisas realizadas com os materiais preservados nos BAGs possibili- tam o desenvolvimento de novas cultivares, garantindo o cultivo de alimentos, mui- tos originários de outros países, nas condições de clima e solo do Brasil. Além do aspecto inovador que viabiliza atender às demandas da cadeia produtiva, os bancos têm a função de conservar a riqueza do patrimônio genético. Comparando, o BAG assemelha-se a uma biblioteca que guarda em seu acer- vo coleções que mantêm viva a história, a cultura, os hábitos e os costumes dos po- vos; ou, até mesmo, a um cofre, onde as pessoas mantêm os seus bens mais pre- ciosos e valiosos. É nesse manancial de possibilidades que os pesquisadores procu- ram materiais genéticos que sejam fontes de características, como resistência a pra- gas e doenças, produtividade e eficiência na absorção e utilização de nutrientes, ne- cessárias para o desenvolvimento de novas cultivares. Graças a esses achados, as pesquisas estão contribuindo com a oferta de alimentos, cada vez mais saudáveis, NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 86 Professor: Geísa Paes – geisapaes@gmail.com GRADUAÇÃO UNEC / EAD CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA DISCIPLINA: Biotecnologia com a redução do uso excessivo de defensivos agrícolas, e, consequentemente, causando menos impacto ao meio ambiente. A variação encontrada em uma determinada espécie (variação fenotípica) pode ser de duas origens: variação devido ao ambiente e variação devido a diferenças genéticas. A existência de variação genética é um pré-requisito para o melhoramen- to de plantas. Germoplasma pode ser definido como o conjunto de genótipos de uma espécie, considerada como um todo. Até recentemente o germoplasma estava limitado pelas barreiras reprodutivas de uma espécie. Somente eram considerados como parte do germoplasma aqueles genótipos que tinham capacidade de transferir seus genes através de cruzamentos, mesmo que fossem cruzamentos interespecíficos. Atualmente, com o desenvolvi- mento das técnicas de biotecnologia, é possível isolar genes de qualquer espécie e transferi-los para a planta a ser melhorada. Por isso, qualquer organismo, mesmo microorganismos ou animais, pode doar genes e fazerem parte do germoplasma de uma espécie. É muito importante para qualquer melhorista conhecer as diferentes fontes de germoplasma da espécie que está trabalhando, pois são destas fontes que poderemos fazer o melhoramento. A aplicação do uso dos marcadores moleculares envolve diferentes atividades desde a coleta de recursos genéticos até a caracterização molecular da variedade melhorada e sua utilização na proteção da propriedade intelectual. A primeira etapa consiste na análise da distribuição geográfica da variabilidade genética a ser explorada e a função dos marcadores é confrontar a variabilidade ge- nética molecular com a distribuição geográfica dos vários acessos do germoplasma. A coleta de recursos genéticos é uma etapa básica e de extrema importância para De uma forma mais simples, germoplasma é o conjunto de ge- nótipos que podem doar genes para determinada espécie. Portanto, germoplasma é a fonte de variabilidade genética disponível para o melhoramento de plantas. NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 87 Professor: Geísa Paes – geisapaes@gmail.com GRADUAÇÃO UNEC / EAD CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA DISCIPLINA: Biotecnologia os programas de conservação e uso de recursos genéticos realizados por meio de expedições, com o objetivo de resgatar plantas de interesse. Normalmente, em uma expedição, plantas são resgatadas por meio de sementes e/ou mudas e, geralmente procura-se amostrar eficientemente a diversidade genética existente entre elas, por- tanto, faz-se uso dos marcadores moleculares para esse estudo. A análise de acessos duplicados ou redundantes em bancos ativos de germo- plasmas pode ser verificada utilizando-se marcadores moleculares, assim a presen- ça desses acessos duplicados pode ser eliminada ou reduzida nos programas de melhoramento o que implica em ganho de tempo e recursos para a conservação e avaliação do potencial genético dos acessos. Acessos, principalmente de espécies autógamas, normalmente são represen- tados em bancos de germoplasmas por várias sementes. Análise da pureza genética dessas sementes pode ser feita utilizando marcadores moleculares. O princípio des- sa aplicação é estimar o parentesco genético entre as sementes com base na simila- ridade genética calculada a partir dos marcadores moleculares. A estabilidade gené- tica de uma determinada coleção de germoplasmas também pode ser analisada com base em marcadores moleculares. A manutenção da integridade e da estabilidade dos recursosgenéticos é um dos principais objetivos dos programas de conserva- ção. Diversos sistemas de classificação botânica e filogenética de plantas e outros organismos, baseados em diferentes critérios, têm sido utilizados e aperfeiçoados ao longo dos anos. Inicialmente era utilizada a sistemática evolutiva, baseada na morfo- logia, paleontologia, ecologia e ontogenia, depois a taxonomia numérica ou sistemá- tica fenética, baseada na quantidade de similaridade geral entre organismos estuda- dos interpretada como distância evolutiva, e atualmente a sistemática cladística, ba- seados apenas nas características homólogas derivadas e compartilhadas de um ancestral comum próximo. Paralelamente ao avanço dos sistemas de classificação, a utilização de marcadores moleculares nesses estudos foi se tornando cada vez mais comum. Com relação à classificação botânica, muitas vezes o uso da metodo- logia não é fácil, por causa da alta variabilidade intra-específica e o efeito ambiental sobre o fenótipo diferenciador entre espécies e variedades botânicas dentro da mesma espécie. Assim, marcadores moleculares auxiliam tais trabalhos, conside- NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 88 Professor: Geísa Paes – geisapaes@gmail.com GRADUAÇÃO UNEC / EAD CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA DISCIPLINA: Biotecnologia rando o poder de diferenciação inter e intra-específico e a não influência ambiental nas informações geradas. Para que a variabilidade genética de acessos de espécies cultivadas e silves- tres conservadas nos bancos de germoplasmas seja utilizada e aproveitada de for- ma prática, atividades de caracterização são essenciais. Diferentes grupos de carac- terísticas são utilizados nesse processo de caracterização, destacando-se as carac- terísticas ecológicas, morfológicas, agronômicas e moleculares. Essa caracterização de cada acesso vai subsidiar a sua utilização prática fornecendo genes de interesse para os programas de melhoramento genético e também seu uso per se. Os diferentes tipos de marcadores moleculares disponíveis apresentam a ca- pacidade de analisar de forma ampla genomas de interesse, sem influência do am- biente, e dessa forma, gerar informações precisas sobre a diversidade genética e a frequência gênica populacional. Essas informações são extremamente úteis em to- das as fases dos programas de conservação de recursos genéticos, passando pela coleta, conservação, manutenção e manejo das coleções, além de facilitar o uso do germoplasma em programas de melhoramento genético. 3) A BIOTECNOLOGIA E O MELHORAMENTO VEGETAL A tecnologia dos marcadores moleculares trouxe a possibilidade ao melhorista de acessar o genótipo da planta ao invés de simplesmente o fenótipo, como nor- malmente ocorre. Em razão de o fenótipo ser a expressão do genótipo, sob condi- ções ambientais específicas, este pode mudar com o ambiente. No entanto, o genó- tipo, ou a constituição do DNA de um indivíduo permanece constante durante todo o seu ciclo de vida. Selecionar com base no fenótipo é como perseguir um alvo móvel, que muda conforme a variação do ambiente. Já a seleção baseada no genótipo do indivíduo pode contornar esse problema. A importância dos marcadores moleculares reside não só no melhoramento, mas também nos estudos genéticos das plantas. Os marcadores moleculares são ferramentas úteis para detectar varia- ções no genoma, aumentando o poder da análise genética das plantas. NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 89 Professor: Geísa Paes – geisapaes@gmail.com GRADUAÇÃO UNEC / EAD CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA DISCIPLINA: Biotecnologia Os programas de melhoramento genético são divididos em três etapas: pré- melhoramento, melhoramento e pós-melhoramento, sendo que a utilização dos mar- cadores moleculares é de fundamental importância para o sucesso do programa du- rante todo o processo. Na etapa de pré-melhoramento os marcadores auxiliam na seleção de genito- res, confirmação de hibridações e autofecundações, testes de ascendência genética e paternidade, recuperação mais rápida do genoma recorrente, desenvolvimento de mapas genéticos e mapeamento comparativo. A escolha de genitores e o planeja- mento de cruzamentos em programas de melhoramento genético são etapas iniciais e fundamentais para o sucesso do programa. Para subsidiar essas etapas, é essen- cial uma caracterização genética refinada e completa da coleção e de cada acesso do germoplasma, a qual é obtida com base na avaliação acurada de características morfológicas, fisiológicas e agronômicas, além dos dados de pedigree. Dados adi- cionais sobre a diversidade genética de potenciais genitores obtidos com base em marcadores moleculares podem auxiliar na escolha dos genitores e no planejamento dos cruzamentos visando à maximização da heterose e das combinações gênicas desejadas. As confirmações de hibridações artificiais em programas de melhoramen- to são importantes para garantir que as sementes híbridas sejam utilizadas no avan- ço de gerações. Normalmente os melhoristas utilizam marcadores morfológicos para confirmar que a planta originada de uma hibridação artificial é realmente híbrida e não originada de autofecundação. A utilização de marcadores morfológicos, apesar de muito útil, apresenta limitações práticas para o melhorista. Além de o número de marcadores morfológicos ser reduzido, em muitos casos, os genitores utilizados em cruzamentos não apresentam características morfológicas contrastantes que pos- sam ser utilizadas como gene marcador. Par contornar tais limitações, marcadores moleculares podem ser utilizados para a confirmação de hibridações e autofecunda- ções. O retrocruzamento é uma técnica muito utilizada para transferir características de alta herdabilidade para genótipos elite. Nesse método de melhoramento, após cada ciclo de retrocruzamento, a proporção do genoma do genitor recorrente é recu- perada e a do genitor doador é reduzida pela metade. Dessa forma, estima-se que serão necessárias aproximadamente, sete a nove gerações para recuperar de forma satisfatória o genoma do genitor recorrente, no entanto, o uso de marcadores mole- NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 90 Professor: Geísa Paes – geisapaes@gmail.com GRADUAÇÃO UNEC / EAD CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA DISCIPLINA: Biotecnologia culares pode acelerar a recuperação do genoma desse genitor. O objetivo dessa aplicação é utilizar marcadores distribuídos ao longo de todo o genoma para genoti- par plantas obtidas por retrocruzamentos (RC), juntamente com o genitor recorrente. Após a genotipagem, as plantas RC que possuírem o gene que está sendo introdu- zido e constituição gênica mais próxima do genitor recorrente são selecionadas para o próximo ciclo de retrocruzamento. Dessa forma, pode-se reduzir o número de ge- rações necessárias para recuperar a constituição genética do genitor recorrente. O número de gerações que podem ser reduzidas dependerá do tamanho do genoma da espécie, do número de marcadores moleculares utilizados na análise, do número de plantas RC genotipadas e selecionadas e da proporção do genoma recorrente a ser recuperada. O desenvolvimento de mapas genéticos é considerado por vários autores como uma das aplicações de maior impacto da tecnologia de marcadores moleculares nas análises genética de espécies, e, potencialmente,no melhoramento genético, possi- bilitando a cobertura e análise completa de genomas, a decomposição de caracterís- ticas genéticas complexas nos seus componentes Mendelianos, a localização de regiões genômicas que controlam características de importância e a canalização de toda essa informação para uso nos programasde melhoramento pensando na sele- ção assistida por marcadores moleculares. A facilidade para construir mapas genéticos para diferentes espécies utilizando marcadores moleculares tem possibilitado análises comparativas da estrutura ge- nômica dessas espécies, quanto à homologia de genes e conservação de distância e ordem de ligação desses genes nos cromossomos. Essas análises são chamadas de mapeamento comparativo. No melhoramento genético atividades envolvendo o uso dos marcadores mo- leculares são extremamente importantes para o sucesso do programa. Dentre essas atividades podemos destacar o mapeamento gênico, seleção assistida por marcado- res moleculares, seleção genômica ampla e predição de desempenho de híbridos simples. O desenvolvimento de um número praticamente ilimitado de marcadores gené- ticos moleculares associados à evolução dos aparatos computacionais para cálculos de co-segregação, agrupamento e distancias entre as marcas e sua associação com características de interesse tem permitido o mapeamento de importantes genes em NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 91 Professor: Geísa Paes – geisapaes@gmail.com GRADUAÇÃO UNEC / EAD CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA DISCIPLINA: Biotecnologia diferentes espécies. Esse mapeamento tem sido feito tanto para genes associados a características qualitativas em que a característica é tratada como se fosse outro marcador na qual o resultado desse tipo de mapeamento são distancias em centi- Morgan entre os marcadores e o gene associado a característica, quanto para genes associados a característica quantitativas ou locos de características quantitativas (QTLs), em que o resultado será uma porcentagem de variação fenotípica da carac- terística de interesse explicada pelos marcadores moleculares de forma isolada e conjunta. O mapeamento gênico com base em marcadores moleculares abriu novas perspectivas para a seleção assistida, ou seja, a seleção indireta de características de interesse com base em marcadores moleculares. Um novo método de seleção chamado de seleção genômica ampla (SGA ou GWS – Genomic wide selection) foi proposto mais recentemente com o desenvolvimento dos marcadores do tipo SNP (Single Nucleotide Polymorphism), das novas tecnologias de seqüenciamento de alto desempenho e da capacidade de análises proporcionadas pela bioinformática. A SGA pode ser definida como a seleção simultânea de centenas ou milhares de mar- cadores, os quais cobrem o genoma de uma maneira densa, de forma que todos os genes de um caráter quantitativo estejam em desequilíbrio de ligação com pelo me- nos uma parte dos marcadores. Esses marcadores em desequilíbrio de ligação com os QTLs, tanto de grandes quanto de pequenos efeitos, explicarão quase a totalida- de da variação genética de um caráter quantitativo. A produção e avaliação de híbridos a partir do cruzamento de linhagens é uma estratégia muito utilizada em programas de melhoramento genético de plantas aló- gamas. Diferentes tipos de híbridos podem ser obtidos e os métodos utilizados para predição do desempenho de híbridos obtêm informações utilizando marcadores mo- leculares. Nas atividades relacionadas ao pós-melhoramento é de extrema importância a análise de homogeneidade genética das sementes obtidas, a análise de pureza genética de sementes e mistura varietal, a análise de identidade genética ou finger- printing, a caracterização e a proteção de cultivares. O desenvolvimento e a disponi- bilização de novas variedades e cultivares das mais diversas espécies aumentam a cada ano com os programas de melhoramento e os marcadores moleculares são peças fundamentais para distinguir as características e discriminar essas varieda- NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 92 Professor: Geísa Paes – geisapaes@gmail.com GRADUAÇÃO UNEC / EAD CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA DISCIPLINA: Biotecnologia des, garantindo assim, os direitos autorais dos obtentores dessas variedades e culti- vares através das legislações especificas que são criadas. Considerando todas as aplicações discutidas em diferentes etapas dos pro- gramas de pesquisa e desenvolvimento envolvendo germoplasmas e/ ou melhora- mento genético fica claro a importância e os benefícios que o uso dos marcadores moleculares traz para esses programas. A cada ano surgem novos desafios e de- mandas de novas cultivares, fazendo com que os programas de melhoramento ge- nético convencional e baseado na engenharia genética tenham uma natureza dinâ- mica e importância estratégica atual e futura. O grande potencial de uso da biotecno- logia moderna no melhoramento de plantas e inegável. Os resultados obtidos até o momento refletem as contribuições atuais da biotecnologia moderna e, para o futuro, certamente, novos produtos tecnológicos serão gerados. Vá ao tópico, MATERIAL COMPLEMENTAR em sua sala virtual e LEIA o material: Marcadores genético-moleculares aplicados a programas de conservação e uso de recursos genéticos que apresenta uma descrição resumida dos principais ti- pos de marcadores genéticos moleculares e suas aplicações práticas em pro- gramas de conservação e uso de recursos genéticos, em uma excelente revisão de literatura, onde vários artigos científicos exemplificam cada aplicação dos marcadores moleculares. Vá ao tópico, VÍDEO COMPLEMENTAR em sua sala virtual e assista ao vídeo, Marca- dores Moleculares para ampliar seus conhecimentos em relação ao uso e apli- cações dos marcadores genéticos nos programas de melhoramento vegetal. NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 93 Professor: Geísa Paes – geisapaes@gmail.com GRADUAÇÃO UNEC / EAD CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA DISCIPLINA: Biotecnologia REFERÊNCIAS Alencar, G. Bancos de germoplasma: o uso do patrimônio genético no desen- volvimento de novas variedades de hortaliças. Hortaliças em revista. 2019. Disponível em: https://www.embrapa.br/busca-de-noticias/-/noticia/47798403/o- uso-do-patrimonio-genetico-no-desenvolvimento-de-hortalicas. Acesso em 22/10/2021. BERED, Fernanda; BARBOSA NETO, José Fernandes; CARVALHO, Fernando Irajá Félix de. Marcadores moleculares e sua aplicação no melhoramento gené- tico de plantas. Ciência Rural, v. 27, p. 513-520, 1997. BOREM, A. Melhoramento de Plantas. Viçosa, MG. Editora UFV, 1997. 574p. 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