Como a variabilidade genética auxilia na evolução dos seres vivos?

Marcadores moleculares funcionam como marcas digitais que podem ser usados para diferenciar indivíduos. Sua utilização nos programas de melhoramento genético de plantas é uma importante ferramenta para uma obtenção mais rápida e eficiente de plantas com vantagens para a produção agrícola. 

Todos os seres vivos possuem características que resultam na sua identidade. Nós mesmos somos muito diferentes entre si e todos somos Homo sapiens. Isso também acontece dentro de uma mesma espécie de outros animais e plantas, como por exemplo ervilhas, que podem ser amarelas ou verdes, lisas ou rugosas. 

Essa variabilidade de características entre os seres vivos de uma mesma espécie é também de extrema importância para a evolução e sobrevivência. No caso dos vegetais, certas características como tolerância a diversidades climáticas, maior produtividade ou resistência à doenças influenciam diretamente na disponibilidade e qualidade dos alimentos e no seu modo de produção. 

Muitos vegetais com características desejáveis foram preferencialmente selecionados desde a pré-história, como consequência da eliminação de plantas que apresentavam desenvolvimento lento, eram muito pouco produtivas ou frágeis. 

Dos marcadores morfológicos aos moleculares

Algumas características são facilmente observadas e permitem distinguir um ou mais indivíduos apenas na aparência como tipo de pelagem em animais, cor dos olhos, cabelos e pele. Em plantas, também é possível identificar diferentes formatos de folha, cores das flores e tamanho das sementes e frutos. Todas essas características podem ser denominadas marcadores morfológicos. 

No melhoramento genético de plantas os marcadores morfológicos vem sendo utilizados desde o início da agricultura, há 12 mil anos. Isso porque, em alguns casos, esses marcadores podem estar associados a outras características de importância agronômica como altura da planta e tamanho dos grãos. 

Dessa forma, a associação entre as características morfológicas e agronômicas ainda é bastante utilizada no melhoramento de plantas. Com isso, plantas da mesma espécie ou similares são cruzadas entre si para obter vegetais com características de maior interesse para o produtor. 

No entanto, os marcadores morfológicos não contemplam a totalidade de características que podem afetar o metabolismo e resultar em benefícios expressivos à produção agrícola. 

Os marcadores moleculares são a “origem” das características

Com a identificação do código genético, base da hereditariedade, a forma de se conduzir o melhoramento genético mudou. Os melhoristas passaram a buscar técnicas mais precisas considerando características moleculares no processo de melhoramento de plantas. 

A técnica de sequenciamento de DNA, que permite determinar a ordem das bases nitrogenadas no material genético, revelou a existência de trechos de DNA que se diferenciavam entre indivíduos da mesma espécie. Essas diferenças nas sequências do DNA passaram a ser estudadas para que entendêssemos seu papel como marcadores moleculares, indicadores de variações genéticas. 

Os marcadores moleculares são como marcas digitais que podem ser localizadas em partes do DNA de qualquer organismo vivo. Essas marcas podem variar entre indivíduos de uma espécie e são herdados geneticamente. 

Essas variações podem ser causadas por mutações, inserções, deleções e substituições de bases nucleicas que formam a sequência de DNA ou por erro de replicação do material genético. Diferentemente dos morfológicos, os marcadores moleculares não são afetados por fatores ambientais ou por estádios de desenvolvimento do vegetal, aumentando a confiabilidade desse tipo de marcador. 

Aplicações dos marcadores moleculares:

São diversas as aplicações dos marcadores moleculares no melhoramento genético de plantas, inclusive, em diferentes etapas dos programas. Em geral, os marcadores moleculares podem ser utilizados para:

• Caracterização de germoplasma – Consiste na identificação de variações genéticas dentro de um grupo de plantas, com objetivo de selecionar uma característica específica.
• Estudos de diversidade e pureza genética – Importante para se avaliar a variabilidade genética entre indivíduos da mesma espécie;
• Teste de paternidade e seleção de genitores – Trata-se da identificação ou seleção de indivíduos;
• Seleção de resistência a patógenos – Identificação de indivíduos que possuem sequências genéticas (genes) que garantem a resistência a determinadas doenças; 
• Associação com características quantitativas – Identificação de genes responsáveis por certas características quantitativas; 
• Seleção assistida – Consiste na seleção de características de interesse agronômico (qualitativas e quantitativas) com base especificamente em marcadores moleculares; 
• Fingerprinting: Identidade genética de uma variedade ou cultivar desenvolvida que garante a proteção da propriedade intelectual e no direito autoral. 

Características quantitativas: aquelas características que são controladas por muitos genes. Não são facilmente determinadas e podem ser afetadas pelo meio ambiente. Abrange mensurações de quantidades como quantidade de grãos, peso do fruto, altura da planta e também a resistência a doenças e pragas. As regiões no cromossomo que contêm genes que determinam características quantitativas são conhecidas como QTL (Quantitative Trait Loci).

Características qualitativa: são controladas por um ou poucos genes, como no caso da cor das flores e formato dos grãos.

A utilização dos marcadores moleculares tem grandes chances de acelerar o melhoramento vegetal, como consequência da: 

• Possibilidade de identificar e selecionar plantas a partir de amostras de qualquer idade; 
• Identificação de mais de uma característica de interesse simultaneamente em um mesmo vegetal;
• Possibilidade de identificar geneticamente na planta características difíceis de serem visualmente avaliadas, ou que só apresentam a característica em determinada fase do desenvolvimento. Por exemplo: resistência a alguma doença ou pragas, ou tolerância a certas variações climáticas.

Conheça os diferentes tipos de marcadores moleculares

O genoma de um organismo possui sequências codificadoras que são responsáveis por características (genes) e outras sequências não codificadoras. A maioria dos marcadores moleculares são aleatórios no genoma, ou seja, podem estar localizados em qualquer lugar sem necessariamente estarem associados a um gene. No entanto, quando o marcador faz parte ou está próximo e ligado a um gene que determina uma característica fenotípica conhecida, esse marcador é então chamado de Marcador Funcional ou “Perfeito”. 

Polimorfismo: São as variações de sequências de DNA mesmo entre indivíduos. O poliformismo é responsável pela variabilidade genética, ou seja, pela diferença de características.

Genótipo: Composição dos genes que controlam toda as características de um organismo (fenótipo).

Fenótipo: Característica observável no organismo como cor, formato, comportamento, altura. É controlada pela expressão dos genes do organismo, mas pode ser afetada por fatores do ambiente.

Genotipagem: Diferentes técnicas que têm por objetivo identificar o polimorfismo no material genético de indivíduos da mesma espécie.

Mapeamento genético: Abordagem que identifica a localização dos genes no genoma, ou seja, em quais sítios do cromossomo os genes se encontram.

Desde sua descoberta, diferentes tecnologias foram desenvolvidas para identificação de marcadores moleculares. Dessa forma, os marcadores moleculares passaram a se diferenciar a depender da metodologia utilizada para sua detecção, pelo seu polimorfismo (tipo de variação que o marcador apresenta na sequência de DNA), também pela precisão e velocidade de obtenção, entre outros. Eles também podem ser caracterizados em:

• Marcadores dominantes: permitem identificar se o organismo apresenta ausência ou presença de diferentes formas um mesmo gene. 
• Marcadores codominantes: permitem diferenciar indivíduos com apenas uma forma de um mesmo gene (homozigotos) de indivíduos que apresentam diferentes formas de um mesmo gene (heterozigoto). 

Além disso, os marcadores podem ser de:

• Genotipagem de baixo rendimento (low trhoughtput genotyping) possibilita analisar poucas regiões do DNA (lócus) ou 
• Genotipagem de alto rendimento (high trhoughtput genotyping) permite analisar milhares de regiões. 

Dentre os marcadores moleculares mais conhecidos e utilizados em programas de melhoramento estão:

• RFLPs (Polimorfismo no Comprimento dos Fragmentos de Restrição – Restriction Fragment Length Polymorphism). Nesta técnica o DNA é “quebrado” por enzimas de restrição que cortam partes da sequência do genoma e gera um grande número de fragmentos. Esses fragmentos são então avaliados pelo pesquisador, com isso é possível identificar o tamanho de fragmentos de DNA de uma região específica do genoma e observar diferenças genéticas entre organismos de espécies próximas. 
• RAPD (Polimorfismo do DNA Amplificado ao Acaso – Random Amplified Polymorphism DNA). Essa técnica é capaz de identificar o polimorfismo de maneira mais rápida e prática. Ao invés de utilizar enzimas de restrição, nessa metodologia o pesquisador utiliza sequências de DNA específicas para identificar regiões pré determinadas no genoma de um organismo. 
• SSR (Sequências Simples Repetidas – Simple Sequence Repeats): também conhecido como microssatélite, são marcadores com alto nível de polimorfismo e são formados por curtas sequências de nucleotídeos, normalmente de 1 a 6, repetidos em série em número variável. Por exemplo, uma sequência SSR formada por AAGT pode se repetir da seguinte forma no DNA: AAGTAAGTAAGT (repetindo três vezes), e o polimorfismo pode ser observado quando  o número de repetição dessa sequência diminui ou aumenta. Por ser um marcador bastante polimórfico, é importante para estudo de diversidade e mapeamento genético.
• SNPs (Polimorfismo de nucleotídeo único – Single Nucleotide Polymorphisms): Esse marcador também é altamente polimórfico e abundante no genoma. Ele é baseado na identificação de alterações de uma única base de nucleotídeo em uma sequência de DNA, normalmente um gene. Para identificar essas alterações é necessário a utilização da metodologia de sequenciamento para comparar a sequência que contém SNP com uma sequência de referência. Essa técnica é importante para a análise de genes, estudo de variabilidade genética e mapeamentos. 

No melhoramento genético de plantas, os marcadores funcionais são de extrema importância. Isso se dá pelo fato de que, os marcadores funcionais estão associados a características de importância agronômica, como por exemplo a resistência a doenças. A técnica que utiliza marcadores funcionais para obter variedades ou cultivares de plantas com características de interesse é também chamada de melhoramento de precisão.

Os avanços não param

Desde os desenvolvimentos dos marcadores moleculares, os avanços na biotecnologia vem tornando o melhoramento genético cada vez mais preciso e acessível. 

As novas tecnologias para sequenciamento de DNA e programas computacionais de bioinformática permitem sequenciar, analisar e comparar milhões de moléculas de DNA ao mesmo tempo. Dessa forma, realizar o mapeamento genético e identificar marcadores funcionais tem ficado cada vez mais rápido. 

Além disso, tecnologias como CRISPR auxiliam a descobrir variações genéticas inéditas com maior facilidade e precisão. A mesma tecnologia pode ainda servir como ferramenta de edição gênica.  Com isso, os cientistas conseguem descobrir como as características (fenótipo) do organismo respondem a variações genéticas. 

As técnicas de modificação genética associadas ao melhoramento assistido por marcadores moleculares garantem o desenvolvimento de vegetais com características produtivas, de maior qualidade e mais sustentáveis. 

Marcador molecular na sua casa

Nos últimos tempos, a grande maioria dos vegetais que consumimos, a exemplo do milho, arroz, tomate e trigo foram desenvolvidos através do uso dos marcadores moleculares. 

Na área de biocombustíveis, já se emprega o QTL para selecionar variedades de cana-de-açúcar que apresentam alto teor de açúcar para a produção de etanol. 

Pesquisadores da EMBRAPA analisaram nove variedades de videiras com marcadores moleculares para identificar os genes responsáveis pela característica de resistência as principais doenças nas plantações do Brasil – míldio (Plasmopora Viticola) e oídio (Uncinula necator). A descoberta levou à utilização desses genes de resistência aos programas de melhoramento de videiras. 

Com isso, uvas in natura, sucos de uva e vinho são resultados de bons marcadores moleculares.

Principais fontes:

Ahmad, F., et al. Molecular Markers and Marker Assisted Plant Breeding: Current Status and their Applications in Agricultural Development. Journal of Environmental and Agricultural Sciences, 2017.

Salgotra, R. k. e Stewart, C. N. Functional Markers for Precision Plant Breeding. Molecular science, 2020.