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Biotecnologia e propriedade industrial Aula 3: Biotecnologia vegetal Apresentação Nesta aula, abordaremos conceitos sobre a transformação genética em plantas, destacando as diferentes técnicas utilizadas. Além disso, conheceremos os conceitos e as aplicações do cultivo in vitro, da micropropagação, da produção de sementes arti�ciais, do melhoramento e da transgenia vegetal. Objetivos Explicar a transformação genética de plantas, bem como as aplicações do Sistema de Agrobacterium, da transferência via biolística e via eletroporação de protoplastos; Diferenciar cultivo in vitro, micropropagação, produção de sementes arti�ciais e melhoramento vegetal; Descrever a transgênese vegetal e suas aplicações. Palavras iniciais Tudo começou há muitos anos, com a domesticação de plantas , cultivadas geralmente, por razões econômicas. Os primeiros processos de domesticação são inferidos a partir do exame de culturas silvestres em comparação com as culturas existentes nos níveis morfológico, �siológico e genético. http://estacio.webaula.com.br/cursos/go0266/aula3.html (Fonte: Seednews.) Após esses primeiros processos, tornou-se possível desenvolver novos genótipos de culturas incorporando características projetadas por meio do entendimento da genética e da genômica de espécies vegetais. A biotecnologia vegetal consiste na introdução de características desejáveis, através de modi�cações genéticas, com o objetivo especí�co de incorporar melhorias socioeconômicas, englobando a agrobiotecnologia e a biotecnologia vegetal industrial. (Fonte: Science in HD / Unsplash.) A agrobiotecnologia aborda os aspectos referentes à multiplicação de plantas em grande escala, propagação clonal de plantas, eliminação de vírus, hibridização somática e engenharia genética de plantas. Multiplicação de plantas em grande escala A multiplicação de plantas em grande escala constituiu a primeira aplicação, em nível industrial, da tecnologia da cultura in vitro. Na cultura de tecidos in vitro de plantas superiores,os fatores genéticos são primordiais na determinação do nível de resposta da cultura. O primeiro passo na melhoria das culturas é identi�car genótipos de plantas que sejam competentes, cujo desempenho é continuamente aprimorado por fatores não genéticos que afetam a resposta da cultura de tecidos. A regeneração de plantas na cultura in vitro pode ocorrer por organogênese e por morfogênese. Autor: Tims2015 (Fonte: Wikimedia Commons). Clique nos botões para ver as informações. A organogênese é um processo que envolve várias etapas, começando pela formação dos meristemas até o enraizamento e a aclimatização. Nesse processo, a nova plântula forma-se a partir de tecidos iniciais sem passar por um desenvolvimento embrionário, sendo possível, em curto espaço de tempo, produzir elevado número de plantas capazes de serem transferidas para o solo e atingirem as condições exigidas para a comercialização. Ortogênese A morfogênese engloba a indução de desenvolvimento organizado em plantas, etapa que depende da escolha criteriosa do inóculo inicial ou explante e das condições de cultivo, além da multiplicação e do desenvolvimento das células competentes, dando origem aos embriões ou nódulos organogênicos. Morfogênese Saiba mais Para saber mais sobre o assunto, assista ao vídeo Plantas que você multiplicar com estacas e folhas – excelentes resultados. javascript:void(0); A micropropagação de gemas axilares e a indução de gemas adventícias constituem duas alternativas de multiplicação clonal de plantas lenhosas de importância comercial. Embora tenham sido estabelecidos protocolos, o sucesso do processo depende do genótipo, veri�cando-se alguns casos de respostas diferentes entre clones da mesma espécie. Essa metodologia apresenta limitações, como: a di�culdade de enraizamento de estacas provenientes de plantas adultas; o perigo de disseminação de vírus e outros agentes patogênicos, endógenos, contidos nas estacas utilizadas em propagação. Saiba mais Para saber mais sobre o assunto, assista ao vídeo Mudas e plantas feitas a partir de estacas de raiz. Propagação clonal de plantas A propagação clonal de plantas baseia-se na totipotência. O crescimento clonal é caracterizado pela capacidade das plantas em produzir unidades de brotação e raízes (rametes) que são geneticamente idênticas às progenitoras e potencialmente independentes. A hibridização somática é baseada na fusão de protoplasmas de duas populações paternas, originando produtos de fusão que contêm uma mistura de genomas parentais. Assim, são obtidas plantas com combinações genéticas nucleares (híbridos somáticos) e/ou citoplasmáticas (cíbridos). Saiba mais Para saber mais sobre o assunto, assista ao vídeo Biorreatores: segurança e economia na produção de mudas. javascript:void(0); javascript:void(0); As plantas podem ser transformadas geneticamente através da adição de um ou mais genes. Os pesquisadores descobriram, ao estudarem o sistema de transformação do genoma de plantas, que as bactérias �topatogênicas, aquelas que causam doenças em plantas, como a Agrobacterium, eram vetores naturais muito e�cazes para a obtenção dessas modi�cações. Então, a compreensão desse sistema e os mecanismos nele envolvidos proporcionaram melhor e�cácia quanto à regulação de genes. A utilização de Agrobacterium tumefaciens ou de A. rhizogenes na transferência de genes se baseia na capacidade que essas bactérias, encontradas no solo, possuem de infectar um grande número de plantas. (Fonte: Designua / Shutterstock.) Para que o fenótipo das plantas seja transformado, deve-se inserir, através da zona de ferida, um plasmídeo Ti (indutor de tumorogênese) ou de um plasmídeo Ri (indutor de raízes) provocando a formação de tumores crown gall e hairy roots, respectivamente. A impossibilidade de infecções de algumas plantas com Agrobacterium se deve à ausência de receptores na planta, incapacitando a ligação com a bactéria. Saiba mais Para saber mais sobre o assunto, assista ao vídeo Micropropagação in vitro de bananeiras. Conheça, a seguir, alguns tipos de transferências possíveis: Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online javascript:void(0); Clique nos botões para ver as informações. A transferência mediada por vetores pode utilizar, além dos plasmídeos Ti de A. tumefaciens e Ri de A. rhizogenes, vetores como os vírus Caulimovirus e Geminivirus. Transferência mediada por vetores Outra forma de transferência de genes é a transferência direta, que não requer qualquer tipo de vetor e pode ser feita pela transferência de DNA para protoplastos ou pela transferência por bombeamento de partículas. A integração de DNA nos protoplastos é facilitada pela plasmalema, que permite que o DNA estranho seja incorporado no protoplasma de uma determinada população, regenerando em plantas transgênicas. Transferência direta A transferência de genes por bombardeamento de partículas se baseia na capacidade de micropartículas de ouro ou tungstênio recobertas com DNA transferirem, com um único disparo, genes para um elevado número de células. Transferência de genes por bombardeamento de partículas Saiba mais Para saber mais sobre o assunto, assista ao vídeo Transgênicos – método biolístico. Engenharia genética de plantas A engenharia genética de plantas consiste na manipulação molecular de genes de interesse e depende da disponibilidade de vetores de transformação das células das plantas. javascript:void(0); (Fonte: Artem Oleshko / shutterstock.) Os progressos veri�cados na biologia molecular de plantas, em particular no isolamento e na caracterização de genes, acompanhados do desenvolvimento de técnicas de transferência de DNA, têm proporcionado o melhoramento genético de um número crescente de espécies vegetais, fornecendo também conhecimentos de base sobre os processos bioquímicos, �siológicos e moleculares que controlam o desenvolvimento em plantas. A disponibilidade cada vez maior de genes de interesse abre caminhopara o desenho de plantas com características especí�cas de produção, resistência, entre outras, com enorme potencial na agricultura e na indústria. Resumo esquemático das possíveis rotas morfogenéticas de plantas in vitro (Fonte: ufsc). A propagação de plantas usando sementes arti�ciais ou sintéticas é uma técnica promissora para propagação de plantas transgênicas, plantas não produtoras de sementes, poliploides com características de elite e linhagens de plantas com problemas na propagação de sementes. Sendo de natureza clonal, a técnica reduz o processo de seleção do melhoramento convencional de recombinação. Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online A tecnologia fornece ainda métodos para a preparação de análogos de sementes chamados sementes sintéticas ou sementes arti�ciais dos micropropágulos, como embriões somáticos. A rápida melhoria nos métodos de embriogênese somática permite o uso de embriões somáticos na micropropagação de plantas. Saiba mais Para saber mais sobre o assunto, assista a um episódio da websérie Era da mecanização da cana: desa�os e oportunidades sobre a semente de cana e a esperança do setor para voltar a crescer. A expressão de genes humanos em plantas transgênicas apresenta impacto signi�cativo na produção e no desenvolvimento de medicamentos. No entanto, a utilização de plantas transgênicas para a obtenção de produtos ainda é incipiente, devendo ser considerados os potenciais benefícios sem desconsiderar os riscos eminentes para a saúde humana e o meio ambiente. (Fonte: chuttersnap / Unsplash). Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online http://estacio.webaula.com.br/cursos/go0266/aula3.html javascript:void(0); (Fonte: Lightspring / Shutterstock.) Um assunto muito discutido tem sido a introdução de milho manipulado com a proteína de Bacillus thuringiensis (Bt). Para alguns, as toxinas do milho Bt não constituem qualquer ameaça para os diferentes organismos do solo, porém outros consideram uma ameaça ao equilíbrio ecológico, comprometendo a entomofauna. Saiba mais Para saber mais sobre o assunto, assista ao vídeo Combate a lagartas em culturas agrícolas. Atividade 1. A biodiversidade está sob séria ameaça como resultado de atividades humanas. Os principais perigos em todo o mundo são crescimento populacional e consumo de recursos, entre outros. Como a biotecnologia vegetal pode contribuir para minimizar esse grave problema? 2. A capacidade de regeneração de plantas tem sido explorada na agricultura para �ns de propagação de variedades selecionadas, sanitização de vírus e desenvolvimento de ferramentas biotecnológicas. Em que consiste o processo de organogênese em plantas? 3. A hibridação tem desempenhado um papel importante na evolução de muitas linhagens. Com a crescente disponibilidade de ferramentas genômicas e os avanços nas análises genômicas, está cada vez mais claro que o �uxo gênico entre táxons divergentes pode gerar nova diversidade fenotípica, permitir a adaptação a novos ambientes e contribuir para a especiação. O que é hibridização? 4. Que partes das plantas são mais adequadas para serem usadas como explante em uma cultura in vitro? javascript:void(0); 5. Observe o trecho a seguir: “A transformação genética usando a Agrobacterium tumefaciens como vetor é bem empregada em plantas. Uma aplicação dessa técnica seria a mutação aleatória de genes que pode ajudar a elucidar a função de muitos genes ainda desconhecidos” (LIMA, 2006). Explique como ocorre a ligação dessa bactéria com as células da planta hospedeira. Notas Plantas domesticadas As plantas domesticadas diferem de seus parentes selvagens por dependerem da intervenção humana para �ns de reprodução, nutrição, saúde, plantio e dispersão. Embriões somáticos Embriões somáticos podem ser encapsulados em vários sistemas de geli�cação para formar sementes arti�ciais que são facilmente armazenadas e transportadas por longas distâncias. Referências BESPALHOK, J. C.; GUERRA, E. P.; OLIVEIRA, R. de. Biotecnologia no melhoramento de plantas. Plantas transgênicas. In: BESPALHOK, J. C.; GUERRA, E. P.; OLIVEIRA, R. de. Melhoramento de plantas. Curitiba: UFPR, 2019a. cap. 5, p. 15-25. BESPALHOK, J. C.; GUERRA, E. P.; OLIVEIRA, R. de. Melhoramento de plantas autógamas por hibridação. In: BESPALHOK, J. C.; GUERRA, E. P.; OLIVEIRA, R. de. Melhoramento de plantas. Curitiba: UFPR, 2019b. cap. 7, p. 11-17. BRASILEIRO, A. C. M.; LACORTE, C. Agrobacterium: um sistema natural de transferência de genes para plantas. Biotecnologia. v. 15, p. 12-15, 2000. LIMA, N.; MOTA, M. (coord.). Biotecnologia: fundamentos e aplicações. Lisboa: Lidel, 2003. p. 401-427. LIMA, S. S. Uso biotecnológico da agrobacterium tumefaciens. Viçosa: Biologia em Foco. n. 44, abr. 2006. Próxima aula Conceitos em biotecnologia ambiental; Processos de biorremediação; Bioplásticos, formação e aplicações; Produção de biocombustíveis; Biotecnologia aplicada ao controle da poluição. javascript:void(0); Explore mais Leia o artigo Biotecnologia na agricultura. Assista aos seguintes vídeos: Passo a passo – multiplicação de mudas de batata-doce; Os transgênicos são perigosos? javascript:void(0); javascript:void(0); javascript:void(0);
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