Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de ... · Um sistema de busca de...

Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

“Fenômica de doenças vegetais”

LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS

Departamento de GenéticaAvenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil

Telefone: (0xx19) 3429-4250 / 4125 / 4126 - Fax: (0xx19) 3433-6706 - http://www.genetica.esalq.usp.br/semina.php

Aluna: Ana Carolina FazzaOrientador: Prof. Dr. Luis Eduardo Aranha Camargo

“Fenômica de doenças vegetais”

Sumário

�Genética Mendeliana: Breve histórico

�Avaliação de doenças: métodos tradicionais

�Conceito de ‘Fenômica’

�Novas ferramentas para avaliação de doenças

2

Genética Mendeliana

Fonte: nitro.biosci.arizona.edu

3

Fenótipo ao Genótipo

4


Sementeslisas ou rugosas

Cotilédonesamarelos ou verdes Vagens imaturas

verdes ou amarelas

Fonte: nitro.biosci.arizona.edu5

Pétalaslilases ou brancas

Vagens maduras infladas ou achatadas

verdes ou amarelas

Floresaxiais ou terminais

Hasteslongas ou curtas

Fenótipo ao GenótipoP

Gametas

F1 Todos iguais

YYRR yyrr

X

YR yr

XYyRr YyRr

YYRR YYRr YyRR YyRr

YYRr YYrr YyRr Yyrr

YyRR YyRr yyRR yyRr

YyRr Yyrr yyRr yyrr

F2

YR Yr yR yr

YR

Yr

yR

yr

6

YyRr YyRr

Tipo Genótipo Fenótipo Número Proporçãofenotípica

Parental Y_R_ Amarela lisa 315 9/16

Recombinante yyR_ Verde lisa 108 3/16

Recombinante Y_rr Amarela rugosa 101 3/16

Parental yyrr Verde rugosa 32 1/16

Razão de amarelo (dominante) e verde (recessivo) = 12:4 ou 3:1

Razão de lisa (dominante) e rugosa (recessiva) = 12:4 ou 3:1

• Fenótipo– Uma característica observável manifestada

por um organismo.– Esta característica pode ser controlada por


– Esta característica pode ser controlada por genes, pelo ambiente ou uma combinação de ambos.

7

www.ncbi.nlm.nih.gov

Fenótipo ao Genótipo:O caso das doenças de plantas

Planta hospedeira suscetível Fenótipo:

Sintomas

Fazza (2009)

8

Fitopatógeno agressivo

Ambiente favorável

Doença

Fazza (2009)

www.ent.iastate.eduedis.ifas.ufl.edu

• Avaliação de doenças


Severidade: área de tecido afetado

Incidência: porcentagem de plantas doentes


9ipm.illinois.edu

www.ent.iastate.eduars-grin.gov

eppo.org

• Métodos de avaliação de doenças


• chaves descritivas


10

• escalas diagramáticas

• análises de imagens por vídeo Angelotti et al. (2008)

www.cplbookshop.com

• O momento ideal para a avaliação


Ilustração AACPD

Sev

erid

ade

doen

ça (

%)

Progresso da doença

% In

fecç

ão


11Campbell & Madden (1991)

www.apsnet.org

Sev

erid

ade

doen

ça (

%)

Tempo Dias após inoculação

% In

fecç

ãoÁrea abaixo da curva de progresso da doença

• O avaliador...


Avaliar com PRECISÃO e ACURÁCIA

Sev

erid

ade

estim

ada

Ava

liado

res


12

images.mooseyscountrygarden.com

www.ars.usda.gov

Sev

erid

ade

estim

ada

Severidade observada

Ava

liado

res

Angelotti et al. (2008)

O caminho era do Fenótipo (sintoma) ao Genótipo


13farm4.static.flickr.com

yari.go.kr

Com a GENÔMICA há uma inversão...

– Disponibilidade de diversas ferramentasVias

metabólicas

SAGE

14

sequenciamento

ESTs

microarranjos

SNPs

Ferramentas da Genômica

15

4.800 amostras

www.illumina.com


16www.illumina.com

• Imensa base de dados administrada com auxílio da BIOINFORMÁTICA


17biocamp.googlepages.com

A Revolução Genômica ampliou nosso conhecimento sobre a genética dos

organismos.

Da genômica de plantas à prática de melhoramento

organismos.

18

Current Opinion in Biotechnology, 14, 214-219, 2003

Sequenciamento genômico + novas ferramentas para análise

de transcritos, proteínas e mutantes.

‘Arabidopsis 2010’

19http://www.nsf.gov/pubs/2002/bio0202/start.htm

1) Compreensão da função gênica com relação ao fenótipo.

2) Como os genes agem e interagem com o meio ambiente.

Da genômica de plantas à prática de melhoramento

meio ambiente.

20

Relacionar variação genética nas sequências de genes com a

variação fenotípica nas características de interesse para o

melhoramento.

Algo além de relacionar um gene e um mutante fenotípico!!

Objetivo:


Abordagens genômicas usadas para decodificar as bases moleculares da variação de

características quantitativas

Sequências de genes (ESTs)

Sequência do genoma

BioinformáticaPerfil mRNA

Perfil proteínaAtivação e inativação

gênica

FenótipoGene

21


Variação genética

Variação fenotípica

Papel dos alelos e

haplótipos

Genotipagem de DNA (SNPs)

Diversidade genética Mapas de ligaçãoMapeamento associativo

Mapas físicos/gênicos

Perfil metabólicoPerfil fenotípico

Características agronômicas Cultura

CélulaGen

étic

a qu

antit

ativ

a

Características genéticas

Sel

eção

ass

istid

a po

r m

arca

dore

sMeio ambiente

Tratos culturais

Planta no campo

Processo

Fen

otip

agem

22

Sequência de DNA

Célula

Genoma

Tecn

olog

ia d

e m

arca

dore

s

Marcadores moleculares

QTLGen

étic

a qu

antit

ativ

a

Função dos genes e rede de genes

Coleção de mutantes

Gen

ômic

a fu

ncio

nal

RNA Proteína Metabólitos

Modelo celularVias metabólicas, sinalização

Bio

info

rmát

ica

Adam-Blondon (2007)

Genótipo ao FenótipoGenótipo ao Fenótipo

23

Genótipo ao Fenótipo

24Fonte: www.genomenewsnetwork.org


• Série Alélica:– Uma coleção de mutantes distintos, que afetam um

único loco.– Frequentemente, mutações diferentes produzirão

fenótipos diferentes, fornecendo assim uma poderosaferramenta genética para dissecar a função gênica.

www.arabidopsis.org


ferramenta genética para dissecar a função gênica.

25

Seu acesso

aqui

Seu mutante

aqui


26

www.brachypodium.org



“Com a ‘Fenômica’, os cientistas de planta esperam transformar o melhoramento

numa linha de produção”Science, v. 325, p.380, 2009.

27

“O sonho do geneticista”

Ciclo de vida curto e genoma pequeno (1 par de

cromossomos)

Facilidade de se observar o efeito de uma mudança

genética

• Gramínea modelo para cereais como trigo e arroz e para plantas usadas para biocombustíveis.


• No entanto, apenas conhecer o genoma desta gramínea não revolucionará o melhoramento de plantas!!

28

Science, v. 325, p.380, 2009.

FenômicaFenômica

29

Fenômica

É o nome dado à ciência que pretende integrar a informação proveniente de

todas as ômicas numa visão holística do organismo por inteiro.organismo por inteiro.

30

www.plantphenomics.org.au

Fenômica

“Integrará a pesquisa multidisciplinar, com o objetivo de compreender as

consequências fenotípicas complexas das mutações genéticas

31

complexas das mutações genéticas de um organismo.”

Ciência do comportamento

GERLAI, R. Phenomics: fiction or the future? Trends in Neurosciences, v.25, n.10, 2002.

Fenômica

O número de fenótipos e o número de métodos

para se avaliar os fenótipos é enorme

32

Interferência do meio ambiente e ocorrência de

raças patogênicas

Testes padronizados!!

Fenômica

• Uso de técnicas de imagens

– Câmeras infravermelho para escanear perfis de temperatura

– Espectroscópios para medir taxas fotossintéticas

– LIDAR para estimar taxas de crescimento

– RMI para revelar a fisiologia de raízes

33

“Fenômica dará aos cientistas de plantas as ferramentas para desvendar a informação

codificada nos genomas”Mark Tester

Fenômica

Mark TesterDiretor da Empresa de Fenômica de Plantas da Austrália

34

Trabalho equivalente ao sequenciamento de DNA.

Science, v. 325, p.380, 2009.

‘Do tato à fenômica’

Melhoristas: habilidade em selecionar características sutis que melhoram a

performance da planta.

35

Habilidade e visão para lidar com características complexas

e sobrepostas

Science, v. 325, p.380, 2009.

Fenômica

36www.plantphenomics.org.au

1°Simpósio Internacional de Fenômica de Plantas

Do gene à forma e função

37www.plantphenomics.org

Imagem de fluorescência de clorofila como ferramenta para a compreensão do impacto de

doenças fúngicas na performance da plantaJulie Scholes

• Objetivo:� Determinar o impacto de fungos biotróficos e

necrotróficos na fotossíntese com resolução espacial e temporal.

38

e temporal.

• Como fungos patogênicos afetam a fotossíntese em interações compatíveis e incompatíveis– A. thaliana e Albugo candida

– Cereais e Blumeria graminis, Puccinia e Septoria

www.plantphenomics.org

Imagem de fluorescência de clorofila como ferramenta para a compreensão do impacto de

doenças fúngicas na performance da plantaJulie Scholes

Quando os sintomas visuais e ‘metabólicos’ da doenças podem ser

primeiramente detectados?

39

Como patógenos de diferentes modos de nutrição alteram o metabolismo

fotossintético do hospedeiro?

Imagens de raiz e interações na rizosfera para compreender os processos no campo e aumentar

a produtividade da culturaMichelle Watt, Rosemary White, John A. Kirkegaard, Richard A. Richards

Objetivos:Compreender as limitações no

campo, permitir a observação de raízes e microorganismos in situ

40www.plantphenomics.org

raízes e microorganismos in situ

em condições reais.

Como o fungo rizoctoniase torna mais patogênico

às raízes de trigo durante o inverno?

www.ufrgs.br

Um sistema de busca de alto-processamento para interações cevada X oídio baseado na análise de micrografias de luz

Alexander Ihlow, Patrick Schweizer, Udo Seiffert

APOIO À GENÔMICA FUNCIONAL

Objetivo:�Observar o funcionamento gênico em cevada e trigo sofrendo estresse biótico causado pelo fungo Blumeria graminis (oídio)

41BMC Plant Biology, v.8, n.6, 2008

Bombardeio da epiderme foliar com DNA:

•Expressão de genes desejáveis

GUSMlo

Um sistema de busca de alto-processamento para interações cevada/oídio baseado na análise de micrografias de luz


Na avaliação do experimento:

� Haustórios do fungo teriam que ser observados dentro das células transformadas,

indicando a penetração do fungo.

42BMC Plant Biology, v.8, n.6, 2008

Índice de suscetibilidade (IS):número de células transformadas infectadas

número total de células transformadas

ISRelação do gene testado

com o mecanismo de defesa da planta



Aquisição e análise de imagem

43

Micrografia de luz da epiderme foliar de cevada: Célula corada e transformada, apresentando

um haustório.

Microscópio óptico de luz operado por computador (capacidade para 8

lâminas).

24 lâminas por dia

BMC Plant Biology, v.8, n.6, 2008



Exemplos de células transformadas: esquerda e centro com haustório.

44

Esboços gerados automaticamente das imagens celulares.


Resultado da busca automatizada no silenciamento gênico induzido temporariamente.

IS r

elat

ivo

(% c

ontr

ole)

RNAi genes candidatos



45

Experimentos, distribuídos de acordo com o IS relativo

IS r

elat

ivo

(% c

ontr

ole)

RNAi genes candidatosRNAi gene Mlo




Mais de 300 genes candidatos

relacionados à defesa

46

Nova ferramenta de médio a alto processamento da fenômica na

cultura da cevada


PhenomicDB: banco de dados

47

www.phenomicdb.de/

RAPID: banco de dados

Banco de Dados de Informação do Fenoma de Arabidopsis RIKEN

Site de busca de dados fenotípicos em mutantes

de inserção

Observação de

48http://rarge.psc.riken.jp/phenome/

The Plant Journal 47, 640-651, 2006.

Observação de fenótipos visíveis

dependendo do estádio de desenvolvimento.

Classificação das descrições fenotípicas em categorias.

Três categorias para a pesquisa de características para a análise de fenoma

FÍSICA, QUÍMICA e BIOLÓGICA

49Plant Cell Physiology, 50(7), 1215–1231, 2009.

Bancos de dados de informações fenotípicas de mutantes de várias espécies

Espécies Bancos de dados Website

50Plant Cell Physiology 50(7): 1215–1231, 2009.

Scanalyzer 3 D: plataforma automatizada para reprodução de fenótipos para a fenômica de plantas

51

www.lemnatec.com

Considerações sobre a

FenômicaFenômica

52

‘Fenômica promete se introduzir na agricultura de precisão e no melhoramento preditivo’

53

de precisão e no melhoramento preditivo’Uli Schurr

Diretor do Instituto para Pesquisa da Fitosfera - Alemanha

Science, v. 325, p.380, 2009.

“Disciplina emergente da fenômica ajudará a fomentar a próxima revolução verde”

KramerLaboratório de Pullman

54

Com a fenômica “nós temos as ferramentas para dar saltos quânticos no melhoramento”

Robert FurbankDiretor do Centro de Fenômica de Plantas de Alta Resolução

HRPPC

Science, v. 325, p.380, 2009.

“Estas são as ferramentas que nós precisamos para alimentar e abastecer o mundo”

Robert FurbankRobert Furbank

55Science, v. 325, p.380, 2009.

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