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FGP 300 MELHORAMENTO FLORESTAL APOSTILA DIDÁTICA Prova 1 Professsor: Mágno Sávio Ferreira Valente Manaus-AM, 2016 FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 1 1. CONCEITOS BÁSICOS Em se tratando de genética e melhoramento, não se poderia deixar de dar alguns conceitos básicos indispensáveis ao bom entendimento dos diversos assuntos que serão discutidos nos tópicos adiante. Portanto, serão apresentadas a seguir breves definições dos principais termos relacionados à genética e ao melhoramento. 1.1. Terminologia em genética e melhoramento • genética: é a ciência que trata das semelhanças e diferenças entre os indivíduos de uma população. • cromossomos: são unidades estruturais do núcleo celular, portadoras de genes, apresentando em geral forma linear. O número é fixo para cada espécie. • genes: são as unidades de herança situadas em locos fixos nos cromossomos, podendo existir em uma série de formas alternativas chamadas alelos. • alelo: é uma das alternativas de um par ou uma série de formas do gene. Os alelos são alternativos na herança pelo fato de estarem situados no mesmo loco, em cromossomos homólogos. • cromossomos homólogos: são cromossomos que emparelham durante o processo de divisão celular (meiose), possuindo os mesmos genes dispostos em igual sequência. • herança: refere-se à transmissão de características dos pais aos filhos. Ocorre no processo de meiose. • dominância: manifestação total de um alelo sobre o outro quando em heterozigose (completa, parcial ou sobredominância). Exemplo: Aa (azul) x Aa (azul) Filhos: AA – Azul; Aa – azul; aa – branco. • gene recessivo: refere-se aquele membro de um par de alelos que não é capaz de expressar-se na presença do alelo dominante. • haplóide: possui uma série completa de cromossomos (n). • diplóide: possui duas séries completas de cromossomos (2n). • poliplóide: possui mais de duas séries completas de cromossomos. • F1: primeira geração resultante de um dado cruzamento. • F2: segunda geração resultante do cruzamento de indivíduos da geração F 1 . FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 2 • S1: primeira geração de auto-fecundação. Portanto, F1, F2, S1 constituem conjuntos de indivíduos aparentados (irmãos). • família S1: irmãos oriundos de auto-fecundação • família de meio-irmãos (FMI): conjunto de indivíduos provenientes de uma mãe conhecida e pais desconhecidos. • família de irmãos-germanos (FIG): conjunto de indivíduos provenientes de mãe e pai conhecidos. • retrocruzamento: cruzamento de uma descendência (progênie) com um dos pais. • cruzamento recíproco: cruzamento de um conjunto de indivíduos como machos e fêmeas simultaneamente. • alogamia: refere-se às espécies de reprodução cruzada; • autogamia: refere-se às espécies de auto-fecundação; • endogamia: refere-se ao cruzamento de indivíduos aparentados, tendo como consequência a perda de vigor. • heterose: é o vigor resultante do cruzamento de materiais genéticos distintos. • epistasia: refere-se à dominância de um gene sobre o outro não alélico. • frequência gênica: trata-se da proporção entre a frequência dos alelos alternativos de um gene e a frequência total de todos os alelos naquele loco. • potencial genético: refere-se ao valor genético intrínseco total de uma população, que pode ser explorado. • carga genética: refere-se ao acúmulo de genes recessivos (deletérios) em uma população até o limite da sua sobrevivência. • genótipo: trata-se da constituição genética do indivíduo. • fenótipo: é a expressão do indivíduo. É resultante do genótipo associado aos efeitos ambientais. • plasticidade: capacidade de adaptação de um indivíduo devido a mudanças fisiológicas internas. • população: conjunto de indivíduos de uma mesma espécie que apresentam uma continuidade no tempo e uma capacidade de se cruzarem ao acaso, ou seja, de trocarem alelos entre si. • recombinação gênica: formação de novas combinações de genes através dos mecanismos de troca de partes e segregação durante a meiose no ciclo sexual de organismos. O fenômeno de segregação dos cromossomos, com sua inclusão nos gametas masculino e feminino, é o responsável por tornar esta variação genética disponível para a fase posterior de fecundação; reorganização do FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 3 sequenciamento de genes e partes de cromossomos como resultado do sobre cruzamento ocorrido na meiose (Fonte: Valois et al., 2005). • recurso fitogenético: corresponde ao recurso genético vegetal, incluem qualquer material genético de origem vegetal com valor real ou potencial para a alimentação e a agricultura. • recurso genético: variabilidade de espécies de plantas, animais e microrganismos integrantes da biodiversidade, de interesse sócio-econômico atual e potencial para utilização em programas de melhoramento genético, biotecnologia e outras ciências afins (Fonte: Valois et al., 2005). • regeneração: reprodução de um acesso para manutenção de sua integridade genética. Na coleção base e coleção ativa é feita no campo quando as sementes armazenadas perdem a viabilidade para cerca de 80% do poder germinativo inicial. Na conservação “in vitro”, refere-se à transferência para casa de vegetação e/ou campo das plântulas componentes do acesso com a finalidade de permitir o revigoramento das mesmas. O intervalo de tempo entre uma regeneração e outra deve ser determinado experimentalmente para cada espécie (Fonte: Valois et al., 2005). • reprodução assexuada: é aquela que ocorre sem a participação de gametas, isto é, não acontece o fenômeno de fertilização entre os gametas masculino e feminino. A reprodução assexuada compreende dois tipos básicos: apomixia e propagação vegetativa (Fonte: Valois et al., 2005). • reprodução sexuada: é aquela que ocorre a participação de gametas, isto é, acontece o fenômeno de fertilização entre os gametas masculino e feminino. • resistência completa: resistência de plantas a doenças que não proporciona nenhum nível de reprodução do patógeno. Não é permanente, pois pode ser quebrada (Fonte: Valois et al., 2005). • resistência horizontal: resistência de plantas a doenças geralmente poligênica, não diferencial e muito influenciada pelo meio ambiente, sendo as raças do patógeno denominadas de agressivas (Fonte: Valois et al., 2005). • resistência vertical: resistência de plantas a doenças geralmente oligogênica, diferencial e pouco influenciada pelo meio ambiente, sendo as raças do patógeno denominadas de virulentas (Fonte: Valois et al., 2005). 1.2. Divisão celular O processo de crescimento, reprodução e propagação das plantas está intimamente associado à divisão celular e compreende duas situações uma denominada mitose e a outra meiose. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 4 1.2.1. MITOSE A mitose é o processo de divisão celular onde, a partir de um núcleo são originados dois outros núcleos, cada um com o mesmo número de cromossomos e os mesmos genes do núcleo que se dividiu. Ou ainda, considerando mitose seguida de citocinese (divisão citoplasmática), de uma única célula são formadas outras duas, cada uma com o mesmo número de cromossomos e os mesmos genes da célula que se dividiu. Em decorrência deste mecanismo celular, todas as células, com possíveis exceções, que compõem um eucarioto multicelular são idênticas, pois derivam de uma única célula inicial, chamada célula-ovo ou zigoto. Fonte: Viana et al. (2003). A mitosecompreende quatro fases: 1. prófase: ao longo deste período, ocorre gradual condensação ou espiralização dos cromossomos; em seu final, há degeneração da membrana nuclear, o que permite a associação das fibras do fuso mitótico às regiões centroméricas das cromátides de cada cromossomo duplicado (Figura 1a); 2. metáfase: o que caracteriza esta fase é a presença dos cromossomos no plano mediano da célula; as cromátides-irmãs estão com seus centrômeros voltados para polos opostos (Figura 1b); 3. anáfase: neste período ocorre a separação das cromátides-irmãs, devido ao tracionamento pelas fibras do fuso mitótico (Figura 1c); 4. telófase: esta fase inicia-se quando os cromossomos atingem o polo; a partir de então, ocorre gradual descondensação ou desespiralização dos cromossomos; há regeneração da membrana nuclear em torno dos conjuntos cromossômicos filhos (Figura 1d). A Figura 1 refere-se às fases da mitose em uma célula de um organismo diplóide com 2n cromossomos, em que n é o número de diferentes cromossomos que a espécie possui. Figura 1: Representação do comportamento de um par de cromossomos homólogos, bem como de um de seus genes, durante a mitose. (a) prófase, (b) metáfase, (c) anáfase, e (d) telófase. (Fonte: Viana et al., 2003). FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 5 Durante a prófase os cromossomos estão duplicados e as cromátides-irmãs são iguais, em relação aos genes presentes. As ilustrações (b) e (c) da Figura 1, correspondem à célula em metáfase e anáfase. Em consequência da separação das cromátides, os núcleos-filhos recebem dois exemplares de cada diferente cromossomo da espécie, mantendo-se constante o número de cromossomos, e, consequentemente, uma cópia do gene A e uma do gene a, garantindo que os núcleos-filhos tenham a mesma informação genética do núcleo que se dividiu. 1.2.2. MEIOSE A meiose é o processo de divisão celular em que tem como produto final a formação de gameta, tanto em animais como vegetais superiores. Nas espécies diplóides e naquelas com número par de conjuntos cromossômicos, uma célula se divide, originando quatro, cada uma com metade do número de cromossomos da célula que se dividiu. Por reduzir à metade o número de cromossomos nos gametas, garante a manutenção do número de cromossomos nestas espécies. Compreende duas divisões nucleares e, pelo menos, uma divisão citoplasmática. Em relação à maioria dos eucariotos, a primeira divisão da meiose, ou meiose I, é denominada reducional, pois o número de cromossomos nos núcleos-filhos é a metade do presente no núcleo que se dividiu. A segunda divisão ou meiose II, é denominada equacional, pois não há alteração do número de cromossomos. Ambas são divididas, como a mitose, em prófase, metáfase, anáfase e telófase (Viana et al. 2003). As fases da meiose I são: 1. prófase I: ao longo deste período os cromossomos vão, gradualmente, espiralizando ou condensando; em seu final, há degeneração da membrana nuclear, o que vai permitir a ligação das fibras do fuso com as regiões centroméricas dos cromossomos; é subdividida nas seguintes fases: leptóteno: período inicial de condensação dos cromossomos; zigóteno: nesta fase os cromossomos homólogos se aproximam, ocorrendo o fenômeno chamado sinapse, que é o pareamento de cromossomos homólogos; paquíteno: nesta fase, depois de completado o pareamento dos homólogos, ocorre o fenômeno de ‘crossing-over’, que é a troca de segmentos cromossômicos entre homólogos; cada par de homólogos parece ser um só cromossomo e é denominado de bivalente; diplóteno: a partir desta fase, até o final da prófase I, os cromossomos homólogos vão gradualmente afastando-se; à medida que os homólogos separam-se, pode-se perceber FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 6 algumas regiões, ao longo de seu comprimento, em que os mesmos parecem estar sobrepostos ou em contato; tais regiões são denominadas de quiasmas e são evidência citológica de que ocorreu ‘crossing-over’; diacinese: nesta fase os homólogos acham-se ainda mais separados; como a separação ocorre da região centromérica para as extremidades, os quiasmas parecem se mover no mesmo sentido; 2. metáfase I: os bivalentes, na forma de anel de dois ou de cadeia de dois, estão dispostos no plano mediano da célula; as regiões centroméricas dos homólogos estão voltadas para polos opostos; a orientação de um bivalente é independente da orientação de qualquer outro par, ou seja, nesta fase os bivalentes estão dispostos ao acaso no plano equatorial da célula; 3. anáfase I: ocorre a separação dos homólogos; 4. telófase I: após atingirem o polo da célula, os cromossomos desespiralizam-se; há regeneração da membrana nuclear em torno dos conjuntos cromossômicos-filhos. As fases da meiose II são: 1. prófase II: se houve uma telófase I típica, torna-se necessário, novamente, que os cromossomos se individualizem; durante toda esta fase, os cromossomos espiralizam-se, ou seja, aumentam de diâmetro e reduzem de comprimento; ao seu final, a membrana nuclear desaparece; 2. metáfase II: os cromossomos estão dispostos no plano equatorial da célula, com as regiões centroméricas de suas cromátides voltadas para polos opostos; 3. anáfase II: ocorre a separação das cromátides-irmãs; 4. telófase II: após atingirem o polo da célula, os cromossomos descondensam-se; há reaparecimento da membrana nuclear em torno de cada conjunto cromossômico. As ilustrações na Figura 2 descrevem o comportamento durante a meiose de dois pares de cromossomos homólogos e de dois genes neles localizados em relação a uma célula germinativa de uma espécie diplóide, com 2n cromossomos. Para simplificação, podemos considerar que estão representados apenas quatro cromossomos. Um dos genes da espécie, localizado em um metacêntrico, é representado pela letra A. Em seu homólogo, está localizado, na mesma posição, o gene a. No par de homólogos acrocêntricos, estão simbolizados os genes B e b. Em metáfase I foi considerado estarem orientados para um mesmo polo, o metacêntrico com o gene A e o acrocêntrico com o gene B. Consequentemente, ficaram orientados, para o polo oposto, o metacêntrico com o gene a e o acrocêntrico com o gene b. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 7 Figura 2 - Representação diagramática das possíveis fases da meiose. (a) leptóteno, (b) zigóteno, (c) paquíteno, (d) diplóteno, (e) diacinese, (f) metáfase I, (g) anáfase I, (h) telófase I, (i) prófase II, (j) metáfase II, (k) anáfase II e (l) produtos meióticos, após telófase II. (Fonte: Viana et al., 2003). FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 8 Contudo, outra orientação seria possível na célula considerada. Esta seria, estarem orientados para o mesmo polo, os cromossomos com os genes A e b, e estarem orientados para o polo oposto, os cromossomos com os genes a e B. É fácil perceber porque a primeira divisão da meiose é, para a maioria dos eucariotos, reducional. Cada núcleo- filho possui apenas n (dois) cromossomos. As ilustrações correspondentes à meiose II, referem-se apenas a uma das duas células-filhas, resultantes da primeira divisão. Ao final, estão representados os quatro núcleos-filhos. Observe que estes continuam com n (dois) cromossomos. A segunda divisão da meiose não altera o número de cromossomos presentes nos núcleos que se dividiram. É importante enfatizar que cada produto meiótico contém um exemplar de cada diferente cromossomo da espécie (Viana et al. 2003). 1.3. Dogma Central da Biologia O DNA é o constituinte fundamental dos cromossomos.Sua estrutura anatômica leva a informação química que permite a exata transmissão da informação genética de uma célula para suas células filhas e assim sucessivamente, assim como também especifica as sequências de aminoácidos das cadeias polipeptídicas das proteínas. O formato do DNA é uma dupla hélice, formato helicoidal como uma escada em espiral, girando para a direita, no qual suas duas cadeias de nucleotídeos correm em sentidos opostos, unidas por pontes de hidrogênio entre os pares de bases. A base nitrogenada adenina sempre está pareada com a timina, e a citosina com a guanina. Sabendo a sequência de nucleotídeos de uma cadeia, automaticamente sabemos a sequência da outra cadeia. Quando o DNA vai se replicar, os dois filamentos da cadeia se separam e dois novos filamentos complementares à cadeia molde serão formados. Se houver necessidade, a complementaridade permite um eficiente reparo das moléculas danificadas de DNA. Um gene corresponde a uma região particular de uma molécula de DNA que pode abranger desde algumas dezenas de pares de nucleotídeos ou até muitas centenas. Cada gene codifica a produção de uma molécula específica de RNA, em um processo chamado transcrição gênica. A tradução corresponde ao processo de produção de uma proteína: a partir de um molde de mRNA, uma sequência de aminoácidos são produzidos e ligam-se através de ligações peptídicas, formando os polipeptídeos. Neste processo participam, entre outros fatores, um ribossomo, um mRNA, vários tRNA, aminoácidos e diversas enzimas. As FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 9 proteínas são substâncias essenciais da estrutura das células vivas, além de atuar como enzimas, participando de todos os processos bioquímicos dentro e fora das células. A estrutura do RNA é similar à do DNA, exceto pelo fato do DNA possuir uma base nitrogenada Timina, enquanto o RNA possui a base nitrogenada Uracila. Há uma diferença também quanto ao açúcar: o do DNA é uma desoxirribose, enquanto do RNA é uma ribose. Outra diferença entre as duas moléculas é que a do DNA é dupla e está em formato de dupla hélice; a do RNA é uma cadeia unifilamentar. A correlação entre DNA, RNA e proteínas está intimamente ligada: O DNA, além de sua capacidade de autoduplicação, também é capaz de originar uma fita de RNA, que, por sua vez, possui o código para a síntese de aminoácidos para formar a cadeia polipeptídica. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 10 2. Introdução ao Melhoramento Florestal 2.1. Melhoramento de plantas As plantas têm uma grande importância para a humanidade. Utilizamos as plantas diretamente na nossa alimentação e indiretamente para alimentação de animais que fornecerão alimento. Além disso, as plantas também são utilizadas como vestimenta (algodão, linho, rami), energia (na forma de madeira, etanol ou biodiesel), habitação (madeira), ornamentação e medicamento. Vale lembrar que grande parte dos princípios ativos utilizados nos medicamentos foi isolada de vegetais. Um bom exemplo é a aspirina (ácido acetilsalicílico) que foi isolada do salgueiro branco em 1897 pelo químico alemão Felix Hoffmann. Podemos afirmar que o homem depende das plantas para sua sobrevivência. Projeções da ONU mostram que a população mundial deve alcançar 8,2 bilhões de pessoas em 2030 e 9,1 bilhões de pessoas em 2050. Esse crescimento populacional deve ser concentrado principalmente nos países menos desenvolvidos da Ásia, África e América Latina. Esses dados aliado a previsões alarmantes de mudança climática para as próximas décadas, mostram um grande desafio que as nações, principalmente as menos desenvolvidas, terão de enfrentar nos próximos anos: aumentar a produção de alimentos e outros recursos (mesmo sob condições climáticas não favoráveis) para que não haja fome no mundo e falta de matéria-prima para diversos setores importantes para a sociedade. Mas como podemos aumentar a produção de alimentos? Existem duas maneiras de aumentar a produção de alimentos: aumento da área cultivada pela incorporação de novas áreas ou aumento da produtividade. O aumento da área plantada pode ser obtido pela incorporação de áreas ainda não utilizadas para a agricultura. Um bom exemplo é a exploração do Cerrado brasileiro ocorrida nos últimos 30 anos. Atualmente o Cerrado é a região com maior produção de grãos do Brasil, tendo como destaque a produção de soja no estado de Mato Grosso. Entretanto, em muitos países, a área para a produção agrícola já está sendo totalmente explorada. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 11 Em países como o Brasil, onde ainda é possível expandir a área agrícola, a exploração de novas áreas leva a uma grande destruição da biodiversidade natural. Um fato preocupante é que a taxa de crescimento da população mundial tem sido maior do que a taxa de crescimento da área para a produção agrícola. Segundo dados da FAO, a área cultivada por pessoa diminuiu de 0,38 hectares em 1970 para 0,23 hectares em 2000, com projeção de declínio para 0,15 hectares em 2050. Por isso, aumentar a produtividade é fundamental. Uma forma de aumentar a produtividade é através da melhoria do ambiente de produção. A melhoria do ambiente de produção é conseguida com: adubação adequada, bom preparo do solo, controle eficiente de ervas daninhas, pragas e doenças, irrigação, entre outros manejos. Em geral, a melhoria do meio ambiente significa aumento no custo de produção e em muitos casos pode causar poluição ambiental. A maneira mais econômica e sustentável de se aumentar a produtividade é através da obtenção de cultivares com maior potencial de produção/produtividade. É neste ponto que o melhoramento de plantas atua. 2.2. Aspectos Históricos do Melhoramento de Plantas Ao longo da história o homem passou de nômade coletor a sedentário, praticante de agricultura. A prática da agricultura exigiu a domesticação de espécies animais e vegetais. Para Lawrence (1980) apud Hoy (1992) este processo ocorreu há cerca de 9.000 anos. “Ainda nos primórdios da agricultura, deu-se preferência ao cultivo de restrito grupo de espécies, e dentro destas procurou-se tipos preferenciais, tal procura as levou a uma viagem evolutiva estranha e maravilhosa. Os mecanismos desta viagem são hoje definidos como seleção artificial e melhoramento.” O melhoramento genético como ciência, surgiu após o redescobrimento das Leis de Mendel (início do século XX), que deram origem a genética. Esta ciência é hoje responsável por grandes avanços sofridos na agropecuária mundial, tanto no que se refere a adaptação de espécies e genótipos como os aumentos de produtividade e soluções que buscam minimizar custos. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 12 Alguns conceitos de melhoramento genético: Melhoramento é arte e ciência (Fehr, 1987). - É a evolução dirigida pela vontade do homem (Vavilov). Alteração da frequência gênica de uma população, aumentando a proporção de alelos favoráveis e diminuindo ou eliminando a proporção de alelos indesejáveis. Arte ou ciência destinada à obtenção de genótipos superiores aos atualmente utilizados. O Monge Thomas R. Malthus, a mais de 200 anos atrás, concluiu em seus estudos que a produção de alimentos cresce obedecendo uma progressão aritmética, e a população de forma geométrica. Baseado nisto havia previsto forte escassez de alimentos. Fato que não se concretizou, visto que a fome existente é resultante da má distribuição de renda e não da falta de alimentos. Nesteperíodo, ocorreu a “revolução verde”, que se caracterizou pelo advento e incremento do uso de insumos industrializados, mecanização e cultivares melhorados. Obviamente, aliado ao aumento de produtividade, houve incorporação de novas áreas agrícolas. 2.2.1 - O “surgimento” da genética e os métodos de melhoramento: Considerando um conceito de melhoramento genético que envolve a alteração da frequência gênica e a busca de genótipos mais adaptados às necessidades do homem, muitos autores aceitam o próprio processo de domesticação como um processo de melhoramento. Independentemente de conceitos, pode-se considerar que o melhoramento de plantas é exercido mesmo que de forma empírica já há muito tempo. Entretanto, a partir de meados do século XIX, avanços no conhecimento científico permitiram o estabelecimento de procedimentos e técnicas que potencializaram os resultados obtidos. Entre os principais nomes que contribuíram com descobertas importantes para o melhoramento genético clássico cita-se: Gregor Mendel, 1865, herança dos caracteres (Leis de Mendel); John Lê Couter e Patrick Sherriff, século XIX, primeiros estudos com teste de progênie, em cereais; FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 13 Dr. H. Nilsson, final do século XIX, seleção individual em autógamas. (Resultados confirmados por Johannsen na “teoria das linhas puras”) (Borém,1997); Jones, 1918, produção comercial de híbridos duplos de milho. 2.3. O Melhoramento Genético Florestal e o Setor Florestal O melhoramento genético é uma atividade consagrada na agricultura tendo já, há muitos anos, resultado em significativos ganhos em espécies como, o milho, soja, arroz, algodão e trigo, entre outras. Nestas espécies destacam-se os ganhos de produtividade, resistência a doenças, adaptabilidade e qualidade dos produtos. Os ganhos obtidos no melhoramento genético devem ser atribuídos aos esforços de pesquisa, tanto nas áreas básicas, como a genética e a citogenética, passando pela fisiologia, até as atividades de melhoramento genético propriamente dito. No caso específico das culturas anuais, algumas particularidades contribuíram para os rápidos avanços, destacando-se o ciclo curto, o porte das plantas e a facilidade de realização de cruzamentos controlados. Apesar das dificuldades adicionais que as espécies florestais impõem à aplicação das técnicas de melhoramento genético, estas vêm sendo adaptadas e aplicadas, resultando em significativos ganhos. Entre as dificuldades impostas pelas espécies florestais, destacam-se: o tempo para maturação fisiológica, porte das plantas, distribuição das plantas nas populações naturais, dificuldades na coleta de sementes e na representatividade da variabilidade genética, além da dificuldade de propagação vegetativa de algumas espécies. Considera-se os primeiros anos do século XX como marco inicial do melhoramento genético florestal. Os principais objetivos buscados foram o aumento volumétrico das árvores e a melhoria da qualidade do fuste, qualidade da madeira, entre outras. O melhoramento florestal também contribuiu no desenvolvimento e seleção de populações e clones mais adaptados a regiões específicas que apresentam situações particulares em comparação aos locais de origem das espécies. Portanto, neste período, o melhoramento tem permitido ganhos quantitativos e qualitativos, fazendo deste um investimento altamente rentável. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 14 Neste sentido, acredita-se que há forte contribuição do melhoramento genético e da tecnologia de cultivos clonais, para a vantagem competitiva, por exemplo, da produção de eucalipto no Brasil. Há também fatores naturais que favorecem o setor florestal e a sua competitividade, por exemplo, as taxas de crescimento chegam, em alguns locais, a ser dez vezes superior as obtidas no hemisfério Norte. Mas, em termos médios, considera-se que no hemisfério Norte uma árvore de pinus demora 40 anos, no mínimo, para atingir o ponto de corte enquanto que no Brasil de 14 a 18 anos. No eucalipto, o que a árvore atinge aqui em sete anos, demora de 20 a 30 em outras regiões. Outros pontos fortes são: as dimensões continentais do Brasil, domínio tecnológico, facilidade de acesso marítimo e existência de mão-de-obra qualificada. Entretanto, é de consenso, que o Brasil está distante de explorar todo o seu potencial. O Brasil ocupa a 4ª posição na produção de toras para uso industrial e a 6ª posição quanto a produção de celulose. Destaca-se que entre os grandes produtores de celulose, Brasil e Rússia são os únicos que estão apresentando incrementos anuais na produção. Celulose, papel e papelão são produtos de alto valor e que respondem pela maior parte do comércio internacional (60 a 70%). Toras para serrar e para processamento industrial além de madeira serrada respondem por cerca de 25% do mercado de exportação mundial. As exportações brasileiras são compostas por papel, papelão e celulose; painéis, chapas e laminados; toras e madeira serrada; além de móveis. A exportação de móveis teve incremento de US$ 39,7 milhões em 1990 para US$ 351,3 milhões em 1996, segundo a Abimóvel. Neste sentido, o Brasil já é o maior exportador mundial de celulose de fibra curta produzida a partir do eucalipto (tipo BHKP). Nos próximos anos há forte expectativa de crescimento do setor de base florestal. Estima-se a demanda de 70 a 80 milhões de toneladas de celulose para o ano de 2020, o que vai exigir crescimento substancial na produção de celulose para exportação. Considerando ainda o fechamento de plantas pouco competitivas no Hemisfério Norte, espera-se fortes mudanças no mercado mundial, o que representa uma ótima oportunidade para os países tropicais como o Brasil. As vantagens das regiões tropicais, especialmente do Brasil, se referem a disponibilidade e custo da terra, condições edafoclimáticas, disponibilidade de mão-de- obra, e aporte tecnológico. No Brasil, o setor florestal gera mais de 6 milhões de empregos, e seu faturamento é de mais de 57 bilhões de reais (cerca de 4% do PIB). As maiores áreas de florestas plantadas estão nos Estados de Minas Gerais, São Paulo, Paraná, Santa Catarina e Bahia. Quanto as exportações, destacam se os Estados de São FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 15 Paulo, Paraná, Santa Catarina. Minas Gerais, apesar de ter a maior área de reflorestamento, destina a maior parte de sua produção ao uso na siderurgia na forma de carvão. Dados da Abraf (Associação Brasileira de Produtores de Florestas Plantadas) referentes ao ano de 2005, indicam que dos 5,4 milhões de ha, 62% estão plantados com eucalipto, 34% pinus e 4% com outras espécies. A exceção ao predomínio das áreas com eucalipto são os três Estados da região Sul, especialmente Santa Catarina (61,2 milhões de ha de eucalipto e 527,1 milhões de ha de pinus) e Paraná (115 milhões de ha de eucalipto e 677,8 milhões de ha de pinus). Nos últimos anos tem-se percebido também uma mudança no perfil da silvicultura brasileira no que se refere a implantação de reflorestamentos, assim, além das grandes empresas consumidoras de matéria prima, houve significativo aumento da participação de pequenos e médios agricultores e de plantadores independentes. Este grupo respondeu em 2005 a 20% da área plantada, o que corresponde a cerca de 100 mil ha. Esta mudança foi estimulada principalmente pelos programas de fomento das grandes empresas, e pelos programas federais de financiamento (Pronaf florestal e Propflora). Assim, a médio prazo, espera-se que cerca de 1/3 da demanda dematéria prima de reflorestamentos seja ofertada por silvicultores independentes. Um dado preocupante, considerando a necessidade e pressão social em relação à conservação do ambiente, é a alta taxa de utilização de matéria prima de florestas nativas. No Brasil, as florestas nativas ainda são responsáveis 58% da lenha consumida, 50% do carvão vegetal, 32% da madeira para processamento mecânico, e 24% da produção de palmito. Por outro lado, no caso da erva-mate, as áreas nativas respondem por apenas 38% da produção, retratando a forte redução das áreas conservadas (CEPA, 2006). 2.4. Melhoramento Florestal no Brasil 2.4.1. Histórico no Brasil e evolução A silvicultura intensiva moderna teve início no Brasil no início do século passado, com o estabelecimento das plantações florestais com espécies exóticas para substituição da madeira das florestas nativas de difícil reposição, principalmente com eucaliptos, pela Cia. Paulista de Estrada de Ferro em 1904, e com coníferas, pela Cia. Melhoramentos de São Paulo em 1922 (FERREIRA, 2001). FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 16 Apesar do primeiro programa de melhoramento genético de eucaliptos, elaborado por em 1941, ter sido considerado como um dos mais avançados para a época (FERREIRA & SANTOS, 1997), as sementes de eucaliptos de melhor qualidade genética disponíveis para plantio até a década de 1960, eram provenientes de parcelas experimentais ou talhões desbastados, mas sem isolamentos contra pólens não desejáveis. No conceito atual, essas fontes de sementes seriam algo entre Área de Coleta de Sementes-ACS e Área de Produção de Sementes-APS. De modo geral, os plantios de eucaliptos originados dessas sementes apresentavam alta porcentagem de híbridos (conhecidos como salalbas). Os primeiros Pomares Clonais de Sementes – PCS’s de eucaliptos e pinus foram estabelecidos apenas a partir do final da década de 1960. Esses pomares tinham como objetivo atender à demanda crescente de sementes, tanto quantitativo como qualitativamente, para atender o programa de incentivos fiscais ao reflorestamento. A taxa de plantio anual na época dos incentivos fiscais (1966 a 1986) chegou até 400 mil hectares por ano, o que correspondia a 800 milhões de mudas ou em torno de duas toneladas de sementes de eucaliptos e pinus. As árvores que compunham as APS’s e PCS’s eram selecionadas fenotipicamente nos melhores talhões existentes ou em plantios experimentais. No início da década de 1970 foram instalados os primeiros testes de progênies e iniciadas a reintrodução de germoplasmas, com base genética apropriada, de espécies/procedências selecionadas. As atividades relacionadas com a produção de sementes melhoradas de eucaliptos e pinus foram priorizadas nas décadas de 1970 e 1980. Levantamentos da pesquisa florestal em andamento no Brasil realizados pela Embrapa em 1978, 1980 e 1987 (Embrapa, 1987), mostram que a maioria absoluta dos 2043 experimentos em andamento eram da área de melhoramento genético. Esses experimentos incluíam arboretos, bancos clonais, ensaios de espécies, pomares de sementes, testes de procedências, testes de progênies, clonagem, conservação genética, etc. 2.4.2. Conservação, uso e melhoramento de espécies nativas De modo geral, e com raríssimas exceções os esforços mais significativos de produção de sementes geneticamente melhoradas realizados no Brasil até o momento, foram canalizados para as espécies dos gêneros Eucalyptus e Pinus. Entre as exceções FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 17 podemos destacar o pinheiro-do-paraná (Araucaria angustifolia) e a erva-mate (Ilex paraguariensis). Estas foram consideradas as espécies da floresta com Araucaria (Floresta Ombrófila Mista) com maior potencial para uso em reflorestamentos econômicos, e tem sido objeto de estudos da UFPR/FUPEF, Embrapa Floresta, e empresas privadas no sul do Brasil, existindo inclusive, disponibilidade de sementes de Área de Produção de Sementes - APS’s e, num futuro próximo, disponibilidade de sementes de Pomar de Sementes por Mudas – PSM. Este cenário de um pequeno número de espécies nativas sendo alvo de pesquisas de melloramento florestal reflete o baixo nível de investimento em P&D (Pesquisa e Desenvolvimento) tanto pelo setor público como privado. Por outro lado nas últimas décadas tem se observado a crescente demanda por sementes de essências nativas. Infelizmente a produção de sementes não tem atingido a demanda, e além disso nem sempre a qualidade genética dos materiais utilizados é garantida, ou seja a partir da coleta de sementes em populações amplas e propriamente identificadas. 2.5. Objetivos do Melhoramento Florestal Os objetivos de um programa de melhoramento podem ser bastante diversos, em função: a) do propósito de cultivo da espécie; b) do nível de melhoramento já atingido; c) da tecnologia empregada no manejo; d) das condições edafoclimáticas do local de cultivo; e) das necessidades e exigências do mercado; e f) da filosofia de melhoramento adotada. De forma didática, considerando a exploração atual das florestas plantadas no Brasil, pode-se enumerar alguns objetivos gerais buscados no melhoramento florestal: 1) Aumento do rendimento – maior eficiência fisiológica ou desenvolvimento de genótipos resistentes/tolerantes a estresse biótico/abiótico; 2) Desenvolvimento de tipos com características silviculturais mais adequadas, a exemplo de forma do fuste, características dos ramos; 3) Desenvolvimento de genótipos com menor ciclo produtivo; 4) Desenvolvimento de genótipos resistentes/tolerantes a doenças e insetos; FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 18 5) Desenvolvimento de genótipos tolerantes a adversidades edafoclimáticas, a exemplo de salinidade, toxidez ou deficiência mineral e, frio, geada e inundação. 6) Desenvolvimento de genótipos com qualidade superior – maior densidade da madeira, maior peso de matéria seca, maior rendimento de celulose, maior teor de resinas, gomas, óleos e tiloses. Observações: 1 - Deve estar claro que aumentos de produtividade ou qualidade a priori podem ser obtidos tanto via melhoramento genético como por melhoramento ambiental. Entende-se por melhoramento ambiental a adoção de práticas culturais e manejo que propiciem condições “mais” favoráveis para a expressão do todo potencial genético; 2 - Entende-se que o aumento do rendimento pode ser obtido de forma direta pela obtenção de genótipos fisiologicamente mais eficientes. Ou de forma indireta, pela seleção de genótipos com características especiais como a resistência a fatores bióticos/abióticos que permitem maior rendimento mesmo sob a ação destes fatores que atuam no sentido da redução do rendimento. 2.5.1. Prioridades de pesquisa por setor de consumo dos produtos para as principais espécies florestais Em 9 e 10 de agosto de 2001, a Embrapa Florestas promoveu um Workshop sobre Melhoramento Genético de Espécies Florestais e Palmáceas no Brasil, com o objetivo de levantar prioridades de pesquisa na área de melhoramento florestal. O evento contou com a participação de quarenta pesquisadores, representando as principais universidades, instituições de pesquisa e empresas florestais do Brasil. Os participantes foram distribuídos em grupos de trabalhos setoriais, que elaboraram as conclusões apresentadas de forma resumida a seguir para alguns setores de interesse: A. SETOR CELULOSE A.1. Situação desejada A.1.1. Produtividade e qualidade da madeira / custo da madeira Maior produtividade porárea e ano (volume de madeira e t de celulose/ha/ano) FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 19 Maior homogeneidade na qualidade da madeira produzida (densidade básica, número de fibras por grama, teor de hemiceluloses, índice de Runkel, etc,). Maior resistência a pragas/doenças, principalmente à saúva. Maior facilidade na colheita e transporte (relação m3 sólido/ estéreos, n.º árvores/m3). A.1.2. Sustentabilidade Florestal Mínimo impacto sobre solo, consumo de nutrientes, água, etc. Consorciação/rotação de espécies, uso de espécies alternativas (leguminosas) A.1.3. Fatores Sociais Inclusão do produtor rural na rede tecnológica, através de elaboração de zoneamentos ecológico/econômicos e disponibilização de material genético adequado mais adequado à pequena e média propriedade rural. A.2. Prioridades Banco de dados sobre as pesquisas em melhoramento florestal em andamento no Brasil, por segmento (finalidade do plantio), espécie, região, etc. Cadastramento, ampliação e conservação da base genética das espécies dos gêneros Eucalyptus, Pinus e Acacia, incluindo as coleções das empresas privadas. Melhoria da qualidade da madeira de coníferas. Monitoramento e seleção de germoplasma resistente a doenças e pragas. Avaliação de espécies alternativas (aos eucaliptos, pinus e acácias) para reflorestamento, visando atender a demanda do mercado de forma ecológica e economicamente sustentável. Melhoria da qualidade das florestas plantadas nas pequenas e médias propriedades rurais, através da disponibilização de sementes e/ou mudas clonadas genéticamente melhoradas. Melhorar e disponibilizar o instrumental para o desenvolvimento de novas "variedades", tais como, a) metodologias para seleção FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 20 precoce; b) metodologias para hibridações inter e intra específicas; c) metodologias de análises quantitativas para seleção de árvores superiores, etc.; d) metodologias de clonagem massal para pinus; e) metologias para implantação e manejo de florestas clonais; f) metodologias para embriogênese somática (para pinus); etc. Definição de estratégias de P&D de forma articulada com associações de classe (sindicatos de produtores, SBS, ABTCP, ABPM, ABRACAVE, etc), fundações de pesquisas (SIF, IPEF, FUPEF, etc.), universidades (USP, UFPR, UFV, UFSM, etc), instituições de pesquisa (Embrapa, INPA, IPT, etc) e órgãos governamentais (MCT, MMA, etc) Apoio aos informativos técnicos disponibilizados via internet e a criação de fóruns permanentes para discussão de temas específicos (chat tecnológico). B. SETOR DE MADEIRA PARA SERRARIA E LAMINAÇÃO B.1. Situação desejada Aumento da disponibilidade de madeira de qualidade adequada para laminação e serraria, provenientes de plantações florestais. Qualidade adequada para serraria e laminação significa madeira com: baixo níveis de tensões de crescimento; alta resistência mecânica; baixa retratibilidade; alta permeabilidade; grã retilínea. B.2. Prioridades Desenvolvimento de metodologia eficiente, rápida, "não destrutiva" e de baixo custo para seleção de eucaliptos visando a produção de madeira serrada. Desenvolvimento e disponibilização de "variedades/clones" melhoradas para produção de madeira para serraria e laminação, FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 21 mais adequadas e produtivas para o plantio de florestas em pequenas e médias propriedades rurais. Desenvolvimento de "sistemas de produção de madeira para serraria e laminação", adequadas para pequenas e médias propriedades rurais. Desenvolvimento de técnicas para processamento da madeira (serrarias de pequeno porte) adequadas para pequenas e médias propriedades rurais, visando agregar valor ao produto florestal. Obs: Espécies nativas vs. espécies exóticas: Avaliação de espécies alternativas (aos eucaliptos e pinus) para reflorestamento visando a produção de madeira serrada e laminação, priorizando as espécies nativas. C. SETOR DE ENERGIA GERADA DA BIOMASSA FLORESTAL C.1. Situação desejada Os principais entraves ao aumento da produtividade e da qualidade dos produtos para fins energéticos são devidos a: Descontinuidade dos programas de melhoramento; Falta de protocolos de clonagem para propagação vegetativa; Falta de estudos de biologia reprodutiva. C.2. Prioridades Resgate de material genético melhorado, disperso em empresas privadas e instituições, em diversos estados do País e difusão dos resultados obtidos. Concentrar esforços para continuidade do programa de melhoramento e /ou de conservação genética desses materiais. Desenvolvimento de protocolos de clonagem e/ou propagação vegetativa de espécies de difícil enraizamento. Como exemplo, o grupo cita as espécies, Eucalyptus cloeziana e Acacia mearnsii (acácia negra); FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 22 Estudos básicos da fisiologia das espécies e/ou desenvolvimento de mecanismos aplicáveis ao melhoramento com vistas à redução do ciclo de melhoramento; D. SETOR DA BORRACHA D.1. Situação desejada Aumento da produtividade nos seringais da região Norte. E melhoria na qualidade da borracha de seringueira produzida na região Sudeste e Centro-Oeste: Diminuição da Viscosidade Mooney (VM) da borracha ao longo do ano. Aumento do Índice de Retenção de Plasticidade (PRI) no período de baixa produção (inverno); Exploração da variabilidade clonal para qualidade da borracha. Aproveitamento da madeira da seringueira, pois é de rápido crescimento e de boa qualidade (bastante semelhante ao Pinus). Apresenta variabilidade interclonal para as propriedades físicas e mecânicas D.2. Prioridades Além da produtividade, incluir nos programas de melhoramento genético, as propriedades da borracha como o PRI, VM e outras, visando a qualidade da borracha de acordo com as recomendações das usinas e industrias. Priorizar as ações de melhoramento, de acordo com região de plantio: o Regiões Centro-Oeste e Sudeste do Brasil (áreas de "escape") Melhoramento para produtividade de latex/ madeira, em conjunto. Melhoramento voltado para a qualidade da borracha (considerando, principalmente, PRI e VM). o Região Amazônica FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 23 Avaliação de outras espécies de Hevea mais resistentes à doenças. Avaliação de outras espécies de Hevea mais indicadas para produção de madeira serrada, tais como H. pauciflora e outras. 2.5.2. Necessidades Futuras/ Desafios do Melhoramento de Plantas O melhoramento de plantas é, em geral, uma atividade que pode levar muitos anos. A produção de novas cultivares em espécies anuais leva em média 12 anos, enquanto para cultivares perenes esse tempo pode ser superior a 30 anos. Por isso, o melhorista deve tentar prever necessidades futuras. Um desses desafios é a procura por fontes de energia renovável. Por isso, vários programas de melhoramento tem trabalhado com espécies que possam ser utilizadas para produção de combustíveis alternativos como é o caso do etanol (cana-de-açúcar) ou o biodiesel (palmeiras, mamona, girassol e pinhão manso). A proteção do meio ambiente também está entre os principais desafios para os melhoristas. Por isso, existe uma demanda crescente por cultivares que tenham necessidade de menores doses de insumos (adubose pesticidas). Nesse contexto, a agricultura orgânica tem crescido rapidamente e com ela a necessidade de cultivares com maior resistência/tolerância a pragas e doenças. 2.6. Áreas de conhecimento relacionadas ao Melhoramento Florestal O melhoramento genético de plantas tem como objetivo geral obter plantas com características mais adequadas às necessidades atuais e futuras. Para atingir tal objetivo é necessário antes de tudo definir de forma clara o que deve ser buscado, e na sequência definir uma estratégia de trabalho a qual é executada utilizando-se os conhecimentos propriamente ditos de melhoramento (métodos de melhoramento). Uma particularidade do melhoramento, ressaltada na área florestal, é o prazo de tempo que necessariamente decorre entre a definição do objetivo até a disponibilização do produto final ao mercado. Portanto, deveríamos hoje estar trabalhando objetivos (características) que seriam demandadas dentro de 15 ou até 35 anos, dependendo da espécie e da finalidade a qual se destina. Para atingir os objetivos desejados, se fazem necessários conhecimentos de várias áreas de conhecimento relacionadas, entre as quais destacamos: FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 24 Genética: Esta ciência fornece informações acerca dos mecanismos de herança dos caracteres e as estimativas dos parâmetros genéticos, e com base netas informações definem-se os tipos de genótipos a serem avaliados, selecionados e cultivados; Estatística: A avaliação da performance de milhares de plantas simultaneamente só é possível adotando técnicas experimentais adequadas, adotando os princípios básicos da experimentação. A consequente aplicação de testes estatísticos permite conclusões baseadas em determinado nível de confiança; Fisiologia: O conhecimento do processo de crescimento e desenvolvimento, bem como os fatores envolvidos na adaptação a condições edafoclimáticas específicas dependem desta ciência. De extrema importância também na propagação vegetativa (estaquia, microestaquia e enxertia); Botânica: Conhecer a anatomia, a taxonomia e o sistema reprodutivo das espécies; Bioquímica: É a base do conhecimento da biotecnologia* (biologia molecular, biologia celular e engenharia genética). Estes conhecimentos são primordiais para o desenvolvimento de protocolos de culturas de tecidos (meristemas, embriões e anteras); Silvicultura: O melhorista florestal necessita ter sólido conhecimento nesta área, devendo conhecer muito bem a espécie, seu sistema de produção e as exigências e tendências do mercado consumidor; Fitopatologia e Entomologia: Conhecimentos necessários à busca de genótipos resistentes e tolerantes a doenças e insetos; Ciência do solo: Manejo nutricional adequado para maximização da produção de sementes e redução do ciclo; identificação de características do solo, com objetivo de estabelecer experimentos em condições representativas e uniformes. É claro que o melhorista não pode ser um especialista em cada uma destas áreas. O que muitos programas de melhoramento têm adotado é o trabalho multidisciplinar. Assim, o melhorista deve ser capaz de estabelecer prioridades, traçar metas e gerenciar os recursos humanos, físicos e econômicos de forma a atingir os objetivos do programa de melhoramento. É de responsabilidade do melhorista: estabelecer estratégias de melhoramento que atendam aos objetivos propostos, destacando-se a reunião da variabilidade genética, conservação desta variabilidade, a recombinação da variabilidade genética existente, a seleção de genótipos desejáveis e a multiplicação destes genótipos. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 25 3. Sistemas reprodutivos e suas relações com o melhoramento O conhecimento do sistema reprodutivo das espécies a serem melhoradas é de fundamental importância para o melhorista. O tipo de reprodução é de fundamental importância na escolha dos métodos que serão utilizados para o melhoramento de determinada espécie (Poehlman, 1990). 3.1. Tipos de reprodução Existem dois modos de reprodução de plantas: sexual e assexual. A reprodução sexual se caracteriza pela formação de gametas (meiose), fusão dos gametas masculino e feminino (fertilização) para formação de um embrião e posteriormente da semente. Já na reprodução assexual ou vegetativa, novas plantas são formadas através de órgãos vegetativos especializados. 3.1.1. Reprodução assexual A reprodução assexual não envolve a fusão de gametas. As novas plantas são obtidas pela divisão celular (mitose) através de vários órgãos vegetativos tais como: raízes, tubérculos, estolões, colmos, manivas, rizomas, rebentos, estacas, borbulhas ou por cultura de tecidos. Em algumas espécies as sementes são formadas sem passarem pela meiose e fertilização, num processo conhecido como apomixia. Um grupo de plantas propagadas vegetativamente de uma única planta (um único genótipo) constitui-se num clone. Nas espécies que se propagam assexuadamente pode ocorrer também a reprodução sexuada. A reprodução sexual permite o fluxo gênico entre indivíduos (hibridação), o que amplia a variabilidade genética, favorecendo o melhoramento genético destas espécies. As populações originadas por reprodução assexuada são altamente heterozigotas, visto serem provenientes da multiplicação de indivíduos que foram provavelmente selecionados por evidenciarem elevado vigor. A heterozigose se explica em função da correlação positiva existente entre vigor e heterozigose. Assim, quando reproduzidas por via sexual, estas espécies evidenciam ampla segregação, aparecendo indivíduos na grande maioria inferiores aos originais. Contudo, a propagação FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 26 clonal utilizada para a multiplicação de indivíduos conduz à formação de uma progênie uniforme, isto é, todos os indivíduos têm o mesmo genótipo embora este seja altamente heterozigoto. Dentro de um clone (entre os rametes de um ortete) poderá ocorrer alteração no genótipo apenas devido a mutações, a alterações cromossômicas ou à variação somaclonal (aparecimento de novos fenótipos na cultura de tecidos), o que contribui para introduzir variabilidade genética no material. Apomixia A apomixia é um tipo de reprodução assexuada que consiste na produção de sementes sem que antes ocorra fertilização, tendo como resultado sementes que são geneticamente idênticas à planta mãe. A apomixia é frequentemente associada à poliploidia, embora possa ocorrer em espécies diplóides como, por exemplo, em Citrus. Para o melhorista, a apomixia pode ser usada para fixar genótipos superiores, principalmente em espécies poliploides. Melhoramento de espécies propagadas vegetativamente De forma geral, o melhoramento de espécies propagadas vegetativamente é mais simples do que o melhoramento de espécies de reprodução sexuada. O melhoramento das espécies propagadas vegetativamente visa obter clones (genótipos) superiores. Quando clones superiores são identificados, esses são multiplicados vegetativamente, tornando- se uma nova variedade. Podemos fazer seleção de clones superiores em progênies vindas de cruzamentos (que tem alta segregação) ou através de propagação de mutantes que podem aparecer naturalmente. A variedade de uva Rubi, que tem casca com coloração rosada, foi selecionada de uma mutação natural que ocorreu na uva Itália (que tem casca verde/amarelada). 3.1.2. Reprodução sexual A reprodução sexual envolve a formação (por meiose) e fusão de gametas (fertilização). As plantas que se reproduzem por reprodução sexualpodem ser FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 27 classificadas em autógamas, intermediárias (autógamas com frequente alogamia) e alógamas. Embora a maioria das espécies florestais sejam predominantemente alógamas, existe uma grande diversidade de sistemas reprodutivos. Assim, existem espécies monóicas alógamas, monóicas de sistema reprodutivo misto, monóicas autógamas e dióicas, que são obrigatoriamente alógamas. Figura 3.1.1. Caracterização do sistema reprodutivo das espécies florestais tropicais e temperadas. (Fonte: Bawa, 1974). Figura 3.1.2. Caracterização do sistema reprodutivo das espécies florestais tropicais. (Fonte: Bawa, 1974). A estrutura e a disposição dos estames, carpelos, pétalas e sépalas da flor podem definir o tipo de polinização e se uma planta é autógama ou alógama. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 28 Figura 3.1.3. Partes constituintes da flor completa. (Fonte: www.herbario.com.br). O cálice, a corola, o androceu e o gineceu, que são os conjuntos formados por peças iguais, são denominados de verticilos florais. Conforme possuam um ou os dois sexos, as flores podem ser: Monóclinas (hermafroditas) quando possuem os dois sexos, ou Díclinas quando os sexos são encontrados em flores diferentes (www.herbario.com.br). Os vegetais são monóicos ou hermafroditas quando os dois sexos são encontrados num mesmo indivíduo, numa mesma flor (monóclina) ou em flores deferentes (díclinas). Os vegetais dióicos ou unissexuados, por outro lado, possuem apenas um sexo em cada planta e suas flores só podem ser díclinas. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 29 Figura 3.1.4. Disposição dos órgãos reprodutivos nos indivíduos. Do ponto de vista da estrutura reprodutiva, as espécies vegetais podem ser divididas em dois grupos, dependendo de serem, predominantemente, autopolinizadas ou autofecundadas, classificadas como autógamas ou de serem, em grande parte, de polinização e fecundação cruzada, classificadas como alógamas. Para que sejam desenvolvidos estudos básicos visando a utilização das espécies nativas em programas de melhoramento e, ou de conservação genética ex situ, é muito importante que se tenha acesso a informações sobre a biologia reprodutiva da espécie. O sistema de reprodução é um dos fatores mais decisivos para que a variabilidade genética individual seja mantida. Populações de indivíduos que apresentam fecundação cruzada têm maiores possibilidades de aumentar a variabilidade genética sem adição de genes novos (por mutação, por exemplo) do que populações de indivíduos com autofecundação. Plantas Autógamas As plantas autógamas são aquelas que realizam preferencialmente autofecundação (acima de 95%). A autofecundação ocorre quando o pólen (gameta masculino) fertiliza um óvulo (gameta feminino) da mesma planta. Apesar de preferencialmente realizarem autofecundação, pode ocorrer uma baixa taxa de fecundação cruzada nas espécies FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 30 autógamas. Esta frequência depende da população de insetos polinizadores, intensidade do vento, temperatura e umidade. As plantas autógamas são caracterizadas pela homozigose. Uma população de plantas autógamas é representada por uma ou várias linhas puras. Por linha pura define- se a descendência de uma única planta homozigota por autofecundação. A autofecundação conduz à homozigose, portanto, plantas autógamas apresentam a maioria dos genes nesta condição. Na Tabela 3.1 pode ser visualizado o processo de formação de duas linhas puras (AA e aa) a partir da autofecundação de um indivíduo heterozigoto para um par de alelos e a concomitante redução da heterozigosidade e aumento da homozigosidade. Tabela 3.1 - Proporções genotípicas nas diferentes gerações de autofecundação, considerando apenas 1 par de alelos. As plantas autógamas desenvolveram o mecanismo da cleistogamia que favorece a autofecundação. Como mecanismos que favorecem a autofecundação, em espécies hermafroditas, podem ser citados: a) cleistogamia; e b) morfologia floral que impede a fecundação cruzada. Podem, ainda, ser relacionados à autofecundação, como fenômenos associados, a presença de flores sem atrativos para insetos e a produção relativamente pequena de pólen, em comparação à produção polínica de espécies alógamas, já que, nas autógamas, a polinização é efetuada basicamente pela ação da gravidade e o pólen percorre pequenas distâncias. Plantas Intermediárias Plantas intermediárias são aquelas que possuem porcentagem de fecundação cruzada entre 5 e 95%. Para fins de melhoramento, as espécies intermediárias geralmente são tratadas como alógamas. Por possuírem taxas consideráveis de polinização cruzada, FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 31 deve-se tomar cuidado no isolamento destas espécies tanto durante a fase de melhoramento como na produção de sementes. Plantas Alógamas Plantas alógamas são aquelas que realizam preferencialmente fecundação cruzada (acima de 95%). Neste caso, a fertilização ocorre quando o pólen de uma planta fertiliza o óvulo da flor de outra planta. A fecundação cruzada permite maior variabilidade genética e maior recombinação potencial de genes, algumas destas combinações podem ser adaptativas. As espécies alógamas são caracterizadas pela heterozigose, apresentando heterose e endogamia. As plantas de uma população alógama são, normalmente, muito heterozigotas, tendendo a manter-se esta heterozigosidade nas sucessivas gerações de fecundação cruzada. A redução da heterozigosidade conduz, geralmente, à perda de vigor e efeitos associados, como pode ser observado na descendência de indivíduos autofecundados (depressão por endogamia). Isto acontece devido à manifestação de genes recessivos deletérios e letais provocados pela homozigose forçada (endogamia). A intensidade dos efeitos de depressão de vigor decorrente de endogamia é variável de espécie para espécie, indo desde a ausência de manifestação, até o comprometimento da sobrevivência da população. Em populações alógamas o cruzamento entre indivíduos geneticamente divergentes conduz ao aumento do vigor, da altura de planta, do conteúdo de carboidratos e da produtividade, sendo este fenômeno chamado de Heterose. Mecanismos que incentivam e/ou determinam a alogamia De acordo com o tipo de flor que possuem, as espécies alógamas são divididas em três grupos: Plantas com flores hermafroditas: a flor é completa, possuindo os dois sexos. Exemplo: Ipê-amarelo, bracatinga. Plantas monóicas: com flores unissexuais femininas e masculinas na mesma planta. Exemplo: seringueira. Plantas dióicas: plantas com flores masculinas e plantas com flores femininas: araucária, kiwi, erva mate. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 32 As plantas alógamas desenvolveram mecanismos que podem determinar ou incentivar a alogamia (reprodução cruzada). A dicogamia ocorre em espécies com flores hermafroditas e é definida pelo amadurecimento da parte feminina (gineceu) e da parte masculina (androceu) em momentos diferentes. A dicogamia é dividida em: Protandria: anteras tem os grãos de pólen maduros mas os estigmas não estão receptivos. Ex: Eucalyptus. Protoginia: estigmas receptivos mas anteras não completaram o amadurecimento. Ex: Algumas variedades de abacate, anonáceas (pinha, atemóia, etc.). As barreiras mecânicas tambémfavorecem a polinização cruzada. Exemplo clássicos são a alfafa e a goiabeira, que têm uma membrana sobre o estigma que impede a fecundação do grão de pólen da própria flor. A fecundação só ocorre quando a barreira é rompida por insetos polinizadores, que trazem pólen de outras plantas. A monoicia (separação na mesma planta das inflorescências masculinas e femininas) é também um mecanismo de incentivo à alogamia. Dioicia: flores masculinas numa planta e flores femininas em outra. Neste caso a autofecundação é impossível. Exemplos: araucária, kiwi. Na autoincompatibilidade ocorre uma interação entre o grão de pólen e o estigma, que impede que o pólen germine no estigma da mesma planta. A autoincompatibilidade pode ser dividida em gametofítica e esporofítica. Sistema gametofítico: neste caso a incompatibilidade é controlada por um único alelo S. Quando um grão de pólen contém um alelo S que está presente no estigma, o crescimento do tubo polínico fica paralisado (Figura 3.2). O grão de pólen somente germinará em um estigma que não contém o mesmo alelo, impedindo a autofecundação. Figura 3.2. Sistemas de autoincompatibilidade gametofíco e esporofítico. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 33 Sistema esporofítico: neste caso o que determinará a ocorrência ou não a incompatibilidade não será o alelo que o pólen carrega, mas sim os alelos presentes no tecido diplóide da planta mãe. Na Figura 3.2 temos um exemplo em que o alelo S1 é dominante sobre S2, S3 e S4. No cruzamento S1 S2 x S1 S3, o pólen S2, que foi produzido por um parental S1 S2, não consegue germinar no estigma S1 S3. A macho esterilidade é a incapacidade de uma planta em produzir pólen funcional. Ela tem papel importante no melhoramento de plantas, principalmente na produção de sementes híbridas. Podem, ainda, ser relacionados à fecundação cruzada, como fenômenos associados, a produção de grande quantidade de pólen, característica de plantas polinizadas pelo vento, e a presença de flores vistosas, perfumadas e de cores vivas, em plantas polinizadas pelos insetos. Em relação ao sistema de cruzamento, parece haver uma forte tendência, entre as espécies florestais, principalmente as de regiões tropicais, de predomínio da fecundação cruzada. Conhecem-se, por exemplo, como espécies alógamas as seguintes: Pinus spp (a); Araucaria angustifolia, Larix spp (a), Picea spp (a), Pseudotsuga menziesii (a), Eucalyptus spp (b), Acacia spp, Ilex paraguariensis (b), Hevea brasiliensis (b), Quercus spp (a), Fraxinus spp (a), Grevilea robusta, Populus spp (a), Acer negundo (b). Vetor polínico: a = vento; b = animais. 3.1.3. Como determinar o sistema de reprodução? Para determinarmos o sistema de reprodução de uma espécie podemos tomar algumas estratégias: I. Exame da estrutura floral. • Plantas dióicas obviamente indicam alogamia. • Dicogamia, monoicia, ou outros dispositivos para cruzamento, fornecem indício de que a espécie é alógama. • Flores chamativas e com forte odor são características de sp alógama. • Cleistogamia é uma evidência de autogamia. II. Isolamento de plantas individuais • Não houve produção de semente: Indicação que a espécie deve ser alógama. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 34 • Houve produção de sementes: Pouco podemos inferir, pois muitas plantas alógamas são auto-férteis, assim como as autógamas. III. Verificar o efeito da endogamia Após autofecundação verificar se: • Não há perda de vigor na progênie: Evidencia autogamia • Há perda de vigor na progênie: Evidencia alogamia IV. Estudo da taxa de cruzamento • Avaliação de progênies com marcadores genéticos. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 35 4. Domesticação e evolução das espécies 4.1. Domesticação das espécies A domesticação é um processo evolucionário conduzido pelo homem visando adaptar plantas e animais às necessidades humanas. Plantas domesticadas são geneticamente distintas de seus progenitores selvagens. Uma espécie totalmente domesticada é completamente dependente do homem para sua sobrevivência, não conseguindo se reproduzir na natureza sem a intervenção humana. Neste capítulo vamos estudar a domesticação das plantas, dando ênfase aos fatores genéticos mais importantes envolvidos nesse processo. 4.1.1. Características das plantas domesticadas: As espécies domesticadas apresentam uma série de modificações morfológicas quando comparadas com seus ancestrais selvagens. Entre estas modificações podemos citar: perda de dormência de sementes; aumento do tamanho de frutos e sementes; mecanismos de dispersão ineficientes (vagens indeiscentes, por exemplo); hábito de crescimento mais compacto; maior uniformidade; redução de substâncias tóxicas; aumento do número de sementes por inflorescência; etc. O milho (Zea mays) é um bom exemplo das modificações ocorridas durante a domesticação. Quando comparado com o teosinto, uma espécie ancestral, o milho apresenta crescimento mais compacto e maior dificuldade na dispersão natural, pois os grãos estão aderidas ao sabugo e são envolvidos por palha (Figura 4.1). Figura 4.1. Milho híbrido moderno e seu ancestral, teosinto. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 36 4.2. Bases genéticas da domesticação de plantas Do ponto de vista genético, evolução é “qualquer alteração das frequências alélicas da população, visando torná-la mais adaptada”. No caso da domesticação das plantas, os vegetais foram modificados para torná-los mais adaptados ao homem. Os principais fatores genéticos envolvidos no processo de domesticação das plantas são: mutação; hibridação interespecífica; poliploidia; e seleção artificial. 4.2.1. Mutação A mutação é definida como a alteração súbita nos genes existentes, sendo o único processo genético que cria variabilidade (cria novos alelos). A mutação é dividida em diferentes tipos: gênicas, extranucleares e cromossômicas. Na mutação gênica ou mutação de ponto as modificações ocorrem nas bases nitrogenadas do DNA. As mutações extranucleares ocorrem no DNA de organelas do citoplasma (mitocôndrias e cloroplastos). Nas mutações cromossômicas as alterações acontecem tanto na estrutura (deleção, duplicação, inversão e translocação) quanto no número de cromossomos (aneuploidia e euploidia). Quanto à sua origem, as mutações podem ser espontâneas ou induzidas. A frequência da mutação espontânea é muito baixa. Estima-se que ela ocorra em cada locus gênico a cada milhão de gametas, ou seja, numa frequência de 1x106. Além de ocorrer em baixa frequência, a mutação espontânea é um processo aleatório e, na maioria das vezes, desvantajoso. Apenas raramente ocorrem mutações que são vantajosas. A domesticação do arroz (Oryza sativa) é um bom exemplo do papel da mutação gênica. Durante o processo de domesticação, a mutação em apenas um par de bases no DNA causou a mudança de um aminoácido em uma proteína, resultando na redução da degrana natural nesta espécie. Esta pequena mudança no DNA previne as sementes maduras de arroz de caírem da panícula, permitindo uma colheita mais eficiente. Mutações também podem ser induzidas com a utilização de radiação ou de produtos químicos mutagênicos, como o etil metanosulfonato (EMS). Logo após a segunda guerra mundial, houve um grande interesse na utilização da mutação induzida através da radiação na tentativa de obter novas variedades. Apesar de algumas variedades terem sido obtidasutilizando mutação induzida, elas são em muito menor número quando comparadas com as obtidas pelos métodos de hibridação e seleção. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 37 4.2.2. Hibridação interespecífica Na hibridação interespecífica, o cruzamento ou hibridação ocorre entre indivíduos de espécies diferentes, mas relacionadas. Esse tipo de hibridação foi muito importante na origem de várias espécies cultivadas. A origem do moranguinho é um bom exemplo da hibridação interespecífica. O morangueiro plantado atualmente é resultado do cruzamento entre duas espécies selvagens de morango, Fragaria virginiana (originária da América do Norte) e F.chiloensis (originária do Chile). Esse cruzamento foi feito na Europa no século 18 e resultou em plantas com frutos de maior tamanho e qualidade. Outro exemplo é o hibrido interespecífico entre Caiaué x Dendezeiro obtido pela Embrapa Amazônia Ocidental, visando à obtenção de populações de híbridas produtivas, com menor porte e resistência ao amarelecimento-fatal. Em várias espécies, depois do cruzamento entre espécies diferentes, o híbrido resultante foi retrocruzado com uma das espécies parentais, de tal forma que o resultado é a transferência de algumas ou apenas uma característica de um dos genitores para o outro. Este fenômeno é chamado de introgressão. Durante a domesticação das espécies cultivadas, a hibridação interespecífica ocorreu naturalmente. Hoje, os melhoristas podem utilizá-la para buscar características em espécies aparentadas ou mesmo criar novas espécies. O triticale é um híbrido interespecífico entre o trigo e o centeio obtido artificialmente. 4.2.3. Poliploidia Poliploidia se refere a células ou organismos que contenham mais de duas cópias de cada um de seus cromossomos. Os tipos de poliplóides são divididos de acordo com o número de conjuntos de cromossomos, presentes em seu núcleo, em: triplóides (três conjuntos; 3x), tetraplóides (quatro conjuntos; 4x), pentaplóides (cinco conjuntos, 5x), hexaplóides (6x), etc. Um haplóide (x) tem somente um conjunto de cromossomos. A poliploidia foi um importante mecanismo no processo de domesticação das plantas cultivadas. Em geral, plantas poliplóides são mais vigorosas, com frutos e sementes maiores. Alguns autores sugerem que durante a domesticação, plantas poliplóides, que são mais fortes e vigorosas, foram preferencialmente selecionadas. FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 38 Muitas espécies cultivadas parecem ter sido selecionadas para um maior nível de ploidia de forma não intencional. Quanto à sua origem, os poliplóides podem ser divididos em dois tipos: autopolipóides e alopoliplóides. Nos autopoliplóides os conjuntos de cromossomos são originários de uma única espécie. Nestas espécies observa-se um aumento no tamanho de flores, frutas e folhas (plantas ornamentais e frutíferas). As espécies autopoliplóides, em geral, apresentam baixa fertilidade devido a problemas de pareamento na meiose. Por isso, ela é particularmente importante para espécies de propagação vegetativa como a banana (triplóide) e algumas variedades de batata (tetraplóide). Nos alopoliplóides, os conjuntos de cromosssomos são originários do cruzamento de duas ou mais espécies relacionadas. Comparado com a autopoliploidia, a alopoliploidia teve um impacto muito maior na domesticação das plantas cultivadas. 4.2.4. Seleção artificial Durante a domesticação das plantas, os processos genéticos descritos anteriormente (mutação, hibridação interespecífica, poliploidia) ocorreram, principalmente, de forma natural. A principal contribuição feita pelo homem foi a seleção. A seleção ocorre quando um indivíduo deixa mais descendentes que outro, sendo relativamente mais adaptado. A seleção muda a frequência alélica (e consequentemente a genotípica) e é vital para a evolução e para a domesticação. Natureza e homem não querem necessariamente os mesmos fenótipos. Muitas características desejadas pelo homem não são favorecidas pela natureza. A seleção feita pelo homem (artificial) pode ser no sentido oposto da seleção natural. O homem seleciona indivíduos portadores de características agronômicas desejáveis, enquanto a natureza seleciona indivíduos mais adaptados. 4.3. Centro de Origem das Espécies É muito importante para o melhorista saber onde se encontra geograficamente a variabilidade genética da espécie que está trabalhando. Grande parte da variabilidade genética de uma espécie está presente no seu centro de origem ou centro de diversidade. Um grupo de pesquisadores russos, e em especial o biologista Nicolai Ivanovich Vavilov, FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 39 mostraram que certas áreas do mundo concentram a maior diversidade genética das espécies cultivadas. Vavilov identificou oito diferentes centros, alguns dos quais foram subdivididos: 1. China, 2. Índia, 2a. Indo-malaio, 3.Ásia Central, 4. Oriente Próximo, 5. Mediterrâneo, 6. África Oriental, 7. Mesoamérica, 8. América do Sul, 8a. Chile, 8b. Brasileiro-paraguaio. (Figura 4.2) (Tabela 4.1) Figura 4.2. Centros de origem de plantas de Vavilov Esses centros estão separados geograficamente por desertos, planícies ou montanhas. Os centros definidos por Vavilov são áreas onde houve o desenvolvimento independente de civilizações agrícolas. Geralmente uma espécie está relacionada apenas com um centro, mas algumas vezes ela pode ser encontrada em mais de um. Quando isto acontece, o local onde existe maior variabilidade é denominado de centro primário, e é considerado o local onde a espécie foi domesticada. O centro secundário se desenvolve de tipos que migraram do centro primário. Vavilov considerava estes centros de diversidade genética como centros de origem (onde ocorreu a domesticação) das espécies cultivadas. Entretanto, alguns pesquisadores afirmam que nem sempre o centro de origem coincide com o centro de maior diversidade genética de uma determinada espécie FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 40 Tabela 4.1. Centro de origem de plantas de Vavilov e respectivas espécies cultivadas FGP 300 – Melhoramento Florestal (Prof. Mágno S F Valente) 41 5. Uso e conservação de germoplasma 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 melhoramento de plantas. Neste capítulo vamos estudar o que é erosão genética, germoplasma, quais são os diferentes tipos de germoplasma, os centros de origem de plantas cultivadas e a conservação da variabilidade genética em bancos de germoplasma. 5.1. Erosão genética A erosão genética é a perda da diversidade genética das espécies podendo levar a extinção de alguns materiais cultivados ou existentes nos centros de diversidade. A erosão genética é altamente preocupante, pois implica em uma provável perda de alelos valiosos. Na África, a principal causa da erosão genética está na destruição das florestas em prol da agricultura comercial de grande escala, para conseguir pastagens para gado e para obter lenha. No entanto, outras causas estão envolvidas com a erosão genética, da qual podemos citar: Substituição de variedades locais, rústicas e bem adaptadas por cultivares mais produtivas e geneticamente uniformes; Construção de cidades, estradas, polos industriais, hidrelétricas,
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