Biotecnologia Vegetal e Agropecuária: Fundamentos e Aplicações

Biotecnologia: Histórico e Biologia Molecular

A Biotecnologia de Terceira Geração, iniciada em 1970 com a Biologia Molecular, foca em:

• Isolamento e manipulação de genes (DNA).
• Fusão e multiplicação de células.

Biotecnologia Agropecuária: Objetivos

A Biotecnologia Agropecuária visa:

• Fortalecer a produção nacional e a competitividade.
• Modernização do campo.
• Geração de produtos inovadores e novas tecnologias de produção.
• Investimento em pesquisa científica e produção de patentes.
• Aumento da produtividade agropecuária.
• Melhoria da qualidade dos novos produtos, processos e serviços.
• Investimento em exportação – novos nichos de mercado.

Aplicações Agrícolas

Controle Biológico

Uso de organismos vivos ou substâncias produzidas por eles no controle de pragas, predadores, parasitas ou patógenos.

• Bioinseticidas: Bacillus thuringiensis, Nim.

Cultura de Tecidos Vegetais

É a técnica asséptica in vitro de cultivo de células, tecidos, órgãos ou planta inteira sob estado nutricional e ambiental controlado.

Funções:

• Conservação do germoplasma.
• Produção de variedades melhoradas.
• Produção de plantas livres de doenças.
• Produção de metabólitos secundários.
• Produção de variedades tolerantes à salinidade, à seca e ao estresse térmico.

Transgenia

Introdução de características desejáveis às plantas através de Organismos Geneticamente Modificados (OGMs).

Características e Benefícios:

• Tolerância a herbicidas.
• Resistência a insetos e vírus.
• Melhoria da qualidade do produto.
• Benefícios nutricionais aos alimentos (valor nutricional ou fortificação).
• Utiliza a tecnologia do DNA recombinante.

Exemplo: Mamão Transgênico

• Mamão (GM) resistente ao vírus da mancha anelar do mamoeiro (mosaico do mamoeiro), transmitido por pulgões.
• Envolve o silenciamento de RNA.

Cultura de Tecidos Vegetais: Definição e Características

“Cultura asséptica in vitro de células, tecidos e órgãos vegetais sob condições físicas e químicas definidas.”

Principais Características:

• In vitro: cultivo em frascos de vidro ou de plástico.
• Ambiente artificial (físico e nutricional).
• Ocupa menor espaço físico.
• Diferentes tipos de células, tecidos e órgãos podem ser cultivados.
• Ambiente asséptico: ausência de microrganismos e insetos.
• Processo de desdiferenciação e rediferenciação: célula madura e especializada (diferenciada) → volta ao estágio embrionário (desdiferenciada) → volta a ser especializada (determinação/rediferenciação).

Princípios da Cultura de Tecidos Vegetais (CTV)

Totipotência

Potencial de células vegetais de reproduzirem um organismo inteiro, mediante estímulos apropriados.

Competência Celular

Capacidade de reação a estímulos de desenvolvimento, expressando o potencial genético.

Explante

Qualquer segmento de tecido oriundo de uma planta para iniciar uma cultura in vitro, geralmente com vistas a estabelecer um protocolo de plantas de genótipo superior.

Tipos de Explantes:

• Meristemas pré-existentes: ápice caulinar, meristema, segmento nodal e sementes.
• Não meristemáticos: disco de folha, segmentos de raiz, segmentos de folha.

Desenvolvimento de Plântulas: Organogênese e Embriogênese

Organogênese

Formação de uma nova planta a partir de um explante.

Embriogênese Somática

Formação de embriões a partir de células somáticas, sem fecundação zigótica.

Embriogênese Direta

A partir de meristemas pré-existentes nos tecidos do explante.

Embriogênese Indireta

Primeiro a formação de calos, seguida da formação de meristemoides e finalmente plântulas/embriões.

Tipos de Cultivos de Tecidos Vegetais

Cultivos com Crescimento Organizado

• Cultura de Meristemas
• Cultura de Ápices Caulinares ou Gemas
• Cultura de Segmentos Nodais
• Cultura de Raízes Isoladas
• Cultura de Embriões (Resgate)
• Cultura de Órgãos (Micropropagação: Isolamento de primórdios e segmentos foliares)

Cultura de Meristema

Ápices meristemáticos, consistindo de domo apical, isentos ou contendo um ou dois primórdios foliares (0,1-0,3mm). Contém células indiferenciadas com potencial de crescimento.

Cultura de Ápices Caulinares ou Gemas

Gemas ou brotos maiores que os meristemas, com vários primórdios foliares que formarão vários brotos e gemas (ex: gema axilar ou caulinar).

Cultura de Segmentos Nodais

Gemas laterais em nós. Entrenós contendo uma ou várias gemas podem ser cultivados.

Cultura de Raízes Isoladas

Raízes desconectadas da parte aérea, com produção de raízes ramificadas.

Cultura de Embriões

A partir de embriões zigóticos extraídos de sementes. Germinam e originam brotos (plântulas).

Funções:

• Superar a dormência de sementes.
• Recuperar híbridos raros de cruzamentos incompatíveis.

Cultivos com Crescimento Não Organizado

• Cultura de Calos
• Cultura em Suspensão
• Cultura de Protoplastos
• Cultura de Anteras e Pólen

Cultura de Calos

Cultura e manutenção de massas celulares. Pequenas porções (explantes) da planta-mãe sofrem desdiferenciação, formando uma massa de células (corpo caloso) com proliferação desordenada. Células indiferenciadas podem sofrer rediferenciação, resultando em crescimento e formação de novas plântulas clone.

Cultura em Suspensão

Proliferação de células isoladas ou em pequenos aglomerados, dispersas em líquido sob agitação e aeração.

Cultura de Protoplastos

Cultivo de células vegetais sem parede celular. Permite a regeneração de plantas completas, transformação genética e plantas híbridas (fusão em cultura).

Cultura de Anteras e Pólen

Utiliza anteras contendo grãos de pólen imaturos para formar embriões somáticos e obter plantas haploides (linhagens homozigotas).

Micropropagação Clonal

Técnica de regeneração de plantas in vitro através de cultura de brotos, frequentemente utilizada para obtenção de clones que mantêm as características da planta-mãe.

Permite a produção de mudas em larga escala (plantas idênticas) e é a maior utilização comercial da cultura de tecidos. Requer o ajuste de protocolos para cada espécie, variedade ou clone.

Vantagens e Desvantagens da Micropropagação

Vantagens

• Multiplicação rápida de grande número de mudas.
• Propagação contínua durante todo o ano (laboratório).
• Plantas livres de doenças.
• Espaço físico reduzido.

Desvantagens

• Variação somaclonal: variação fenotípica de origem genética (herdável nas gerações seguintes), causada por estresse fisiológico in vitro.
• Contaminação.
• Aclimatização.
• Custo: equipamentos, instalações e recursos humanos.
• Protocolos não otimizados para todas as espécies.

Variação Somaclonal

Exemplo: Dois tubérculos da mesma variedade. O da esquerda corresponde às características da variedade, e o do lado direito (pele lisa) é uma variação somaclonal.

Fases da Micropropagação

• Estágio 0: Preparação da Planta Doadora. Qualquer tecido de planta pode ser introduzido in vitro, considerando sua sanidade, estado nutricional e fisiológico.
• Estágio I: Fase de Iniciação - Assepsia. O explante tem sua superfície esterilizada e é transferido para meio de cultura com baixa concentração de citocinina e auxina.
• Estágio II: Fase de Multiplicação. Aumentar o número de propágulos, utilizando alta concentração de citocinina.
• Estágio III: Fase de Alongamento e Enraizamento. Utiliza ácido giberélico (giberelinas) e auxinas (IBA, NAA).
• Estágio IV: Fase de Aclimatação ou Aclimatização. Transferência para um substrato apropriado (areia, turfa, composto, etc.).

Conservação do Germoplasma In Vitro

Permite a conservação em pequeno espaço, com baixo custo e mantendo a integridade genética. Ajuda a evitar a variação somaclonal e possibilita a troca de germoplasma sadio. De maior interesse para espécies de propagação vegetativa (alho, mandioca, batatas).

Limpeza Clonal

Espécies propagadas vegetativamente geralmente estão infectadas com um ou mais vírus, que causam redução do vigor e produtividade das culturas. Não há controle químico contra vírus, mas a limpeza clonal é eficiente também contra bactérias. Baseia-se no cultivo de ápice caulinar e meristemas, pois os meristemas na maioria das vezes não são afetados.

Técnicas de Limpeza Clonal

• Estiolamento
• Quebra de dominância apical
• Termoterapia
• Eletroterapia
• Quimioterapia
• Microenxertia

Transformação Genética

É a alteração genética de uma célula que resulta da absorção e incorporação direta de material genético exógeno (DNA exógeno) do seu ambiente através da membrana celular.

Aplicações:

• Ampliação da variabilidade: indução de variação somaclonal.
• Seleção in vitro de linhagens celulares e plantas.

Etapas da Transformação Genética

A transformação genética envolve a tecnologia do DNA recombinante, que permite a inserção de um gene de interesse em outra espécie (Transgenia).

1. Identificação do gene de interesse.
2. Isolamento do gene de interesse (utilizando enzimas de restrição).
3. Clonagem do gene de interesse (utilizando vetores).
4. Transformação genética (inserção dos genes).
5. Comprovação da modificação genética (através de análises genéticas).

Métodos de Transformação Genética

Métodos Diretos

• Eletroporação de protoplastos.
• Transformação por PEG.
• Bombardeamento de partículas (Biobalística).
• Microinjeção.

Métodos Indiretos

• Vetores (ex: Agrobacterium spp.).

Dogma Central da Biologia Molecular

A informação genética, armazenada nos cromossomos, é transferida às células filhas através da replicação do DNA, e é expressa através da transcrição em RNAm e tradução subsequente em cadeias polipeptídicas.

OGM e Transgênico: Definições

Organismo Geneticamente Modificado (OGM)

Sofreu mudança artificial no seu genoma mediante engenharia genética. A mudança pode ser apenas estrutural ou na função do próprio material genético do indivíduo.

Transgênico

É um OGM que recebeu parte de material genético de outro indivíduo. Seu genoma foi modificado com genes de outra espécie de ser vivo.