ENF334 APOSTILA MODULO

ENF 334 MELHORAMENTO FLORESTAL 2006.II Prof. Ismael Eleotério Pires - DS Dep. de Eng. Florestal - UFV iepires@ufv.br MÓDULO I 1. INTRODUÇÃO O Brasil possui uma ampla biodiversidade, porém, é reduzido o número de espécies florestais nativas que têm o potencial pleno utilizado em programas de melhoramento genético e manejo. Considerando a diversidade dos ecossistemas brasileiros, é preciso que sejam estabelecidas estratégias para conhecimento das variações genéticas e ambientais que considerem as demandas atuais e futuras de produtos da floresta, tendo em vista o uso racional dos recursos florestais, em benefício dos ecossistemas e do homem. A intensa degradação da natureza que vem ocorrendo de forma crescente nas últimas décadas requer a adoção imediata de ações de proteção e conservação. Por outro lado, a conscientização do homem sobre a importância dos recursos naturais e a necessidade de revegetação de áreas marginais ou degradadas, bem como a expansão dos reflorestamentos comerciais com espécies de Eucalyptus e Pinus, tem aumentado a demanda por sementes e mudas de alta qualidade de uma maneira geral. Deve-se enfatizar, entretanto, que a baixa disponibilidade de sementes e mudas, aliada ao pouco conhecimento da silvicultura das espécies nativas, em particular, de sementes que tenham algum grau de melhoramento genético, constituem restrições ao reflorestamento com essas espécies, ao contrário do que acontece com as espécies dos gêneros Eucalyptus e Pinus. Estas últimas apresentam programas de produção de sementes e propágulos em diferentes níveis de melhoramento, chegando até mesmo a materiais melhorados de terceira geração para algumas espécies. A qualidade de uma floresta ou das árvores individualmente depende tanto da semente quanto do manejo. As sementes devem ser vistas, tanto do ponto de vista fisiológico como genético, pois é através delas que o potencial produtivo será 1 passado à geração seguinte, isto é, por meio do processo sexuado, o que normalmente se consegue através dos programas de melhoramento genético. Sendo assim, medidas capazes de garantir a produção de sementes e propágulos de espécies florestais, particularmente de nativas, devem ser tomadas, visando disponibilizar material propagativo de alto padrão de qualidade física, fisiológica, sanitário e genética, em quantidades suficientes para atender a demanda, observadas as normas legais estabelecidas através da Lei 10.711 de agosto de 2003 e sua regulamentação em fase de construção, podendo-se encontrar maiores detalhes em www.agricultura.gov.br . 2. 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. 2.1. 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. 2 • cromossomos homólogos: são cromossomos que emparelham durante o processo de divisão celular (meiose), possuindo os mesmos • genes dispostos em igual seqüência. • Ocorre no processo de meiose. herança: refere-se à transmissão de características dos pais aos filhos. 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. • diplóide: possui duas séries completas de cromossomos (2n). • F1: primeira geração resultante de um dado cruzamento. • geração F1. • haplóide: possui uma série completa de cromossomos (n). • poliplóide: possui mais de duas séries completas de cromossomos. F2: segunda geração resultante do cruzamento de indivíduos da S1: primeira geração de auto-fecundação. Portanto, F1, F2, S1 constituem conjuntos de indivíduos aparentados • (irmãos). • família S1: irmãos oriundos de auto-fecundação • uma mãe conhecida e pais desconhecidos. • provenientes de mãe e pai conhecidos. • um dos pais. • como machos e fêmeas simultaneamente. • família de meio-irmãos (FMI): conjunto de indivíduos provenientes de família de irmãos-germanos (FIG): conjunto de indivíduos retrocruzamento: cruzamento de uma descendência (progênie) com cruzamento recíproco: cruzamento de um conjunto de indivíduos alogamia: refere-se às espécies de reprodução cruzada; autogamia: refere-se às espécies de auto-fecundação; 3 • endogamia: refere-se ao cruzamento de indivíduos aparentados, • tendo como conseqüência a perda de vigor. • distintos. • alélico. heterose: é o vigor resultante do cruzamento de materiais genéticos epistasia: refere-se à dominância de um gene sobre o outro não freqüência gênica: trata-se da proporção entre a freqüência dos alelos alternativos de um gene e a freqüência total de todos os alelos naquele • loco. • população, que pode ser explorado. • em uma população até o limite da sua sobrevivência. • potencial genético: refere-se ao valor genético intrínseco total de uma carga genética: refere-se ao acúmulo de genes recessivos (deletérios) genótipo: trata-se da constituição genética do indivíduo. fenótipo: é a expressão do indivíduo. É resultante do genótipo • associado aos efeitos ambientais. • mudanças fisiológicas internas. • outro fator, pela ausência do agente naquele ambiente. plasticidade: capacidade de adaptação de um indivíduo devido a escape: indivíduo aparentemente resistente a pragas e doenças, ou 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. • apresenta uma ou mais características particulares. raça: população adaptada a um dado ambiente ecológico, que raça ecológica: população ou conjunto de populações com distribuição restrita e que está estritamente adaptada às condições de um habitat local. Na prática, pode ser difícil caracterizar uma população como ecótipo ou raça ecológica, especialmente na ausência de testes de cultivo experimental. Veja ecótipo; genecologia (Fonte: Valois et al., • 2005). raça edáfica: população adaptada para as condições físicas e químicas do solo local. Raças edáficas são uma modalidade de raça 4 ecológica e geralmente seus indivíduos apresentam características morfológicas peculiares. A especiação edáfica é vista hoje como • preeminente no grupo das angiospermas (Fonte: Valois et al., 2005). raça geográfica: população ou populações de uma espécie que ocorre(m) numa determinada região geográfica da distribuição da espécie. Geralmente, são populações alopátricas isoladas e que mostram uma diferenciação fenotípica para um ou mais caracteres, habilitam-se como categoria taxonômica formal. Geralmente, a subespécie em botânica corresponde à raça geográfica em zoologia • (Fonte: Valois et al., 2005). raça local: forma antiga e primitiva de um cultivo agrícola, cultivada em sistemas agrícolas tradicionais por agricultores, indígenas e populações rurais, e cuja evolução é principalmente direcionada pela • seleção artificial que o homem lhe impõe (Fonte: Valois et al., 2005). 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 sequenciamento de genes e partes de cromossomos como resultado do sobrecruzamento • ocorrido na meiose (Fonte: Valois et al., 2005). • recurso genético (Fonte: Valois et al., 2005). recurso fitogenético: corresponde ao recurso genético vegetal. Veja recurso genético: variabilidade de espécies de plantas, animais e microrganismos integrantes da biodiversidade, de interesse sócioeconômico 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 5 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: 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: aquela que ocorre a participação de gametas, isto é, • acontece o fenômeno de fertilização entre os gametas masculino e feminino. reserva genética: unidade dinâmica de conservação da variabilidade genética de populações de determinadas espécies para uso presente e potencial. Tem a finalidade de proteger em caráter permanente as espécies ou comunidades ameaçadas de extinção, dispor de material genético para pesquisa e determinar a necessidade de manejo das • espécies-alvo, dentre outras (Fonte: Valois et al., 2005). reservatório gênico: totalidade dos genes presentes em uma determinada população de um organismo de reprodução sexuada, em um determinado momento. Geralmente, o conceito se aplica aos membros de populações de uma mesma espécie com fertilidade comum maior devido ao relacionamento filogenético, mas situações desviantes podem ocorrer com a fertilidade comum atingindo outras espécies e até mesmo gêneros. O reservatório gênico de uma espécie cultivada é composto por três níveis de trocas gênicas possíveis entre os participantes. O reservatório gênico primário (GP1) compreende os estoques domesticados da cultura e as formas parentais silvestres que lhe deram origem ou influenciaram sua formação. O reservatório gênico secundário (GP2) compreende as espécies silvestres que cruzam com a cultura principal e produzem prole, embora geralmente o processo se dê com alguma dificuldade e os níveis de fertilidade sejam relativamente baixos. O reservatório gênico terciário (GP3) 6 compreende as espécies silvestres que só cruzam com a cultura principal mediante tratamentos especiais, como fusão de protoplastos etc. Aqui, o relacionamento genético é baixo e a progênie F1 é • geralmente estéril (Fonte: Valois et al., 2005). 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). 2.2. 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. 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 mitose compreende quatro fases: 1. prófase: ao longo deste período, ocorre gradual condensação ou espiralização dos cromossomos; em seu final, há degeneração da 7 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 pólos 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 pólo; 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. a A A A a A a A a (a) (b) A a A a a a (c) A (d) 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). 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 conseqüência da separação das cromátides, os núcleos-filhos recebem dois exemplares de cada diferente cromossomo da espécie, mantendo-se constante o número de cromossomos, e, 8 conseqüentemente, 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. 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 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 ‘crossingover’; 9 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 pólos 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 pólo da célula, os cromossomos desespiralizam-se; há regeneração da membrana nuclear em torno dos conjuntos cromossômicosfilhos. 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 pólos opostos; 3. anáfase II: ocorre a separação das cromátides-irmãs; 4. telófase II: após atingirem o pólo da célula, os cromossomos descondensam-se; há reaparecimento da membrana nuclear em torno de cada conjunto cromossômico. As ilustrações na Figura 2, obtidas 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 pólo, o metacêntrico com o gene A e o acrocêntrico com o gene B. Conseqüentemente, ficaram orientados, para o pólo oposto, o metacêntrico com o gene a e o acrocêntrico com o gene b. 10 B B B b A a b A A b a a (a (b B (c B b b A B A b a A a a (d (e (f) B B A A B A b a a b (g B A (i) (h B B A A A a B b A a B b (j) (k (l) 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). 11 Contudo, outra orientação seria possível na célula considerada. Esta seria, estarem orientados para o mesmo pólo, os cromossomos com os genes A e b, e estarem orientados para o pólo 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 núcleosfilhos. 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). 3. BIOLOGIA DA REPRODUÇÃO A biologia da reprodução integra aspectos sobre a forma de polinização, sistema reprodutivo, fenologia, padrão de dispersão de frutos e sementes e mecanismos de estabelecimento de uma espécie. 3.1. Sistema reprodutivo A semente é formada a partir da flor que é constituída por duas partes, uma estéril formada por cálice e corola e a outra reprodutora formada pelos estames e pelos carpelos. O cálice e a corola são considerados organismos de proteção da flor e podem estar adaptados para favorecer a polinização ou atrair polinizadores bióticos pela cor ou por apresentar estruturas especiais como néctar, por exemplo. Os estames em conjunto constituem o androceu e os carpelos, livres ou unidos constituem o gineceu. Nos estames são formados os grãos de pólen e no gineceu os carpelos distinguem-se em ovário, onde são produzidos os óvulos. Do óvulo fecundado desenvolve-se a semente que, nas angiospermas, está constituída no interior do fruto resultante do desenvolvimento dos ovários. 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. 12 Figura 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). Figura 4: Distribuição dos órgãos reprodutores na flor. (Fonte: 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 (diclinas). Os vegetais dióicos ou unissexuados, por outro lado, possuem apenas um sexo em cada planta e suas flores só podem ser diclinas. 13 Figura 5: Disposição dos órgãos www.herbario.com.br). reprodutivos nos indivíduos. (Fonte: 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, especialmente no que diz respeito à forma de polinização e dispersão de sementes. Hamrick (1983), citado por Dias e Kageyama (1991), relaciona a efetividade da distância do vôo do polinizador com a distribuição da variação genética entre e dentro de populações de espécies arbóreas polinizadas por animais, sugerindo padrões de variação próximos aos das espécies autógamas, para aquelas cujos polinizadores são de vôos curtos; até padrões similares aos das espécies alógamas, com dispersão de pólen pelo vento, para aquelas que têm polinizadores de vôos longos. O sistema de reprodução é um dos fatores mais decisivos para que a variabilidade genética individual seja mantida. De acordo com Borges et al. (2005), 14 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 auto-fecundação. 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 (Bawa, 1974 e 1975). Frequência de espécies arbóreas 80% 74% 68% 60% tropical 40% 22% 20% 19% Temperada 10% 7% 0% hermafrodita monóica Dióica Figura 6: Caracterização do sistema reprodutivo das espécies florestais tropicais e temperadas. (Fonte: Bawa, 1974). Monoicismo Auto compatível Dioicismo Auto incompatível 10% 14% 54% 22% Figura 7: Caracterização do sistema reprodutivo das espécies florestais tropicais. (Fonte: Bawa, 1974). 15 3.2. Formação da semente A semente constitui o mecanismo de propagação sexuada das plantas, fundamental na obtenção de novos tipos genéticos e na formação das mais diferentes estruturas genéticas populacionais. Entretanto, sua integridade física e fisiológica são fundamentais para que possa atender aos princípios genéticos, razão porque será tratada inicialmente, independentemente do seu significado genético. As sementes das angiospermas são formadas basicamente pelo tegumento e embrião (cotilédones + eixo embrionário) e um terceiro componente denominado endosperma, às vezes ausente. Do ponto de vista funcional, elas são constituídas por casca, tecido de reserva e tecido meristemático (eixo embrionário), cada parte apresentando funções específicas. Estas partes da semente resultam de diversas modificações nos componentes do óvulo, ocorridas durante o seu desenvolvimento pós-fecundação. O óvulo ou megasporângio é o precursor da semente. Para que se entenda melhor esse fato alguns processos devem ser considerados. 3.2.1. Microsporogênese e formação do gametófito masculino Microsporogênese é o processo de formação dos esporos masculinos (microsporos). Este processo ocorre em células das paredes das anteras, cada uma denominada célula-mãe do grão-de-pólen. Ao final da meiose, são formados quatro microsporos. O ciclo de vida das angiospermas é dividido em duas fases. A fase de produção de esporos é chamada esporofítica. Cada microsporo formado entra na outra fase, denominada gametofítica. Durante a fase gametofítica, o núcleo do microsporo entra em mitose, originando dois outros, um denominado núcleo vegetativo e o outro chamado núcleo reprodutivo (Viana et al. 2003). O núcleo vegetativo não mais se divide e é o responsável pela formação do tubo polínico. O núcleo reprodutivo entra em mitose, originando os dois gametas masculinos presentes em cada grão-de-pólen, denominados núcleos gaméticos. Uma ilustração do processo de formação do gametófito masculino (grão-de-pólen) é apresentado na Figura 6. É importante perceber que, desconsiderando mutação, não há diferenças genéticas entre os núcleos gaméticos e o núcleo do microsporo 16 do qual se originaram. De forma semelhante ao que acontece nos animais superiores, para cada célula-mãe do grão-de-pólen que entra em meiose, quatro gametófitos masculinos são produzidos. Tubo polínico micrósporo Grão de pólen Núcleo vegetativo n n n n núcleo reprodut. n n Núcleos gaméticos Figura 8 - Esquema ilustrativo da fase gametofítica de um microsporo, em relação a uma espécie diplóide. (Fonte: Viana et al., 2003). 3.2.2. Megasporogênese e formação do gametófito feminino Megasporogênese é o processo de formação dos esporos femininos (megasporos). As células do ovário que entram em meiose são denominadas células-mães do megasporo. Ao final da meiose são formados um megasporo funcional, que passará pela fase gametofítica, e três células que degeneram. Na Figura 7 é apresentado um esquema da fase gametofítica de um esporo feminino. No início desta fase, o núcleo do megasporo se divide por mitose, originando dois outros. Ambos se dividem, novamente, por mitose, originando quatro núcleos. Cada um destes passa por mitose, originando oito núcleos, todos com a mesma informação do núcleo do megasporo correspondente. Destes oito, as três antípodas e as duas sinérgides degeneram, permanecendo no gametófito feminino maduro, o saco embrionário, apenas os dois núcleos polares e o gameta feminino, a oosfera. Portanto, para cada célula de ovário que entra em meiose, apenas um gameta feminino é formado (Viana et al. 2003). megasporo saco embrionário n n n n n n n n n n n n núcleos Oosfera n n antípodas n sinérgides Figura 9: Ilustração da fase gametofítica de um megasporo, em relação a uma espécie diplóide. (Fonte: Viana et al., 2003). 17 Após a penetração do tubo polínico no saco embrionário, o que corresponde ao processo de fecundação, ocorre a dupla fertilização. Um dos núcleos gaméticos se une com os dois núcleos polares, originando o núcleo inicial do endosperma. Este núcleo é, portanto, triplóide (3n), pois recebe dois conjuntos cromossômicos maternos e um conjunto cromossômico paterno. A ausência do endosperma em sementes maduras, como em soja e feijão, é conseqüência da digestão deste tecido durante a formação do embrião. A segunda fertilização corresponde à união entre o outro núcleo gamético e a oosfera, originando o núcleo inicial do embrião (2n). 3.3. Polinização e dispersão de sementes A polinização é a transferência do grão de pólen de um estame a um carpelo. Se a transferência for para uma mesma flor ou em uma flor da mesma planta, tem-se auto-polinização; se for para flor de outra planta, tem-se polinização cruzada. A produção de sementes é um evento decorrente da polinização e dos fatores ecológicos envolvidos nesta etapa da reprodução, tendo impacto direto sobre a quantidade e qualidade da semente obtida. O agente polinizador é o responsável pelo transporte do pólen. Assim, seu comportamento, hábitos e exigências serão determinantes de como se dará o fluxo gênico, via pólen na população (Aguiar et al., 1993). A formação da semente é o resultado da união dos gametas masculinos e femininos, e isso se dá pela transferência do grão de pólen, por algum meio, dos estames (parte masculina) para os pistilos (parte feminina) seguido pelo processo da fertilização. O agente polinizador tem papel fundamental no momento da transferência do pólen, existem basicamente dois tipos de polinizadores, os bióticos (animais) e os abióticos (vento). De acordo com Aguiar et al. (1993), a discussão sobre a polinização nas espécies florestais deve considerar que as espécies tropicais são na maioria hermafroditas e polinizadas por agentes bióticos e as coníferas são, em geral, monóicas (Pinus) ou dióicas (Araucaria) e polinizadas pelo vento (abiótico). Os fatores abióticos tanto podem funcionar como agentes polinizadores (vento) quanto afetar o transporte de pólen por outros agentes, como por exemplo, dias úmidos e de baixa luminosidade solar reduzem a ação de insetos em geral. 18 Outro fator abiótico que influencia a polinização é a falta de sincronia entre o período de dispersão do pólen e o período em que as flores femininas se encontram receptivas. Na polinização biótica as espécies vegetais são polinizadas por animais que são atraídos, especialmente por seus recursos florais como néctar, pólen e óleos. Sendo assim, os agentes polinizadores mais conhecidos são as abelhas, as borboletas, os morcegos, os beija-flores. Dias (1988), citando outros autores, relaciona estudos realizados com árvores brasileiras polinizadas por vetores de vôo curto (moscas, abelhas) que possuem sementes dispersas a pequenas distâncias e ocorrem de forma agrupada nas matas. Espécies arbóreas polinizadas por vetores de longo alcance (morcego, vento) por sua vez, apresentam dispersão de sementes mais ampla e ocorrem de forma mais dispersa. As Figura 10a e 10b demonstram o padrão geral de dispersão de sementes e de formação de novas populações, nas espécies florestais. C h a n c e D e p o s i ç ã o T i p o s e m e n t e Semente pesada (a) Semente leve Distância da fonte D e C p h o a s n i c ç e ã o E s t a b e l e c . Estabelecimento Deposição (b) Distância da fonte Figura 10: Padrão de dispersão de sementes (a) e de estabelecimento de novas populações (b). Quanto maior a distância da árvore mãe, maior é a chance de estabelecimento devido a menor competição e riscos de predadores. 19 4. GENÉTICA E MELHORAMENTO Genética é a ciência que trata das semelhanças e diferenças entre os indivíduos de uma população. Melhoramento é a arte e a ciência que visam à modificação genética dos organismos para torná–los mais úteis ao homem (Borém, 1999). O melhoramento genético em qualquer espécie considera tanto o fenótipo quanto o genótipo. Terminologias estas introduzidas por Johansen (1909) e persistem até hoje como básicas para um pensamento claro sobre problemas de genética e evolução. Atualmente estes conceitos podem ser definidos como se segue. O fenótipo de um indivíduo é o que pode ser percebido através da observação, as estruturas e funções dos organismos, em resumo, o que o ser vivo apresenta aos nossos sentidos, com ou sem o auxílio de aparelhos. O genótipo é a soma total dos materiais hereditários que um indivíduo recebe de seus pais e de outros antepassados. O fenótipo de um indivíduo muda continuamente desde o nascimento até a morte. O genótipo, contudo, permanece estável, exceto por mutações somáticas. A estabilidade é devida aos genes se reproduzirem a si mesmos e não ao fato de eles serem materiais quimicamente inertes ou, de alguma forma, isolados do ambiente (Dobzhansky, 1973). A expressão fenotípica de um organismo que muda continuamente do estágio de zigoto até a morte resulta da interação de fatores ambientais com a influência direta de seu genótipo. O genótipo ou a soma do seu material hereditário ancestral recebido no zigoto determina o curso do desenvolvimento do indivíduo dentro de um determinado ambiente. E o mesmo genótipo pode dirigir diferentes passos de desenvolvimento e produzir diferentes fenótipos em condições ambientais diversas (Mettler e Gregg, 1973). A expressão fenotípica potencial de um dado genótipo, considerado em relação a todas as situações ambientais em que o genótipo pode sobreviver, é seu alcance de reação, ou norma de reação. Certas “normas” são relativamente estreitas, significando que, se o genótipo existe, ele é previsivelmente constante em expressão fenotípica (canalização de desenvolvimento). Por outro lado, se os alcances das reações são grandes, o desenvolvimento é mais flexível e fenótipos 20 diversos são produzidos sob condições ambientais diversas. Também, diferentes genótipos podem resultar em fenótipos semelhantes se houver sobreposição de alcances de reações (Mettler e Gregg, 1973). A variação genética envolve diferenças entre alcances de reação, enquanto a variação ambiental refere-se a diferenças fenotípicas dentro de alcances. A variação não-genética, chamada freqüentemente de plasticidade genotípica, permite ao indivíduo adaptar-se melhor durante o desenvolvimento. Então, os genótipos com grandes alcances de reação são considerados melhor adaptados, em geral, pois podem desenvolver-se em um âmbito de situações ambientais, tais genótipos são mais versáteis. 4.1. Melhoramento com base no fenótipo (F) Leva em consideração a performance visual do indivíduo(fenótipo=F): Onde, F = G + E. Depende do nível de controle genético sobre a característica (G) e da intensidade dos efeitos ambientais (E). • • • • pode-se selecionar em qualquer população; sementes geralmente são misturadas. Neste caso, utilizar proporções equivalentes de sementes de cada matriz selecionada; efetuar a colheita das sementes em anos de plena floração, isto é, em anos em que a maioria das árvores apresentarem floração e frutificação; considera as características de acordo a aptidão da espécie. Exemplo: forma do tronco, altura, DAP, volume, produção de frutos, volume de copa, etc. Considerações: • • • • • • espera-se maior sucesso pela utilização das sementes para plantio em ambiente ecológico semelhante ao da população na qual se efetuou a seleção matrizes; não se tem conhecimento do valor genético das matrizes selecionadas; nem sempre o melhor fenótipo corresponde à melhor descendência; pode-se ter bons resultados imediatos, porém, muito pouco posteriormente; pode-se ter respostas muito baixas desde a fase inicial; pode-se ter redução da média da população. 21 4.2. Melhoramento com base no genótipo (G) Leva em consideração o valor genotípico (VG) dos indivíduos: F = G + E, ou seja, o quanto o componente genético desta expressão contribui para o fenótipo, que, matematicamente, poderia ser expresso como sendo G = F – E. O valor genotípico refere-se, portanto, à proporção do fenótipo que é devido aos efeitos genéticos, podendo ser expresso por VG = G/F. Nos capítulos adiante, este assunto será retomado com a apresentação de metodologia apropriada para sua estimação. O sucesso no cultivo de qualquer espécie, florestal ou agrícola, está estreitamente relacionado aos fatores do meio ambiente. Por esta razão, o homem está sempre procurando entender e controlar os fatores ambientais, os quais podem ser classificados como segue: • • previsíveis: preparo do solo, fertilização, época de plantio, tratos culturais, etc., portanto, são possíveis de controle pelo homem; imprevisíveis: temperatura, precipitação, déficit hídrico, geadas, intensidade luminosa, etc., portanto, não podem ser controlados pelo homem. Em geral, os ambientes muito bons (favoráveis) podem revelar ótimos fenótipos, porém, de baixo valor genético, enquanto os ambientes ruins (desfavoráveis) quando revelarem fenótipos superiores, estes tendem a ser mais condizentes com valor genético. Cuidados devem ser tomados em relação a resistência a pragas e doenças, pois a resistência tanto pode ser verdadeira ou aparente, como conseqüência de “escape”. 4.2.1. Avaliação do genótipo Obtenção do valor genético (VG): • requer controle do material genético, isto é, controle parental, portanto, utiliza famílias ou clones; • exige avaliação fenotípica, isto é, não pode ser obtido diretamente do indivíduo; • requer o uso de técnicas experimentais; • pode-se usar técnicas de marcadores moleculares ou bioquímicos; • requer uso de análise de variância (parâmetros genéticos); • o valor genético é expresso em relação ao fenótipo (VG = G/F). 22 4.2.1.1. Caso das populações segregantes (heterozigotas) Valor genético (VG) = G/ F Aa x Aa F1 ⇒ AA Aa aa g1 # g2 # g3 Sendo: g = valor genético individual, tem-se: g1 + g2 + g3 = Gi # 0, então, F = Gi + E1 Pode-se inferir, neste caso, que a descendência (F1) é constituída de genótipos com valores genéticos distintos, cuja soma irá refletir o VG total da população. Da mesma forma pode-se inferir que estes genótipos apresentam respostas diferenciadas a uma mesma condição de ambiente. 4.2.1.2. Caso das populações homozigotas (linhagens) ou clones AA x AA F1 ⇒ AA g’1 AA g’2 AA g’3 Sendo: g = valor genético individual, tem-se: g’1 = g’2 = g’3 = G’i = 0, então, F’ = E1 Sendo g’ o valor genético individual e considerando que todos os indivíduos têm a mesma constituição gênica, não há diferença genética de um em relação ao outro, por isso G’ = 0. Neste caso, as variações expressas pelo fenótipo são devidas aos fatores do meio ambiente. 4.2.1.3. Considerações sobre a obtenção do VG Partindo da expressão F = G + E, pode-se deduzir que G = F – E, o que está matematicamente correto. Entretanto, considerando as populações descritas em 4.2.1.1. e 4.2.1.2, deve-se entender que tratando-se de materiais biológicos, com constituições genéticas distintas, apresentam também respostas diferentes ao um mesmo ambiente. Logo, os materiais genéticos homozigotos ou clone apresentam 23 respostas aos efeitos ambientais diferentes dos materiais genéticos segregantes, mesmo quando colocados em condições de ambiente semelhantes, evidenciando que a dedução matemática acima não se aplica. Assim pode-se destacar: • normalmente se assume que o efeito do ambiente é uniforme para todos os genótipos, o que não é verdade; • o efeito ambiental exibido por uma árvore não é exatamente o mesmo exibido por uma população heterozigota; • presume-se a existência de uma genótipo-ambiente, isto é, aos melhores correlação positiva entre ambientes correspondem os melhores genótipos, o que não é verdade, devido ao efeito da • interação genótipo por ambientes; quanto maior o valor genotípico, • alterações ambientais e vice-versa; • apresentar estrutura genética própria; • mesmo material genético em menor ambientes a influência das distintos tende a o VG varia com a idade das árvores; o VG é próprio de cada espécie e população; 4.3. Genética dos caracteres A variação biológica é a base para o trabalho do geneticista ou melhorista de plantas. Para que se possa conhecer e compreender as bases hereditárias dos caracteres em plantas e animais, é necessário distinguir os dois componentes da variabilidade: o genético e o não genético ou ambiental, e a proporção de seus efeitos. Métodos estatísticos apropriados são utilizados, especialmente no estudo da variação dos caracteres quantitativos de importância econômica (Bueno et al., 2001). O estudo da herança de uma característica requer o conhecimento do seu nível de controle genético, isto é, se é herdável, determinada por genes; os genes que a determinam são transmitidos dos pais para os filhos ou, pelo menos, de um dos pais para um ou mais de seus descendentes. Em geral os caracteres qualitativos são controlados por poucos genes; não são influenciados pelo ambiente; permitem o agrupamento em classes: têm distribuição discreta, portanto, obedecem os princípios da probabilidade; segregam conforme as Leis de Mendel (genética mendeliana). Como funciona: 24 Pais: Aa (verm.) x Aa (verm.) F1 ⇒ AA Aa aa Fenótipos ⇒ 3 : 1 ⇒ (AA = 1 verm., Aa = 2 verm.) : aa = 1 branco Os caracteres quantitativos, em geral estão associados a características de alto valor econômico como diâmetro, volume do tronco, densidade básica da madeira, etc., tendo controle poligênico. As estratégias empregadas para o estudo da herança de características quantitativas são completamente diferentes das normalmente usadas em relação aos caracteres qualitativos; As características com distribuição de valores fenotípicos contínua ou de variação contínua são denominadas quantitativas ou métricas. Uma vez que não existem níveis distintos de classificação, é então feita a análise dos indivíduos pela interpretação de dados estatísticos, como médias, variâncias e covariâncias (genética quantitativa). Como funciona: Pais: Aa (8m)) x Aa (8m) se A = 2 m, então: F1 ⇒ AA Aa aa Fenótipos ⇒ 2 ⇒ AA = 1 (10m), Aa = 2 (8m), aa = 1 (6m) Logo, os efeitos dos alelos são aditivos, isto é, a presença de cada alelo contribui com alguma proporção dos efeitos para expressar uma característica quantitativa. A genética quantitativa avalia a importância relativa dos efeitos individuais dos genes que determinam uma característica, assim como dos efeitos de interação entre os alelos e dos efeitos de interação entre genes não alélicos, o grau de influência do ambiente, produzindo, como na análise de características qualitativas, informações que se prestam para conservação genética e tornam eficientes os processos seletivos em programas de melhoramento. 25 4.4. Genética de Populações 4.4.1. Frequência gênica A seleção promove alterações na freqüência gênica das populações, reduzindo a freqüência dos genes desfavoráveis (em geral, os recessivos ou que produzem interações negativas) e aumentando a dos favoráveis. Portanto, a seleção tende a favorecer o aumento da freqüência de genes desejáveis em estado de homozigose dominante ou heterozigose, para aquelas características de interesse. 4.4.1.1. População em equilíbrio de Hardy – Weinberg. Segundo a lei de Hardy-Weinberg “toda população, na ausência de seleção, mutação e migração, entra em equilíbrio após uma geração de cruzamentos ao acaso”. Genótipos ....................... AA Frequências genotícicas: P ( A ) = p; p2 Aa 2pq aa q2 P ( a ) = q; sendo p + q = 1; logo p =1 – q. Nesta população AA, Aa, aa. 1 (2 pq ) p 2 + pq 2 = 2 P(A)= 2 p + 2 pq + q 2 p + 2 pq + q 2 p2 + 1 (2 pq ) q 2 + pq 2 = 2 P(a) = 2 p + 2 pq + q 2 p + 2 pq + q 2 q2 + 4.4.1.2. População na ausência de seleção Genótipos AA Aa aa Frequência p2 2pq q2 Valor Seletivo Proxima geração 1 p2 1 2pq 1 q2 1 (2 pq ) q 2 + pq 2 = 2 P(a) = 2 = q0 p + 2 pq + q 2 p + 2 pq + q 2 q2 + 26 4.4.1.3. População sob seleção. Genótipos AA Aa aa P(a) = [q Δq = q1 –q0 Δq = Δq = [q Frequência p2 2pq q2 [− − s ) + pq 1 − sq 2 − s ) + pq 1 − sq 2 sq 2 (1 − q 1 − sq 2 [q ]= (1 2 (1 2 Valor Seletivo Proxima geração 1 p2 1 2pq 1-s q2 ( 1 – s ) ]− q q1 = q1 = q1 = q1 = [q 2 0 [q (1 − (1 2 0 (1 − s )+ 1 − sq 02 p0q − 1 )+ p 0 q 0 1 − 1 q 02 (1 − q 0 )] q 0 )(1 + q 0 ) q0 1 + q 0 )] Para s = 1, tem – se: 0 q1 ] 0 ] 0 27 q2 = q1 q0 = 1 + q1 1 + 2q0 qn = q n −1 q0 = 1 + q n −1 1 + nq 0 Daí conclui –se que a frequência gênica em qualquer geração será sempre dependente da frequência gênica inicial. Logo, o número de gerações necessárias para atingir uma determinada frequência gênica será dado por : n = (q − qn q0qn 0 )= 1 1 − qn q0 Exemplo 1: para q0 = 0,5 quantas gerações seriam necessárias para reduzir essa frequência para qn = 0,1 ? n = 1 1 1 1 − = − = 8 gerações qn q0 0 ,1 0 ,5 Exemplo 2: sabendo–se que a freqüência de albinos em uma população é de 1/10000, quantas gerações serão necessárias para reduzir essa freqüência para 1/40000? P (a ) = 1 = 0,01 10000 P(a ) = 1 = 0,005 40000 n = 1 0 , 005 − 1 = 100 0 , 01 gerações . 28 4.5. Genética Quantitativa Os conceitos até aqui apresentados evidenciam a existência de variabilidade genética nas populações naturais, como consequência de efeitos genéticos e ambientais na expressão de quaisquer características dos indivíduos e que métodos adequados são requeridos para entendimento da proporção destes fatores na expressão fenpotípica. O melhorista deve, portanto, se empenhar para obter estimativas precisas desses efeitos, visando o sucesso dos programas de melhoramento. Também fica evidente que todas as características são herdadas em conformidade com os genes que as controlam, herança esta entendida pelos princípios da segregação mendeliana (probabilidades), para as qualitativas ou dos padrões de variação expressos por parâmetros estatísticos, para as quantitativas. Neste caso, o tratamento das caracteríticas quantitativas requer a utilização de amostras representativas das populações para obtenção de estimativas confiáveis. O parâmetro estatístico mais simples para descrever uma população é a ∑X média artimética dada por: X = I n ∑ Onde: X é média, n é o número de indivíduos avaliados (tamanho da amostra), X i é a observação em cada indivíduo e somatório dos valores observados. Entretanto, a média dá uma idéia de padrão da população para uma dada característica, mas não informa sobre o grau de variação. Para isto, há que se estimar os parâmetro que expressam a variação, ou seja, a variância e o desvio padrão, como segue: σ2 = Onde: σ 2 é a variância, ∑ ∑( X i − X ) 2 n −1 e σ = σ2 é o somatório, X i observação em cada indivíduo, X é a média geral, n é o número de observações e σ é o desvio padrão. 29 Desta maneira pode-se representar o padrão de variação de uma população como sendo: X ±σ Este valor expressa a variação fenotípica naquela amostra avaliada. De posse das estatísticas, pode-se, então, obter os componentes do fenótipo. Assim, se F = variação fenótípica, G = variação genotípica e E = variação ambiental, sendo F = G+ E, então, estatisticamente pode-se expressaar: σ 2f = σ g2 + σ e2 Sendo σ g2 composto de efeitos genéticos aditivos e não aditivos, pode-se escrever: σ g2 = σ a2 + σ na2 logo: σ 2f = σ a2 + σ na2 + σ e2 Como visto anteriormente, o que interessa de fato é o conhecimento do valor genético (VG) que é expresso em relação ao fenótipo. Portanto, o valor genético expressa a proporção da variação na população que é devida às diferenças genéticas entre os indivíduos, denominada herdabilidade (h2). Este parâmetro é de suma importância para o melhorista por traduzir a capacidade da população em transmitir aquelas características aos seus descendentes, ou seja, à geração seguinte. Pode ser então expressa conforme a definição por: h2 = σ g2 σ 2f A herdabilidade pode considerar os efeitos genéticos totais σ g2 , denominada herdabilidade no sentido amplo, aplicada aos materiais de propagação vegetativa; ou considerar apenas a parte que reflete os efeitos aditivos, denominada herdabilidade no sentido restrito, aplicável exclusivamente nos processos de propagação sexuada. h2 = σ a2 σ 2f O passo seguinte, é a estimativa do ganho genético esperado ou resposta à seleção, que depende tanto da herdabilidade como da variação genética presente na população, podendo ser influenciado pelo número de indivíduos selecionados por decisão do melhorista. 30 Tomando-se a média dos indivíduos selecionados e a média geral da população, obtém-se o diferencial de seleção, assim expresso: DS = X s − X 0 Onde: DS é o diferencial de seleção, X s é a média dos indivíduos selecionados e X 0 é a média geral da população na qual se praticou a seleção. A partir daí pode-se obter a estimativa do ganho genético esperado, como segue: GS = h 2 DS Onde: GS é a resposta à seleção (RS) ou ganho esperado na próxima geração. Portanto, pode-se concluir que o ganho genético é dependente tanto da herdabilidade do caráter como da proporção selecionada na população, esta última uma decisão do melhorista em função do grau de variação presente fenotípica, da base genética e dos objetivos do melhoramento. 5. RECURSOS GENÉTICOS (variabilidade genética em populações naturais) A variação biológica é resultante do processo evolutivo, proporcionando indivíduos adaptados a cada tipo ambiental. As alterações no conteúdo hereditário desses indivíduos bem como os fatores do meio, podem levar a diferenças genéticas tão acentuadas ao ponto de constituir uma nova espécie, isolada reprodutivamente incompatível daquela que lhe deu origem. A mutação constitui a principal responsável pelo surgimento de novos genes em uma população, apesar de ocorrer em freqüências muito baixas, da ordem de 1:20.000. O que garante muitas vezes a sobrevivência da espécie em um novo ambiente ou mesmo a sua evolução no sentido da especiação. O fluxo gênico entre e dentro de populações e a conseqüente recombinação dos indivíduos, garante o arranjo da estrutura genética dessas populações, na idade e no ambiente particular em que elas se encontram, proporcionando maior ou menor 31 variabilidade, conforme a diversidade genética e o número de indivíduos que deram origem a cada população, variabilidade essa que precisa ser considerada para o uso racional de cada espécie. A presença de variabilidade genética é requerida, especialmente quando o objetivo é adquirir informações sobre determinada espécie e suas implicações no cotidiano humano. Sendo assim, a espécie de interesse deve apresentar várias diferenças detectáveis. Em geral, quanto maior for o número de características diferentes e mais marcantes elas forem, maior será a sua utilidade para estudos genéticos, sobretudo em se tratando de espécies arbóreas, uma vez que ecossistemas variáveis favorecem a manutenção do equilíbrio natural. A variabilidade começa logo no processo de formação da madeira, fatores, tanto internos quanto externos à árvore, conduzem a variações no tipo, número, tamanho, forma e composição química dos elementos da madeira. De acordo com Zobel e Buijtenen (1995), em geral, as causas da variação são classificadas como sendo resultantes de fatores ambientais específicos e de fatores genéticos controlados internamente. Segundo Kageyama (1987), a diversidade genética pode ocorrer a diferentes níveis: a) de espécies dentro de ecossistemas; b) de populações dentro de espécies e c) de indivíduos dentro de populações da espécie. A caracterização desses diferentes níveis de diversidade é imprescindível para o planejamento da conservação genética. A quantificação da variabilidade natural existente nas espécies, através do estudo da estrutura genética de populações, permite o entendimento de como cada espécie aloca seus recursos de variabilidade na evolução. Este conhecimento possibilita ainda estabelecer estratégias racionais para planos de conservação genética, através da definição da forma mais correta para manter a variabilidade genética e a capacidade de evolução natural das espécies (Dias, 1988). O aumento do conhecimento dos ecossistemas naturais nos trópicos terá implicações diretas, tanto nos processos de cultivo para diferentes espécies, como nos programas de melhoramento genético, no que se refere à crescente exploração da variabilidade existente nas espécies. Para que isso aconteça, torna-se necessário que essa variabilidade genética seja conhecida e esteja disponível para uso (Pamplona, 2000). 32 De acordo com Pamplona (2000), em alguns programas de melhoramento de espécies da região amazônica, vem se processando, gradativamente a perda da variabilidade genética, devido, principalmente, ao pouco interesse em conservar material que não apresente características desejáveis, no atual estádio de desenvolvimento das técnicas de melhoramento inerente a cada espécie. Entretanto, esse material, atualmente considerado de pouca importância para os melhoristas, poderá ser de grande utilidade no futuro. Daí vem a necessidade de se conhecer mais e melhor as espécies nativas que poderão vir a ser promissoras em diversos aspectos e utilizadas em vários setores. O cultivo de espécies florestais nativas requer domínio tecnológico para possibilitar sua exploração em bases racionais. Afora os problemas silviculturais que vão desde a produção de sementes até a fase de exploração, o melhoramento preocupa-se em conhecer e explorar a capacidade adaptativa das espécies autóctones, no sentido de selecionar material precoce, de rápido crescimento e boas características tecnológicas (Paiva, 1998). Portanto, a manipulação das espécies em programas de melhoramento requer o conhecimento da variabilidade genética intra e interpopulacional, expressa através dos caracteres de interesse. 5.1. Aspectos evolucionários das populações naturais O estudo dos processos de desenvolvimento e sua importância na teoria da evolução está sendo apreciado apenas agora. Por exemplo, controvérsias contemporâneas entre botânicos e zoologistas sobre modelos de especiação em plantas comparados com os animais podem ser melhor avaliados quando se tem em mente que os animais são móveis, procuram seu ambiente (flexibilidade de comportamento) e então tendem a ser mais especializados e menos variáveis que as plantas. Por outro lado, a maioria das plantas estão intimamente ligadas aos seus ambientes e necessitam possuir suficiente flexibilidade de desenvolvimento (“normas” amplas) para existirem onde estão localizadas. Em nível de população, é de muita valia a variabilidade genética de muitas espécies de plantas que é um seguro adicional ao encontro de novos ambientes. Então, as forças evolucionárias precisam ser avaliadas não apenas em relação uma à outra, mas também com 33 referência ao “tipo” de espécie estudado e seu modo característico de se ajustar ao ambiente (Mettler e Gregg, 1973). A compreensão do mecanismo de evolução como um processo requer um conhecimento básico da variação em população, particularmente da variação genética (Martins, 1987). No tempo em que Darwin e outros primeiros evolucionistas estavam no auge de sua produção literária, o principal apoio de suas teses foi que a variação hereditária é necessária para o avanço filogenético. Ao mesmo tempo eles supunham que a seleção natural tende a produzir singularidade de formas (o “tipo” que é particularmente adaptado). Considerava-se que quase toda a variação hereditária era continuamente perdida. Além disso, a idéia básica de hereditariedade naquele tempo foi a “teoria da miscigenação”. Um pouco de reflexão revelará que, com a herança miscigenada entre formas sexuadas de fertilização cruzada, a variância genética é reduzida à metade a cada geração, a menos que haja uma alta correlação entre os talentos hereditários dos casais (Mettler e Gregg, 1973). Sabendo que a herança hereditária seria perdida por mistura e por seleção contra as formas não adaptadas, a única inferência razoável é que a variação genética necessária para um avanço evolucionário é de origem recente e que qualquer que seja sua fonte, a taxa de produção é imensa. Além disso, os tipos novos que aparecem têm de ser adaptados às condições existentes ou também são imediatamente perdidos devido à seleção – o primeiro pré-requisito para o ponto de vista de Buffon-Lamarck, que sugere que novas formas são produzidas em resposta direta ao ambiente (a herança de caracteres adquiridos). Estas idéias foram também responsáveis pela teoria dos mutacionistas de que a evolução ocorre através de passos principais por meio de mudanças grosseiras dos genes ou cromossomos que levam a novas funções e estruturas (Mettler e Greg, 1973). Os aspectos recentes incluindo a fonte, manutenção e perda da variação genética, são uma forma muito modificada destas idéias, influenciadas pela genética mendeliana. Uma herança fundamentada na existência de partículas, não há tendência para que a variação genética seja perdida (teoria de Hardy-Weinberg). Sua diminuição resulta apenas através de mudanças diretas na freqüência de alelos por seleção ou por mudanças não-diretas por oscilação genética. Atualmente supõese que as populações podem manter mais facilmente a variância genética e gerar mais genótipos com graus variáveis de adaptabilidade. Estas formas produzidas a cada geração no terminal não-adaptado da escala são eliminados por seleção, mas 34 estão continuamente sendo produzidas e são consideradas como um “estoque a disposição” que se tornarão os progenitores de gerações futuras, em caso de mudança ambiental. São genótipos “pré-adaptados”, prontos para uma nova situação que a população poderá encontrar. Isto não implica que haja um ambiente possível para todos os divergentes. Alguns poderiam não existir sob qualquer conjunto de condições imagináveis. No entanto, o grupo torna-se extinto quando não existem genótipos pré-adaptados para novos tipos de condições para as quais a população é deslocada. Conforme Mettler e Gregg (1973), o status evolucionário de uma população do ponto de vista genético, é caracterizado pela freqüência relativa dos alelos (freqüência gênica) em loci individuais na população em um dado tempo. A mutação como uma força evolucionária, dirige a mudança na freqüência gênica alterando um estado alélico em outro em uma determinada taxa. A conseqüência de tais mudanças nas freqüência dos genes por sua vez é refletida no modelo e quantidades de variabilidade genética do caráter controlado por estes genes. Algumas mudanças na variabilidade genética são críticas, como é demonstrado por alelos mutantes recessivos cuja freqüência é tão baixa que existem quase que exclusivamente em heterozigotos. A variação potencial (armazenada) tornar-se-á a variação livre (expressa) à medida que mutações recorrentes se acumulam e heterozigotos segregam. Variação livre é manifestada pelos fenótipos e torna-se a matéria-prima da seleção natural. A definição de evolução pode ser fornecida através de vários ângulos. Sob o ponto de vista genético, ela corresponde “a qualquer alteração das freqüências alélicas da população, visando torná-la mais adaptada” (Ramalho et al., 1996). A seleção natural tende a destacar genótipos cujos mecanismos reprodutivos possibilitem o surgimento de homozigose e, por extensão, de endogamia. Paralelamente, se muitas espécies alógamas não podem prescindir da condição heterozigótica para manterem um bem valor adaptativo, é compreensível que a seleção natural tenda a preservar os mecanismos que, surgidos por mutação, incentivem ou mesmo determinem a fecundação cruzada (Pinto, 1995). Na seleção natural para fins reprodutivos, a seleção opera eliminando os genótipos defeituosos (Namkoong, 1979). 35 5.2. Conservação da variabilidade genética Segundo Kageyama e Dias (1982), a filosofia da conservação genética se baseia na manutenção da variabilidade genética entre e dentro de populações como condição essencial e insubstituível para a continuadade da evolução das espécies. A utilização de métodos “ex situ” e “in situ” pode contribuir satisfatoriamente para a conservação genética das espécies, porém estas técnicas estão longe de suprir todas as necessidades. Assim, a variabilidade genética de muitas espécies tem sido perdida por desmatamentos, doenças e extrativismo indiscriminado, além de outras modificações mais lentas e sutis. Dessa forma os armazenamentos tecnológicos e naturais (bancos de sementes) são técnicas relativamente seguras e econômicas contra essas perdas, assegurando valiosos germoplasmas das espécies que correm risco de extinção (Aguiar et al., 2001). Na conservação “in situ” as espécies são deixadas em seus habitats naturais, objetivando garantir proteção ao seu conjunto de genes e quando necessário possibilitar o conhecimento científico da tecnologia reprodutiva, ecologia, padrão de distribuição, além do conhecimento prévio da existência de variabilidade genética e de sua forma de distribuição comparada a outras populações naturais (Paiva, 1998). Enquanto que na conservação “ex situ” as espécies são protegidas em lugares fora de seu habitat, tanto por material reprodutivo quanto por plantas vivas em arboretos, jardins botânicos ou mesmo em artificiais de laboratório. Com exceção de espécies como o pinheiro-do-paraná (Araucária angustifólia) a maioria das espécies florestais incluídas na relação de espécies em extinção, ou de interesse para conservação, são espécies nativas, perenes, de grande porte e cuja sustentabilidade silvicultural é complexa ou desconhecida. Para essas espécies, a metodologia mais recomendada é a conservação genética “in situ”, atualmente a única maneira de protegê-las é através da criação de unidades de conservação, reservas biológicas ou reservas de patrimônio particular. 36