SISTEMAS REPRODUTIVOS E POLIPLOIDIA



Prof. Saulo Chaves

ESALQ / USP - Departamento de Genética

LGN 313 - Melhoramento Genético

Anteriormente em LGN0313

O manejo de recursos genéticos é de grande importância para o melhoramento vegetal, uma vez que tais recursos representam a matéria-prima sobre a qual o melhoramento trabalhará. O manejo destes recursos amenizará os malefícios da erosão genética e, por consequência, evitará a vulnerabilidade genética.

Voss-Fels et al. (2019)

Anteriormente em LGN0313

A experimentação é a chave para o estudo da relação causa-efeito e da decisão com embasamento no método científico. No melhoramento, a experimentação é chave para separar os efeitos genotípicos dos efeitos ambientais.

Anteriormente em LGN0313

A elaboração de hipóteses é o primeiro passo para a construção de experimentos. Estes, por sua vez, são compostos de tratamentos arranjados em unidades experimentais (parcelas), e seguem certos princípios (repetição, casualização e controle local).

Conteúdo de hoje

  1. Sistemas reprodutivos
    • Reprodução assexuada
    • Autogamia
    • Alogamia
      • Mecanismos de autoincompatibilidade genética
    • Hibridação
  2. Poliploidia
    • Causas e efeitos

Sistemas reprodutivos

Base molecular da herança

Ali Zifan
1º Divisão
Segregação dos cromossomos homólogos
  • Crossing-over
  • Alinhamento e separação aleatória dos cromossomos
2ª Divisão
Segregação das cromátides-irmãs
  • Similar à mitose: equacional
  • Gametas: metade do conteúdo cromossômico da célula-mãe

Reprodução

Kazakova Maryia/Shutterstock.com
  • Restauração da célula 2n \(\rightarrow\) fecundação
  • Genótipos com novas combinações alélicas

Sistemas reprodutivos

O sistema reprodutivo dita a estrutura genética da espécie. Como consequência, os métodos de manejo e conservação de germoplasma, de melhoramento e de condução de populações diferirão de acordo com o sistema reprodutivo, bem como, o tipo de cultivar a ser obtida no final do processo.

Abigal Gordon

Tipos de reprodução

Reprodução sexuada

Reprodução assexuada

Valor Verde

Reprodução assexuada

  • Manutenção integral do genótipo do indivíduo
    • Não há processo meiótico
  • Totipotência
  • Propagação vegetativa
  • Biotecnologia
  • Apomixia (ex.: Brachiaria decumbens, Citrus spp.)
LearnInsta

Reprodução sexuada

  • Alógamas \(\to\) > 95% de fecundação cruzada
  • Autógamas \(\to\) > 95% de autofecundação
  • Espécies intermediárias \(\rightarrow\) tratadas como alógamas

Autogamia

Mecanismos de favorecimento da autogamia
Cleistogamia: autofecundação antes da antese
Thomas Bresson/WikiMedia

Autogamia


Mecanismos de favorecimento da autogamia
Barreiras morfológicas: impedem a saída do pólen
Giuseppe Mazza

Autogamia

Estrutura genética de populações autógamas
Variação ao longo de gerações de autofecundação
Geração AA Aa aa
\(F_1\) 100%
\(F_2\) 25% 50% 25%
\(F_3\) 37,5% 25% 37,5%
\(F_4\) 43,75% 12,5% 43,75%
\(\vdots\) \(\vdots\) \(\vdots\) \(\vdots\)
\(F_n\) \(\left(\frac{1}{2}\right)^{n-1}\) \(1-\left(\frac{1}{2}\right)^{n-1}\) \(\left(\frac{1}{2}\right)^{n-1}\)
\(F_\infty\) 50% 0% 50%

Autogamia

Estrutura genética de populações autógamas
Variação entre e dentro de populações

Melhoramento de espécies autógamas

Cruzamento \(\to\) construção da endogamia \(\to\) seleção \(\to\) cultivar: linhagens ou mistura de linhagens

Alogamia

Mecanismos de favorecimento da alogamia
Dioicia: flores unissexuais em indivíduos separados
Tina Magrabi/Leafwell

Alogamia

Mecanismos de favorecimento da alogamia
Monoicia: flores unissexuais em um mesmo indivíduo

Alogamia

Mecanismos de favorecimento da alogamia
Dicogamia: maturação dos órgãos masculinos e femininos em momentos diferentes. Protandria: androceu primeiro
Fiona Ogilvie/TheLand

Alogamia

Mecanismos de favorecimento da alogamia
Dicogamia: maturação dos órgãos masculinos e femininos em momentos diferentes. Protoginia: gineceu primeiro
Projeto Verde

Alogamia

Mecanismos de favorecimento da alogamia
Barreira mecânicas: impedem o contato dos grãos de pólen com o ovário da mesma flor
Domste/WikiMedia

Alogamia

Mecanismos de favorecimento da alogamia
Autoincompatibilidade genética: controle genético da viabilidade da fecundação
Claessen et al. (2019)

Alogamia

Autoincompatibilidade gametofítica

Norbert Holstein
  • Cada alelo \(S\) produz uma glicoproteína: codominância
  • Inibição do tubo polínico baseado no genótipo do pólen

Alogamia

Autoincompatibilidade esporofítica

  • Relação de dominância completa nos \(S\)
    • \(S^1 > S^2 > S^3 > ...\)
  • Dependende da célula-mãe (diplóide) do grão de pólen
  • Podem ocorrer homozigotos para \(S\)
Norbert Holstein

Alogamia

Autoincompatibilidade gametofítica vs. esporofítica
Característica Gametofítica Esporofítica
Base genética Genótipo do gameta masculino (grão de pólen) Genótipo da célula-mãe do pólen
Reconhecimento e rejeição O crescimento do tubo polínico é bloqueado no estilete A germinação do pólen é impedida na superfície do estigma
Tipo de dominância Codominante Dominância completa (S1 > S2 > S3 > …)

Alogamia

Estrutura genética de populações alógamas
Variação ao longo de gerações de fecundação cruzada
Geração AA Aa aa
\(1\) 100%
\(2 \; (F_2)\) 25% 50% 25%
\(3\) 25% 50% 25%
\(4\) 25% 50% 25%
\(\vdots\) \(\vdots\) \(\vdots\) \(\vdots\)
\(\infty\) 25% 50% 25%

Espécies alógamas sofrem com a depressão endogâmica

Alogamia

Estrutura genética de populações alógamas
Variação entre e dentro de populações

Melhoramento de espécies alógamas

Cruzamentos \(\to\) seleção \(\to\) recombinação \(\to \dots \to\) cultivar: híbridos ou variedades de polinização aberta

Sistema reprodutivo: determinação

1. Exame da estrutura floral

  • Flores perfeitas: alógamas ou autógamas
  • Plantas dióicas: alógama
  • Plantas monóicas com flores unissexuais: alógama
Silva et al. (2022)

Sistema reprodutivo: determinação

2. Verificar polinização

  • Ausência de polinização aparente: autógama
  • Agentes polinizadores visíveis: autógamas ou alógamas

3. Verificar produção de sementes de plantas isoladas

  • Produziu sementes: autógama
  • Não produziu: alógamas

Sistema reprodutivo: determinação

4. Verificar progênies após autofecundação artificial

  • Sem prejuízos no vigor: autógama
  • Com prejuízos no vigor: alógama
Cheng et al. (2012)

Hibridação

A realização de cruzamentos controlados é um passo fundamental no melhoramento. Para realizar tal procedimento, é necessário conhecer o sistema reprodutivo da espécie.

  • Recursos para cruzamentos controlados:
    • Fecundação antes da antese
    • Emasculação
    • Macho-esterilidade
    • Proteção pós fecundação

Hibridação

Hibridação

Macho-esterilidade

Poliploidia

Poliploidia

Mudança no número básico (ou usual, i.e., 2x) de conjuntos cromossômicos.

BioRender

Tipos de poliploidia

Autopoliploides
O conjunto cromossômico da mesma espécie é multiplicado


Espécies x 2n = ?x
Batata 12 48 (4x)
Campim-mombaça 8 32 (4x)
Batata doce 15 90 (6x)
Cana-de-açucar 10 80 (8x)
Alopoliploides
Conjuntos cromossômicos de espécies distintas


Espécies x 2n = ?x
Tabaco 12 48 (4x)
Algodão 13 52 (4x)
Trigo 7 42
Café 11 44

Tipos de poliploidia

Comai (2005)

Poliploidia

Clark & Donoghue (2018)

Poliploidia

  • Diversidade vs complexidade
  • Altíssima heterogeneidade (heterozigosidade)
  • Maior dificuldade na fixação de alelos
  • Multialelismo
Guilherme Pereira

Principais efeitos da poliploidia

Sattler et al. (2015)

Poliploidia no melhoramento

LabXchange
Eagle eye

Poliploidia no melhoramento

The Chen Laboratory
Paterson & Wendel (2015)

Poliploidia no melhoramento

Zahumenická et al. (2017)
Chen et al. (2011)

Apanhado geral

Vimos hoje

O sistema reprodutivo dita a estrutura genética da espécie, bem como sua estratégia de manejo e melhoramento. As espécies podem ser autógamas, alógamas ou de fecundação mista. O melhoramento de cada tipo gera uma cultivar com natureza genética diferente

Santamarina et al. (2025)

Vimos hoje

A realização de cruzamentos controlados é um passo fundamental no melhoramento. Para realizar tal procedimento, é necessário conhecer o sistema reprodutivo da espécie. Os procedimentos para realização de hibridações envolvem proteção da planta receptora do pólen, fecundação antes da antese, emasculação e proteção pós-fecundação. Alguns recursos genéticos, como a macho-esterilidade, podem auxiliar na fecundação manual de espécies autógamas.

Abdullah et al. (2025)

Vimos hoje

A poliploidia é representada pela mudança no número básico (ou usual, i.e., 2x) de conjuntos cromossômicos. A maioria das plantas superiores já foram, em algum ponto de sua história evolutiva, poliploides. Algumas espécies de importância econômica ainda o são, e a poliploidização é uma ferramenta útil no manejo e melhoramento vegetal.

Kang et al. (2019)

Material de apoio

  • BORÉM, A.; MIRANDA, G.; FRITSCHE-NETO, R. (2021). Capítulo 4: Sistemas Reprodutivos. Melhoramento de plantas.
  • ACQUAAH, G. (2010). Capítulo 4: Plant reproductive systems. Principles of Plant Genetics and Breeding.
  • ACQUAAH, G. (2010). Capítulo 13: Polyploidy in plant breeding. Principles of Plant Genetics and Breeding.
  • Hibridação em soja
  • Hibridação em arroz

Grato!