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1 GENÉTICA E MELHORAMENTO DE ABELHAS INTRODUÇÃO As abelhas são insetos sociais que vivem em famílias consistindo de uma rainha, centenas de machos e milhares de operárias. A sua organização e atividades individuais tem intrigado os cientistas por séculos. Como vivem em cavidades e o acasalamento ocorrer no ar há uma dificuldade de estudo desses insetos. Gregor Mendel apesar do esforço no estudo da genética das abelhas obteve falhas nas suas tentativas, devido à falta do conhecimento que a rainha acasala com mais de um zangão e que este morre após a cópula. O cientista tentou sem sucesso fazer o acasalamento em gaiolas, e posteriormente optou pelo estudo de genética com ervilhas. Década de 50 iniciou os primeiros estudos em genética de populações de abelhas, porém, a partir do final da década de 70 houve maior número de estudos como métodos para avaliar a variabilidade genética e diferenciar as populações (taxonomia de subespécies e problemas com a africanização). O conhecimento da genética e melhoramento em abelhas inicia-se pela citologia e característica reprodutiva de partenogênese. CITOLOGIA O genoma da abelha é composto por 16 pares de cromossomos. Estes cromossomos são emparelhados com outro de tamanho e forma idêntica. Nele está contida a informação genética individual de uma, sendo que a hereditariedade diferencia entre indivíduos e é uma conseqüência da mudança nos seus códigos genéticos (DNA). Cada cromossomo possui ordem em cada locus com genes em seqüências de nucleotídeos específicas constituindo o DNA. Uma parte vinda da mãe da abelha feminina, pelo ovo, e a outra parte vinda do pai, pelo espermatozóide que fertilizou o ovo. O DNA é uma sucessão de moléculas, chamadas nucleotídeos, que são organizados em ordem seqüente em uma molécula muito maior chamado ácido desoxirribonucléico (DNA). Há quatro tipos de nucleotídeo no DNA: timina (T), adenina (A), citosina (C), e guanina (G). Os genes podem existir em forma alternada (alelos), e podem mudar sua forma (mutação). Os gametas maduros possuem um único genoma (haplóide). As fêmeas possuem dois genomas (diplóide) em suas células reprodutivas imaturas. A Meiose consiste em duas divisões nucleares sucessivas, que acontecem em uma sucessão semelhante à mitose. A meiose acontece para a formação do gameta com divisões nucleares sem divisões de células completas. Além disso, os cromossomos de origem materna e os cromossomos de origem paterna neste momento vêm juntos no fuso da primeira divisão, formando 16 pares de cromossomos homólogos. Este emparelhamento íntimo de cromossomos homólogos é conhecido como sinapses. Neste momento pode haver uma troca de segmentos entre cromossomos homólogos, cromossomos da mãe que troca segmentos com os cromossomos do pai. Esta troca é conhecida como recombinação, o mecanismo por meio do qual se agrupa os genes em um cromossomo particular pode ser trocado para grupos de genes semelhantes em seu homologo. Emparelhando, quebrando, e reunindo cromossomos, a separação dos dois segmentos de cada par de cromossomos homólogos durante meiose torna possível muita combinações genéticas diferentes. É altamente improvável que uma rainha produza dois ovos que contêm a mesma informação genética. O genótipo é o arranjo dos cromossomos e genes em pares. Antes do desenvolvimento do ovo em larva, ocorrem duas divisões nucleares (meiose) onde um membro de cada par de cromossomos é eliminado. Na primeira divisão cada cromossomo é replicado, permanecendo anexado ao centrômero. A redução no número de cromossomos de 32 a 16 durante a maturação do ovo formado por meio deste mecanismo resulta em ovos fertilizados sempre com 32 cromossomos. O gameta 2 masculino e feminino cada um tinha 16 cromossomos; a união deles restabelece o número de cromossomo no zigoto para 32. Se o ovo não é fertilizado dará origem a um zangão haplóide, conhecido como partenogênese, que possui somente um genoma. Consequentemente todo esperma do zangão é geneticamente idêntico, e do ponto de vista genético pode ser chamado de gametas da rainha, e é replicado durante a formação do genoma e maturação do ovo. PARTENOGÊNESE É a origem de um indivíduo a partir de um ovo não fertilizado (ocorrem em abelhas, vespas e formigas). Os machos são produzidos a partir de ovos não fertilizados. Esta origem do zangão faz sua mãe um pai genético da progênie de zangões. Os zangões possuem somente filhas, não filhos. Após a postura do ovo ele passa por um período receptivo a fusão dos pronúcleos de qualquer esperma que penetrar no ovo. Se a fusão não ocorrer o pronúcleo irá iniciar a divisão e a célula nuclear irá se estabelecer a partir de um simples cromossomo. A diferenciação do tecido do zangão, contudo, contém a mesma quantidade de DNA de operárias diplóides e rainhas, devido à endomitose (replicação do cromossomo com células sem divisão celular). O mecanismo genético da determinação do sexo é aparentemente além do controle de um único gene. O sexo é determinado por um gene que possui diferentes alelos. Indivíduos heterozigotos possuem dois alelos diferentes, dando origem a fêmeas; os homozigotos possuem dois alelos idênticos, desenvolvendo em machos diplóides. Com a inseminação instrumental em rainhas permitiu a utilização de híbridos puros pelos melhoristas, porém isto resulta em uma alta taxa de endogamia. A rainha inseminada com sêmen de seus filhos produz 50% de falha na cria como conseqüência da homozigosidade no alelo sexual e remoção da cria pelas operárias, onde células completas em favos com cria falhada continham ovos viáveis, mas as larvas inviáveis de zangões diplóides com homozigose para o alelo sexual eram removidas 6 horas após a eclosão. Desenvolveu também a técnica de produção de machos diplóides em laboratório até a sua maturidade na colônia permitindo seu estudo. O processo de espermatogênese em machos haplóides é semelhante que em diplóides, conseqüentemente produzindo espermatozóides diplóides. Machos diplóides são menores e produzem menor quantidade de esperma e a inseminação de rainhas com machos diplóides origina operárias triplóides. 3 Determinação do sexo O lócus sexual O sexo em abelhas é aparentemente determinado por um único lócus sexual com uma ampla variedade de alelos, menos que por cromossomos sexuais. A homozigosidade neste lócus resulta em machos. Larvas heterozigotas se desenvolvem em fêmeas (rainhas ou operárias, dependendo da dieta da larva). Em colônias endocruzadas, a rainha irá produzir ovos fertilizados nos quais o lócus cromossômico é homozigoto e consequentemente desenvolve em zangões. Macho diplóide Os zangões diplóides que resultam de ovos fertilizados são detectados pelas operárias e são comidos em estágios larvais iniciais. O ninho de cria espalhado, devido à remoção de larvas machos diplóides após a eclosão do ovo é típica de colônias endocruzadas. Em acasalamentos naturais é difícil identificar perdas de cria devido a machos diplóides. Devido ao sistema de acasalamento poliândrico, a média de endocruzamento na população deve ser muito alta antes dos efeitos se tornarem óbvios no nível do padrão de cria. Isto também tem implicação para a evolução da poliandria em abelhas. Os zangões diplóides têm uma espermatogênese similar aos machos. Consequentemente, machos diplóides tem espermatozóides diplóides. ORGANIZAÇÃO GENÉTICA DAS COLÔNIAS A colônia consiste de uma rainha, centenas ou nenhum zangão e milhares de operárias. A rainha acasala com diversos zangões resultando em uma estrutura genética complexa e a relação dentro da colônia afeta as interações comportamentais dosindivíduos dentro da colônia. Outra complicação na genética de uma colônia de abelhas são os múltiplos acasalamentos da rainha. Como conseqüência a colônia tem não um, mas um conjunto de pais e um número igual de subfamílias que coexistem na colônia. A rainha acasala em média com 7 a 17 diferentes machos. Estes acasalamentos ocorrem durante o vôo quando as rainhas possuem 5-10 dias após sua emersão como adulto. Cada rainha pode realizar um ou mais vôos, estendido por alguns dias, onde o primeiro vôo pode ser de orientação ou de cópula. Os machos acasalam-se uma vez somente, depositando 6-10 milhões de espermatozóides no oviduto da rainha, morrendo em seguida. O pareamento é provavelmente ao acaso, contudo os machos aparentemente preferem acasalar com rainhas que mostrem o sinal de acasalamento, uma evidencia que ela já foi acasalada em um vôo. As rainhas retornam do vôo com um total de 4 a 7 milhões de espermatozóides depositado no oviduto pelo zangão da rainha. O primeiro processo é a migração do espermatozóide para a espermateca em um período de 40 horas. O esperma entra na espermateca e é misturado, representando a maior parte dos zangões nos ovos botados pela rainha. Rainhas originam todo o genoma das abelhas melíferas. Elas produzem gametas - ovo com um único conjunto de cromossomos que são fertilizados, e normalmente desenvolvem-se em fêmeas, ou não são fertilizados e desenvolvem-se em machos haplóides. Como conseqüência, geneticamente as rainhas são ambos fêmea e macho. Elas funcionam como machos porque elas originam o genoma que esta contido no esperma dos seus "filhos". Machos desenvolvem-se de ovos não fertilizados e reproduzem vários milhões de tempos, em seus testes, o genoma derivado da sua mãe. Eles mudam encarnando na célula do genoma do ovo para esperma. Então, nós podemos pensar em rainhas como mães e pais. Por causa disto, nós defendemos o uso da genética. Por exemplo, quando nós acasalarmos zangões e rainhas virgens derivadas de uma única rainha, nós nos referimos que como um acasalamento mãe-filha. A terminologia física não captura as características especiais genéticas está geneticamente incorreto. Colônias consistem em um número grande de subfamílias de operárias porque as rainhas acasalam com números grandes de zangões. 4 Estrutura da Subfamília das Colônias Uma colônia consiste de um grande número de subfamílias. Membros de uma mesma subfamília possuem 75% dos genes em comum – super irmãs. Indivíduos de diferentes pais pertencem a diferentes subfamílias e possuem 25% dos genes em comum – meias irmãs. Dará origem a irmãs completas se os irmãos zangões (derivados de diferentes gametas de uma mesma mãe) inseminam a rainha. Todo o esperma que um zangão produz contém genomas idênticos, onde o zangão não possui pai e é haplóide. Diferentes ovos postos pela rainha contêm diferentes genomas devido à recombinação genética durante a maturação do ovo, já o esperma produzido pelos machos derivados de diferentes ovos da mesma rainha será diferente. Isto resulta em uma relação genética de 0,50 entre indivíduos de progênie de zangões (irmãos), equivalente a irmãs completas em sistema diplóide, e equivalente a irmãs diplóides completas no respectivo genoma de origem. Os indivíduos da mesma subfamília compartilham uma mãe rainha e um pai zangão é chamado de super irmãs, porque elas herdam os mesmos genes exatamente dos seus pais resultando o compartilhando 75% dos seus genes em comum, comparado com só 50% de genes compartilhados entre irmãs completas derivadas de acasalamento diplóide. Por exemplo, nós compartilhamos 50% de nossos genes em comum com nossos irmãos e irmãs com quem nós compartilhamos uma mãe e pai. Indivíduos com pais de zangão diferentes pertencem a subfamílias diferentes e, se os pais de zangão forem sem conexão, às subfamílias compartilham 25% dos seus genes em comum, e as operárias de uma subfamília são meia-irmã com operárias de uma subfamília diferente. Relações de irmãs completas também são possíveis. Estas acontecem quando zangões irmãos cruzam com a mesma rainha. Neste caso, operárias com pais de zangão de irmão diferentes são as irmãs completas de um ao outro e compartilham 50 % dos genes em comum. Uma conseqüência entre subfamílias dentro da colônia resulta em uma grande interação entre as operárias, confundindo a habilidade de predizer a resposta da população melhorada à seleção. Por enquanto, indivíduos de uma mesma subfamília possuem uma maior predisposição a defender a colméia e, como conseqüência, faz a colônia ser mais defensiva enquanto as outras 16 ou menos subfamílias não são tão defensivas. A dominância do comportamento deste tipo em abelhas é muito mais devida como conseqüência da expressão da variabilidade genética entre os membros da colônia por muitas características de comportamento. PRINCÍPIOS DE MELHORAMENTO EM ABELHAS A apicultura é extremamente diversa, envolvendo o manejo de milhares de colônias com tecnologia mecânica, trabalho em pequena escala familiar, bem como suplementação da renda com outros recursos e desenvolvimento rural. 5 As empresas comerciais obtêm o lucro a partir da venda do mel, cera, rainhas virgens ou fecundadas, geléia real, própolis, pólen, colônias, pacotes de abelhas ou serviços de polinização a outros apicultores. Esta variedade no interesse comercial conduz a diferentes maneiras na visão que constitui o melhoramento, dependendo do interesse especifico de lucro do apicultor. Para isso é desejável uma melhoria do estoque, aumento de produção com redução de custos e manejo. Os criadores devem examinar primeiramente as necessidades econômicas (produção de mel, cera, pólen, geleia real, apitoxina, própolis, comportamento higiênico, serviço de polinização, etc.) específicas da região em que o estoque que ele está desenvolvendo será usado. O programa de melhoramento de abelhas envolve a criação, avaliação e seleção de estoques melhorados com determinado objetivo de intensificar e concentrar características desejáveis para uma linhagem e ao mesmo tempo eliminar as indesejáveis. A criação, por si só, é a produção de indivíduos do ovo para o adulto, e necessariamente não está interessado com a ascendência dos indivíduos produzidos, nem com as características deles ou as características dos descendentes deles. Os indivíduos devem ser avaliados quanto a sua produção e consequentemente realizada uma seleção podendo ser por meio de acasalamento sistemático dos indivíduos selecionados para produzir descendência que possui características consideradas desejáveis. Então, o acasalamento é feito visando uma meta definida, e o acasalamento propositado é continuado por gerações sucessivas. A seleção do estoque superior é essencial em um programa de melhoramento. Para tanto requere a coleta de dados para identificação das rainhas com um desempenho superior, e que selecionadas serão a mãe das rainhas e zangões da próxima geração. O genótipo da rainha e das operárias, bem como o ambiente, contribui para as características da colônia observadas. O controle da variabilidade de ambiente é feita quando possível pela repetição do desenvolvimento, em ensaios para avaliação. A seleção de zangões é o método mais forte de seleção, feita de forma direta, realizada em características comuns entre zangões e operárias (cor, resistência a doenças ou pesticidas, tempo de desenvolvimento ou peso, tempo de vida). A seleção envolve avaliação de indivíduos baseado na determinação das suas características e da sua habilidade para transmitir fatores que produzem estes e outras características na sua descendência. Seleção é uma parte importante de qualquerprograma de procriação. A transmissão de fatores de pai para descendência é chamada herança. Todos os programas possuem recursos limitados e as decisões em muitas áreas são feitas na ordem de otimizar o sucesso do programa. Também são importantes em programas de cruzamento, as adversidades da área. Na prática, doenças e parasitas são controlados por agentes químicos e antibióticos. Mas nem sempre isto é eficiente, é caro e necessita de prevenção para a contaminação dos produtos. Outra dificuldade são as condições adversas como o inverno, períodos de baixa disponibilidade de néctar ou a ausência de pólen. A produção de um estoque resistente a doenças e parasitas e adaptado a condições regionais adversas também é objetivo de programas de cruzamento. PARAMETROS DE AVALIAÇÃO Ao iniciar um programa de melhoramento, devem-se decidir quais características são mais importantes, e direcionar seus esforços. A seleção para uma característica possui maior facilidade, porém ao utilizar mais de uma característica devem ser feita avaliação das medidas correlacionadas entre elas. As dificuldades de medições das medidas não podem ser subestimadas. A produção de mel necessita de fluxo de néctar, a atividade de polinização depende fortemente da competitividade e atratividade floral. Clima, tempo, vento, força desigual entre colônias e seu histórico fazem as medidas a campo menos acuradas. Também a observação direta das características a campo pode ser cara. Por exemplo, na avaliação da produção de mel durante o ano, o custo de seleção de uma geração é de um ano e a variação do ambiente durante as 6 estações do ano causam uma falta de acurácea. Uma medida correlacionada pode ser mais acurada ou ter um custo bem menor. Esses problemas de tempo e custo têm gerado estudos com outras medidas correlacionadas, como exemplo com a produção total de mel, como longevidade das abelhas, peso pupal, medida da corbícula e produção de mel em um dia. Outras características importantes como defesas da colônia e resposta a várias doenças têm sido desenvolvidas. O desenvolvimento de medição de características usuais ou medidas indiretas, incluindo testes laboratoriais, é importante e de interesse dos geneticistas de abelhas. Não existe um guia aceitável para o desenvolvimento de medidas correlacionadas para programas de seleção. Geralmente, as criações de animas maiores e aves possuem maior controle ambiental e a menor variação tendo melhores resultados em características de interesse. Também, eles usualmente utilizam de características fisiológicas como produção de gordura ou ganho de peso, ao contrário de resultados complexos de comportamento no processo de produção de mel ou defensividade. Contudo, a estatística quantitativa e qualitativa contém a teoria necessária para estabelecer guias para o desenvolvimento de medidas correlacionadas e usuais. Primeiro, são requerido estudos simples para saber se determinada característica possui resultados correlacionados com medidas de características que podem ser melhoradas. Estes estudos, também devem fornecer estimativas médias e variação fenotípicas. A avaliação destes testes envolve a consideração do valor correlacionado, variando de 0 a 1, a significância estatística da correlação, o número de colônias avaliadas e o custo desses dois sistemas de avaliação. Neste ponto, medidas correlacionadas baixas (0,2) ou maior custo que medidas diretas devem ser descartadas. Contudo, o importante é a medida do valor genético dos pais, a primeira correlação deve ser considerada altamente importante, mas a segunda considerada trivial. Pares de dados em uma ou duas colônias criam correlações significantes e aparentemente importantes. O recurso de uma colônia produz escores substancialmente fortes e alteram a correlação, dominância genética, ou fortes eventos de ambiente. Variância genética aditiva, e os escores de uma colônia possivelmente não mudam a correlação importante. Segundo, o valor de medidas correlacionadas em um programa de seleção deve ser demonstrado. Experimentos devem ser realizados com acasalamentos selecionados onde permitem o calculo da h 2 , correlação genética e fenotípica. Estes experimentos geram custos o que justifica o uso de estudos de correlação simples. AVALIAÇÃO E MEDIÇÕES A CAMPO Acurácea de medição A acurácea de medição das características é essencial ao sucesso do programa de seleção, somente assim podendo ter a determinação do valor genético potencial dos parentais. As condições do campo são necessárias e, sem dúvida, aumentam a variação ambiental. Pouca atenção tem sido dada a redução dessa variação, e as medições não tem sido acuradas ocasionando pouco rendimento de seleção ou nenhuma melhora, reduzindo substancialmente a herdabilidade. O manejo uniforme é um componente importante para reduzir a variação nos testes a campo, como uso de rainhas de mesma idade, mesma população, equipamentos, dietas suplementares, tratamentos com medicamentos, etc. E dependendo da característica a ser medida, a hora do dia e as condições climáticas também são importantes. Em programas comerciais de melhoramento são necessários apiários em várias localidades devido ao grande número de colônias que devem ser testadas. Apiários diferentes, mesmo quando perto, irão geralmente possuir médias de produção diferentes. Não há modo completo de controlar esta variância entre apiários, mas os efeitos nas medidas acuradas podem ser reduzidos. Pode se assumir que as diferenças entre as produções são referentes a dois locais diferentes. Provavelmente isso não é totalmente correto desde que ignore as interações entre o estoque e a variedade das condições locais que difere entre apiários, Contudo, fazendo essa suposição encontra que um escore individual de uma colônia em cada apiário é distribuído normalmente, quando o processo é comparado em colônias em apiários diferentes se torna 7 relativamente correto. Primeiro cada apiário é descrito em termos de sua própria média e desvio padrão, segundo as respostas individuais podem ser transformadas em desvio padrão e comparar as unidades, em ordem de selecionar parentais. Deve ser o mais simples possível para caracterizar ou quantificar a característica desejada; Consideração muito importante: controle do ambiente onde o teste é executado.` Julgamento da colônia e avaliação da Rainha Colônia – duas gerações: rainha (mãe da colônia), e operárias (suas crias). Rainha: julgada pela quantidade de cria que produz e se deixa muitas células vazias quando põe ovo – uma boa rainha põe 1200 ovos ou mais a cada 24 horas durante a estação reprodutiva mais intensa. Ela normalmente não tem mais que três a cinco células vazias em cada cem entre as crias operculadas dos melhores favos. Ela ira pôr os ovos da base dos favos para as laterais e no topo há estoque de pólen e mel (fig. 98). Durante o período inicial de expansão do ninho, ela irá por tantos ovos quanto as abelhas possam cuidar e muitas vezes mais do que podem cuidar. A pureza, mas não necessariamente a qualidade da cria da rainha é indicada pela uniformidade da cor dos zangões produzidos, e também pela sua própria aparência. Diferenças na força inicial da colônia e no manejo podem levar a erros. Cada colônia deve ser colocada em um local ou colônias representativas de cada linha devem ser distribuídas entre vários locais. MELHORAMENTO SELETIVO Fundamentos Os cruzamentos seletivos seguem quatro passos. 1 - Colônia ou indivíduos são avaliados 2 - Rainhas ou colônias que têm a característica desejada são selecionadas como reprodutoras da próxima geração. 3 - Os acasalamentos são controladosentre rainhas e zangões de reprodutores selecionados. 4 - A progênie desta nova rainha é avaliada tanto como indivíduo quanto como colônia DIFICULDADES Ocorrem dificuldades na manutenção dos estoques que são perdidos facilmente. Uma conseqüência primária é que possui somente dois alelos sexuais entre as linhagens, ocasionando a viabilidade da cria de 50%, causando a característica “cria falhada”, com diversas células falhadas e a cria aberta de diferente idade, resultando em uma alta probabilidade do insucesso e perda de linhagens. Essa perca pode ser diminuída pelo acasalamento de rainhas com 1 ou 2 zangões da linhagem pura e também com 5 ou mais zangões não relacionados à rainha distinto da linhagem pura. Como conseqüência as rainhas se tornam uniformes e as operárias demonstram heterose. Outro problema é a esterilidade dos zangões, com pouca produção de esperma e que não podem ser utilizados na inseminação instrumental. MANUTENÇÃO DO ESTOQUE Após a produção o estoque deve ser mantido para possuir um valor real, não sendo o objetivo a sua manutenção estática. A seleção pode ser perdida facilmente, para tanto os esforços para continuidade do melhoramento, manutenção e substituição do estoque devem ser mantidos. Linhagens híbridas puras possuem um risco maior de serem perdidas exigindo maior esforço de tempo para serem desenvolvidas. Para tanto este programa deve designar a produção contínua de novas linhagens em substituição das perdidas e as que não produzem o desempenho esperado quando combinadas. A população fechada pode ser utilizada para manutenção de estoques particulares (como raças européias em ambiente africanizado), mas não mantém a melhora seletiva por varias 8 gerações se a seleção não for contínua. Seu desenvolvimento e manutenção exigem muito trabalho, contudo um organizado programa de melhoramento é vantajoso e gera lucros e por meio do aumento da produção de mel e eficiência de polinização. A qualidade dos estoques formados deve ser satisfatória. O deslocamento de híbridos e a raça do país devem ser constantemente reforçados - ilha de melhoramento puro e ser processada continuamente CONCLUSÕES A utilização do melhoramento promove a produção de abelhas resistentes a determinadas doenças, minimiza ou elimina comportamentos indesejáveis e incorpora ou maximiza boas características no estoque. Para realização do potencial de seleção é necessário conhecimento da genética da abelha, métodos de seleção, comportamento de acasalamento e utilização da inseminação instrumental. Como conseqüências serão efetuadas mudanças com respeito à disseminação da varroa na América do Norte ou a dispersão das abelhas africanizadas. Porém deve-se primeiramente conhecer essas mudanças com um legado de mais de 200 anos com investigação científica sobre a genética da abelha e mais de 100 anos na tecnologia da produção de rainhas. Falta de recursos – apicultores podem melhorar os estoques pela eliminação de rainhas em colônias com características ruins. As rainhas podem ser substituídas regularmente com bons estoques para produzir um bom conjunto de zangões. Assim, a qualidade geral pode ser melhorada, porém o grau de melhora não é tão bom quanto de um programa controlado de melhoramento.