Titulo:Melhoramento Genética De Plantas Medicinais
Autor: Itaciara Mendes Campos
INTRODUÇÃO
O melhoramento genético tem por objetivo otimizar geneticamente o teor e a composição de princípios ativos tanto por métodos genéticos clássicos quanto por métodos moleculares modernos.
Neste trabalho são abordados métodos clássicos e modernos de melhoramento de plantas medicinais visando obtenção de produtos de maior qualidade e quantidade, que serão utilizados em vários ramos industriais. Assim, a primeira parte aborda o melhoramento na área de plantas medicinais e a importância dos óleos essenciais, a segunda parte apresenta o melhoramento clássico, a terceira parte trata o melhoramento moderno e, finalmente, a quarta parte a plasticidade fenotípica.
PRIMEIRA PARTE:
MELHORAMENTO GENÉTICO DE PLANTAS MEDICINAIS
A principal fonte de plantas usadas como drogas na medicina tradicional e moderna está na flora silvestre dos países em desenvolvimento, sendo que somente uma pequena porção da matéria-prima é produzida sob cultivo (Elizabetsky e Costa-Campos, 1996; Soejarto, 1996). A coleção de plantas não-cultivadas possui desvantagens em relação às cultivadas por ocorrer identificação botânica incerta, disponibilidade decrescente, fornecimento instável, controle de qualidade falho, sendo passível a adulterações: havendo, por isso, interesse crescente em se utilizar métodos de cultivo para as plantas medicinais, a fim de manter controle mais rígido sobre a qualidade e idoneidade do produto, permitindo avançar com melhor aproveitamento da variabilidade contida nessas espécies empregando-se, para tanto, rigorosos métodos de seleção visando obter excelentes plantas produtoras de princípios ativos desejados (Palevitch, 1991).
As plantas medicinais são, via de regra, espécies de fácil cultivo, entretanto devem-se estabelecer condições que favoreçam a produção de fitofármacos e contribuam na sua maximização (Tétényi, 1982).Ao produzir essas plantas deve-se primar pela obtenção de produtos saudáveis e sempre de boa qualidade, pois esses serão utilizados para a melhoria da saúde (Martins et al., 1994). Esta qualidade é alcançada de forma satisfatória por meio do melhoramento genético dessas plantas, o qual pode ser clássico ou convencional e moderno ou não-convencional ou biotecnológico.
IMPORTÂNCIA DOS ÓLEOS ESSENCIAIS
Os óleos essenciais são usados para conferir aromas e odores especiais a diversos produtos alimentícios e de perfumaria. Também é grande o seu uso nos medicamentos como analgésicos, antissépticos, sedativos, expectorantes, estimulantes, estomáquicos, etc.
O mercado mundial desses óleos vem crescendo constantemente. Estima-se em 7,5% o seu crescimento entre os anos de 1987 e 1990 (Verlet, 1992).
Assim, numerosos programas de produção de óleos essenciais tem sido iniciados por organizações governamentais e internacionais em todo o mundo, não só visando espécies tradicionais como também novas espécies. Os países em desenvolvimento tem sido a principais fontes de óleos brutos, devido políticas de diversificação da produção e, também, de incremento das exportações ou redução de importações, procurando equilibrar a balança comercial ( Verlet,1993). Estima-se a produção brasileira de óleos essenciais em 45 milhões de dólares, o que corresponde a 13,1% da produção mundial.
O maior impecilho ao desenvolvimento de agroindústria produtora de óleos essenciais é a concorrência com similares sintéticos. Felizmente, a indústria que mais necessita de óleos essenciais, a alimentícia, tem substituído os produtos sintéticos por naturais, extraídos de plantas, em função das exigências atuais dos mercados (Verlet, 1993).
O rendimento de óleo essencial é avaliado com base na matéria seca, podendo ser muito variável, dependendo de diversos fatores internos e externos.
Os vegetais apresentam grande flexibilidade quimiossintética na produção das micromoléculas das misturas complexas que são os óleos essenciais. Para maximizar a produção dessas substâncias, é necessária tanto a seleção de genes, quanto a de ambientes. Sob o ponto de vista agronômico a possibilidades de manejo são muitas.
SEGUNDA PARTE:
MÉTODOS CLÁSSICOS
Hibridação
A hibridação visa aumento da variabilidade e transferência de genes, sendo que não tem sido empregada co freqüência em plantas medicinais, embora os híbridos naturais de várias espécies sejam bem conhecidos. As mentas e hortelãs (Mentha spp.) comerciais são híbridos, e por essa razão, muitas são propagadas vegetativamente (Balbaa, 1983). Assim, plantas que se reproduzem assexuadamente apresentam a vantagem de perpetuarem as combinações híbridas; em plantas medicinais, 35% se propagam dessa maneira (Ming e Lin, 1995).
A vantagem de se trabalhar com híbridos em plantas medicinais se deve à facilidade de se obter quimiótipos farmacoativos diversos e também pelo fato de que a maioria delas tem o ciclo curto. Sendo que a manutenção dos híbridos se dá por propagação vegetativa. Assim, os cruzamentos de indivíduos ou populações divergentes, de mesma espécie ou não, visam agrupar genes de interesse no material vegetal selecionado. Para tanto a hibridação pode ser intra e/ou interespecífica.
Hibridação Interespecífica
A maioria das espécies do gênero Ocimum origina-se da Ásia e possui grande valor econômico devido ao seu óleo essencial, utilizado nas indústrias farmacêuticas, alimentícias, de bebidas e de cosméticos (Passos et al.,2000). Anualmente, o comércio de óleos essenciais obtidos das espécies do gênero Ocimum, envolve cerca de 1,54 milhões de dólares (Verlet, 1993). Os óleos essenciais encontram-se nas folhas e inflorescências, em glândulas secretoras, e possuem como constituintes principais: estragol, linalol, cânfora e timol. Os óleos essenciais compreendem misturas complexas de substâncias voláteis e a análise de seus componentes pode ser realizada pela técnica de cromatografia em fase gasosa, por ser efetiva e permite obter bons resultados qualitativos e quantitativos (Bonato, 1990).
Variedades promissoras em quantidade e qualidade dos óleos essenciais já foram obtidas em programas d melhoramento do gênero Ocimum, por meio de cruzamentos intra e interespecíficos. Esses programas visam, em particular, o aumento da concentração dos constituintes químicos principais do óleo essencial e à obtenção de cultivares adaptáveis às condições de plantio (Sobti e Pushpangandan, 1982).
Híbridos interespecíficos, considerados promissores, ricos em constituintes do óleo essencial, com elevados teores de eugenol, metil-chavicol, cinamato de metila ou timol foram obtidos por Sobti e Pushpangandan (1982). Foi obtido bom resultado no cruzamento interespecífico entre Ocimum gratissimum x O. sanctum, utilizando O. gratissimum como genitor recorrente. Esse híbrido foi denominado “Clossimum” considerado exemplo de melhoramento de Ocimum, com alta produtividade (160 kg de óleo essencial/ano/há, em dois ou três cortes anuais) e contituintes de interesse (60ª80% de eugenol no óleo essencial) (Gupta, 1994).
Híbridos intraespecíficos de Ocimum gratissimum foram obtidos de indivíduos de populações ricas em eugenol. Selecionaram-se os indivíduos superiores em dois grupos, sendo que o primeiro grupo apresentou teor de eugenol no óleo essencial variando de 55 a 70%, ao passo que no segundo grupo a variação foi de 75 a 80% (Sobti et al., 1982).
Como a reprodução das espécies de Ocimum é de forma sexuada, realizada por frutos do tipo aquênio, ou do tipo assexuada, por estacas de ramos não floridos (Martins et al., 1994), a manutenção desses híbridos pode ser feita de forma assexuada, por estacas de ramos não floridos.
Hibridação Intraespecífica
O interesse na espécie Artemisia annua se deve ao fato de apresentar o antimalárico artemisina. A malária é uma das maiores causas de morte no mundo, com 270.000.000 casos or ano e 2.000.000 a 3.000.000 mortes (Klayman, 1993); sendo que no Brasil ocorrem 500.000 casos por ano. Drogas tradicionalmente utilizadas no controle do Plasmodium, tais como cloroquina e mefloquina, são pouco eficazes devido à resistência do parasita (Chan et al., 1995; Magalhães et al., 1997). Na China, na década de 60, o estudo de novas drogas antimaláricas resultou na identificação do composto endoperóxido da lactona sesquiterpênica, denominada “qinghaosu” ou artemisinina, extraída das folhas de Artemisia annua. A produção de artemisinina de materiais vegetais de localidades da China tem sido determinada. Em plantas da área de Shin Yan observou-se a produção média de 0,947% (peso/peso) (Klayman,1993). Como a síntese dessa substância é difícil e cara, a produção agrícola de Artemisia annua tem sido estudada com o objetivo de se encontrar o sistema mais econômico de obter artemisinina (Chan et al., 1995; Magalhães et al., 1997).
O interesse nessa espécie é devido ao composto artemisinina que fica armazenado em glândulas especiais presentes na superfície das folhas e ramos. As metodologias usadas na detecção e quantificação da artemisinina são várias, dentre elas destacam-se a cromatografia em fase gasosa (CG) e cromatografia líquida de alta eficiência com detecção eletroquímica ( HPLC- EC) ( Ferreira, 1998).
A Artemisia annua provavelmente é nativa de China e a primeira introdução no Brasil apresentou resultados heterogêneos. Houve baixa produção e florescimento precoce, o que foi atribuído ao fotoperíodo. Visto que há grande variabilidade na espécie, a pesquisa foi direcionada à pesquisa e o melhoramento, priorizando genótipos de florescimento tardio, alto conteúdo de artemisinina e alta produção de biomassa foliar. Isto só foi iniciado após estudos básicos de biologia reprodutiva dessa espécie. De fato, o processo de domesticação de novas espécies necessita de alguns ensaios biológicos e agronômicos, além da caracterização da variação de princípio ativo, pois com dias com luminosidade superior a 13h ou inferior a 11h há somente crescimento vegetativo (Magalhães et al., 1997) o que impossibilita realizar polinizações nestas condições.
O trabalho de pesquisa realizado na MEDIPLANT (Suíça) e no CPQBA-UNICAMP (Brasil) seleciona, há cerca de 8 anos, populações silvestres com teor médio e artemisinina de 0,1 a 0,3%. Após a fase inicial de seleção e hibridação obtiveram-se plantas com 1% de artemisinina, além de ganhos em biomassa (Magalhães et al., 2000). Na segunda fase foi executada a seleção visando adaptação às condições climáticas brasileiras, ou seja, selecionaram-se plantas com florescimento tardio em comprimento de dia curto (Magalhães et al., 1997).
Mutação
A mutação é a alteração na seqüência de genes do DNA ou no número cromossômico. Ela pode ser causada por agentes químicos ou físicos. Estima-se que a taxa de mutação natural seja de 10-6 o que limita o uso de mutações espontâneas no melhoramento. Uma solução deste problema seria o uso de mutações induzidas, cuja taxa é estimada em 10-3. Entretanto, a mutação é aleatória, cara e a identificação dos mutantes nem sempre é possível havendo necessidade de se analisar populações com grande número de indivíduos, além do que, a maioria das mutações são deletéricas ou mesmo silenciosas, não sendo fenotipicamente visíveis, daí ela deve ser usada quando se tem em vista caracteres facilmente detectáveis.
A mutação é fonte de variabilidade genética. Pode ocorrer por maneira natural ou ser induzida por agentes físicos ou químicos, gerando indivíduos com variação genética e/ou cromossômica. Caso a mutação seja nos genes, é denominada mutação gênica, caso ocorra aumento no número cromossômico é denominada poliploidia. Atua como fonte extra de variabilidade quando os indivíduos apresentam reprodução sexuada, já em indivíduos com reprodução assexuada as mutações são, basicamente, a fonte de variabilidade dentro de uma população clonal possibilitando a seleção de indivíduos em programas de melhoramento (Raev et al., 1996). A vantagem da mutação está na possibilidade de se ter codificação de compostos novos devido a alteração gênica ou do aumento de órgãos de interesse devido a poliploidia o que, por conseguinte, aumenta a produção do componente. As desvantagens das mutações se devem ao fato de que a maioria são deletéricas ou causam diminuição da fertilidade, ou seja, produz poucos órgãos reprodutivos e, se o fruto ou a semente forem o produto de interesse, têm-se esta limitação (Suzuki et al., 1992).
Poliploidia
Camomila (Chamomilla recutita)
O interesse da camomila está nos óleos essenciais extraídos de seus capítulos florais, pois nos receptáculos florais, invólucros das brácteas, hastes e estigmas das flores tubulares (centrais) localizam-se canais esquizogênicos e glândulas multicelulares que sintetizam e armazenam óleos (Salamon, 1994).
Cerca de 120 componentes químicos têm sido identificados na planta de camomila, por exemplo, 28 terpenóides (os mais importantes dentro desta área é alfa-bisabol, camazuleno, farneseno, óxidos-bisabol), 36 flavonóides (apigenina, luteolina, etc.) e 52 outros compostos (ácidos orgânicos, cumarinas, colina, etc.). Tem sido lembrado que esta pesquisa dos componentes químicos não está completa (Salamon, 1994). O chá das flores desta erva é um dos remédios caseiros mais eficazes. Estima-se que 1.000.000 de xícaras de chá de camomila são consumidos diariamente em todo o mundo (Tyler, 1993).
O processamento químico da camomila com propósito industrial origina-se da produção com qualidade de matéria-prima bruta obtida de quimiotaxas bem definidas com relação ao espectro e à proporção de compostos ativos. Esta é uma das razões do cultivo de plantas oriundas do melhoramento tornarem-se questões de tão grande importância. Com relação à camomila, segundo Sváb (1983), duas condições decisivas devem ser consideradas: (a) composição química dos táxons de camomila; (b) época de florescimento dos cultivares.
Quanto à composição química, o conteúdo e a composição do óleo de camomila são dependentes do genótipo (quimiótipo), condições ecológicas e estádios de desenvolvimento.
As pesquisas sobre a importância dos óleos essenciais foram acompanhadas por trabalhos de melhoramento visando aumento no conteúdo dos componentes ativos (Sváb, 1983). Esse autor relata as pesquisas de 25 anos de melhoramento da camomila na Hungria, e que resultam no diplóide selecionado de uma população local e no tetraplóide, denominado de cultivar Bk2 (Quadro 1).
Quadro 1 – Características avaliadas em camomila (Chamomila recutita) diplóide e tetraplóide
Características Diplóide Tetraplóide (Bk2)
(2x = 18 cromossomos) (4x = 36 cromossomos)
Teor de bisabol alto baixo
Dimensão das flores pequena grande
Teor de óleo essencial 0,6 a 0,8 % 0,9 a 1,1 %
Camazuleno no óleo 6 a 8 % 15 a 20 %
(média)
Porte baixo alto
Adaptado de Svab, 1983
TERCEIRA PARTE
MÉTODOS MODERNOS
A existência de sistemas eficientes de regeneração de novo de plantas a partir de células, tecidos ou órgãos vegetais é pré-requisito essencial na aplicação de técnicas modernas em biotecnologia no melhoramento genético. Com o intuito de aumentar a produção de fitofármacos com trabalhos de cultivo in vitro existem três linhas principais de ação: produção de metabólitos secundários in vitro por cultura de células, micropropagação e transformação genética (Lowe et al., 1996).
A produção de metabólitos secundários in vitro fornece evidências no estudo das vias metabólicas dos fitofármacos e permite maximizar a produção pela seleção de linhagens e/ ou pela transformação. A micropropagação fornece oportunidade de reproduzir genótipos superiores selecionados em menor tempo e em grande quantidade. Estas linhas de ação são úteis, principalmente, quando se tratam de plantas de ciclo muito longo ou que apresentam dificuldade d reprodução ou mesmo se encontra em perigo de extinção.
Segundo Crocomo e Melo (1991), a cultura de células vegetais constitui-se em fonte potencial de síntese de moléculas altamente valiosas às indústrias de alimentos, cosméticos, fármacos e têxteis, as quais têm utilizado as plantas como matéria prima de seus produtos (Quadro 2).
Quadro 2 – Substâncias derivadas de cultura de células vegetais.
Produto Industriais
Antioxidantes Gomas Perfumes
Aromatizantes Inseticidas Pigmentos
Fármacos Óleos Vitaminas
Além de sintetizarem e acumularem metabólitos secundários de significância comercial, as células vegetais podem ser usadas devido à capacidade de realizarem alterações estruturais nesses compostos, ou seja, de promoverem a biotransformação. A biotransformação envolve processos bioquímicos de epoxidação, esterificação, glicosilação, hidroxilação, isomerização, oxidação, redução, saponificação etc. (França, 1993) (Quadro 3).
Quadro 3 – Produtos comercialmente viáveis obtidos por biotransformação via cultura de células vegatais.
Espécies Reações Substratos Produtos
_________________________________________________________________________Cannabis sativa Oxidação Geraniol Nerol
Datura spp. Esterificação Tropina Acetiltropina
Digitalis spp. Hidroxilação__ Digitoxina Digoxina
Digitalis spp. Glicosilação Gitoxigenina Gitoxina
Mentha spp. Redução Mentona Neomentona
Ruta graveolens Epoxidação Hidroxicumarinas Furanocumarinas
Adaptado de França, 1993.
QUARTA PARTE:
PLASTICIDADE FENOTÍPICA
Influências da plasticidade fenotípica na adaptabilidade, produtividade e estabilidade de produção vegetal
A plasticidade fenotípica foi definida, segundo Bradshaw (1965), como a variação da expressão fenotípica de um genótipo em resposta aos diferentes ambientes, sendo, portanto, a intensidade dessa mudança à expressão da plasticidade, específica do genótipo. Esse mesmo autor subdividiu a plasticidade em dois tipos fundamentais: fisiológica e morfológica. A primeira é reversível e associa-se a efeitos fisiológicos não resultando em alterações morfológicas, ao passo que a segunda é irreversível e relacionam-se modificações morfológicas.
O mecanismo da plasticidade fenotípica ainda não foi esclarecido. Entretanto, há várias hipóteses que tentam explicá-lo. Segundo Scheiner (1993), foram descritos três modelos principais de plasticidade: modelo da superdominância, da pleiotropia e da epistasia, sendo estes não mutuamente exclusivos.
Estévia (Stevia rebaudiana)
Possui os seguintes componentes químicos: esteviosídeos, rebaudiosídeos e dulcosídeos, saponinas, óleos essenciais e taninos (Panizza, 1997).
O esteviosídeo, adoçante não-calórico com poder edulcorante 300 vezes maior que o da sacarose, adoçante calórico, é obtido apenas da erva, não sendo ainda possível sua síntese química. Geralmente a concentração do esteviosídeo atinge cerca de 3 a 10 % do peso seco da folha (Stefanini, 1998).
Em dias longos comparados a dias curtos a produção de esteviosídeo é dobrada sendo 72 g/kg de tecido foliar seco, comparado com somente 36 g/kg em dias curtos. A proporção de esteviosídeo nos açúcares solúveis totais também aumenta significativamente passando de 29% em dias curtos a 40% em dias longos (Viana, 1981). Neste caso, a época da colheita da estévia é muito importante visando a maior produção do esteviosídeo. Este caráter plástico, devido ao fotoperíodo, pode ser analisado com mais rigor em ambientes controlados de casa de vegetação ou laboratórios que possam simular dias longos e dias curtos.
A engenharia genética tem dado contribuições significativas ao desenvolvimento de variedades ou cultivares com alta produção de princípios ativos, principalmente, pelo fato de que a especificidade espaço-temporal de síntese destes compostos não constituir fator limitante na produção de fitofármacos (Lewinsohn, 1996). Assim conclui-se que, diversos avanços foram alcançados e vários desafios têm sido vencidos; sendo que há, ainda, bastante o que se fazer em se tratando de biotecnologia aplicada ao melhoramento de plantas medicinais.
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CRÉDITOS:
Este material foi retirado direto do site da UFV - Universidade Federal de Viçosa
Endereço Official: http://www.ufv.br/dbg/bio240/Melhoramento%20Gen%E9tico%20de%20Plantas%20MedicinaisITA33349.htm
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