miniaturadaimagem|292x292px|Um especialista segura as sementes de sorgo que passaram cerca de cinco meses na Estação Espacial Internacional como parte de um projeto de investigação para explorar os efeitos da radiação cósmica e das condições adversas do espaço na mutação genética das culturas. O melhoramento genético por mutação é o processo de exposição de sementes a produtos químicos, radiação ou enzimas para gerar organismos mutantes com características desejáveis para serem cruzados com outras cultivares. As plantas criadas por meio de mutagênese são às vezes chamadas de plantas mutagênicas ou sementes mutagênicas.
De 1930 a 2014, mais de 3.200 variedades de plantas mutagênicas foram lançadas que foram obtidas como mutantes diretos (70%) ou de sua progênie (30%). As culturas agrícolas representam 75% das espécies mutagênicas lançadas, sendo os 25% restantes plantas ornamentais ou decorativas. No entanto, embora a FAO/AIEA tenha relatado em 2014 que mais de 1.000 variedades mutantes das principais culturas básicas estavam sendo cultivadas em todo o mundo, não está claro quantas dessas variedades são atualmente usadas na agricultura ou horticultura em todo o mundo, já que essas sementes nem sempre são identificadas ou rotuladas como tendo uma proveniência mutagênica.
História De acordo com a historiadora de jardins Paige Johnson:Após a Segunda Guerra Mundial, houve um esforço coordenado para encontrar usos “pacíficos” para a energia atômica. Uma das ideias era bombardear plantas com radiação para produzir muitas mutações, na esperança de que algumas delas levassem ao surgimento de plantas que dessem mais frutos, fossem resistentes a doenças ou ao frio, ou simplesmente tivessem cores incomuns. Os experimentos foram realizados principalmente em imensos “jardins gama” nos terrenos de laboratórios nacionais dos Estados Unidos, mas também na Europa e em países da então URSS.
Processos Existem diferentes tipos de melhoramento mutagênico, como o uso de agentes químicos mutagênicos como metanossulfonato de etila e sulfato de dimetila, radiação ou transposons para gerar mutantes. O melhoramento por mutação é comumente usado para produzir características em culturas agrícolas, como sementes maiores, novas cores ou frutas mais doces, que não podem ser encontradas na natureza ou foram perdidas durante a evolução.
Radiação A exposição de plantas à radiação é às vezes chamada de melhoramento por radiação e é uma subclasse do melhoramento mutagênico. A reprodução por radiação foi descoberta na década de 1920, quando Lewis Stadler, da Universidade do Missouri, usou raios X em milho e cevada. No caso da cevada, as plantas resultantes eram brancas, amarelas, amarelo-claras e algumas tinham listras brancas. Em 1928, Stadler publicou pela primeira vez suas descobertas sobre mutagênese induzida por radiação em plantas.Atomic Gardens: Public Perceptions & Public Policy , Life Sciences Foundation Magazine, Spring 2012. Durante o período de 1930 a 2024, variedades mutantes induzidas por radiação foram desenvolvidas principalmente usando raios gama (64%) e raios X (22%), embora outras fontes de radiação, como microondas ou fótons e elétrons de alta energia, possam ser aplicadas.
A reprodução por radiação ocorre na jardinagem atômica,Atomic Gardens: Public Perceptions & Public Policy , Life Sciences Foundation Magazine, Spring 2012. uma técnica desenvolvida após a Segunda Guerra Mundial que expõe plantas à radiação, particularmente usando raios gama, em locais chamados "jardins gama", cientistas esperavam gerar variedades com características úteis, além disso, sementes foram enviadas para a órbita a fim de expô-las a mais radiação cósmica.
Ultravioleta tem sido usado, por exemplo, para produzir knockouts para a investigação de mecanismos de virulência de patógenos de plantas.
Melhoramento no espaço A capacidade das plantas de se desenvolverem e prosperarem no espaço depende de condições como microgravidade e radiação cósmica. A China vem experimentando essa teoria enviando sementes ao espaço, testando se voos espaciais causarão mutações genéticas. Desde 1987, a China cultivou 66 variedades mutantes do espaço por meio de seu programa de melhoramento espacial. As aberrações cromossômicas aumentaram consideravelmente quando as sementes foram enviadas ao espaço, em comparação com suas contrapartes terrestres. O efeito do voo espacial nas sementes depende de sua espécie e variedade. Por exemplo, o trigo criado no espaço apresentou um grande crescimento na germinação de sementes em comparação com seu controle terrestre, mas o arroz criado no espaço não apresentou vantagem visível em comparação com seu controle. Para as variedades que sofreram mutação positiva pelo voo espacial, seu potencial de crescimento excedeu não apenas o de suas contrapartes terrestres, mas também o de suas contrapartes irradiadas na Terra.
Comparadas às técnicas mutagênicas tradicionais, as mutações criadas no espaço têm maior eficácia, pois experimentam efeitos positivos em sua primeira geração de mutação, enquanto as culturas irradiadas frequentemente não apresentam mutações vantajosas em suas primeiras gerações. Embora múltiplos experimentos tenham demonstrado os efeitos positivos do voo espacial na mutação de sementes, não há uma conexão clara sobre qual aspecto aeroespacial produziu tais mutações vantajosas. Há muita especulação sobre a radiação cósmica ser a fonte de aberrações cromossômicas, mas até o momento, não há evidências concretas de tal conexão.
Embora o programa de melhoramento espacial da China tenha se mostrado muito bem-sucedido, o programa requer um grande orçamento e suporte tecnológico que muitos outros países não estão dispostos ou não podem fornecer, o que significa que este programa é inviável fora da China. Devido a tais restrições, os cientistas têm tentado replicar as condições espaciais na Terra a fim de promover as mesmas mutações espaciais convenientes na Terra. Uma dessas replicações é um espaço livre de campo magnético, que produz uma área com um campo magnético mais fraco do que o da Terra. O tratamento com essa técnica produziu resultados mutagênicos e tem sido usado para cultivar novas variedades mutantes de arroz e alfafa. Outras simulações das condições do espaço incluem a irradiação de sementes por um feixe pesado de íons de lítio-7 ou por partículas mistas de alta energia. Estas variedades criadas no espaço já estão a ser apresentadas ao público. Em 2011, durante a Exposição Nacional de Flores de Lótus na China, uma flor de lótus mutante, chamada "Sol do Espaço Exterior", foi exibida na exposição de flores.
Tecnologia de feixe de íons Feixes de íons causam mutação no DNA ao deletar múltiplas bases do genoma. Em comparação com fontes tradicionais de radiação, como raios gama e raios X, feixes de íons demonstraram causar quebras mais severas no DNA, que são mais difíceis de recompor, fazendo com que a mudança no DNA seja mais drástica do que as mudanças causadas pela irradiação tradicional. Feixes de íons mudam o DNA de uma maneira que o faz parecer muito diferente de sua composição original, mais do que quando técnicas tradicionais de irradiação são usadas. A maioria dos experimentos usando tecnologia de feixe de íons foi conduzida no Japão. Instalações notáveis que usam essa tecnologia são o Aceleradores de Íons de Takasaki para Aplicações Avançadas de Radiação (TIARA) da Agência Japonesa de Energia Atômica, o Centro de Pesquisas com Aceleradores da RIKEN (Instituto de Pesquisa Física e Química) e diversas outras instituições japonesas. Durante o processo de radiação de feixe de íons, as sementes são colocadas entre dois filmes kapton e irradiadas por aproximadamente dois minutos. As frequências de mutação são notavelmente mais altas para radiação de feixe de íons em comparação com radiação de elétrons, e o espectro de mutação é mais amplo para radiação de feixe de íons em comparação com radiação de raios gama. O espectro de mutação mais amplo foi revelado através da quantidade amplamente variada de fenótipos de flores produzidos por feixes de íons. Flores mutadas pelos feixes de íons exibiram uma variedade de cores, padrões e formas. Através da radiação do feixe de íons, novas variedades de plantas foram cultivadas. Essas plantas tinham as características de serem resistentes à luz ultravioleta B (UV-B), resistentes a doenças e deficientes em clorofila . A tecnologia de feixe de íons tem sido usada na descoberta de novos genes responsáveis pela criação de plantas mais robustas, mas seu uso mais prevalente é comercialmente para a produção de novos fenótipos de flores, como crisântemos listrados.
Pólen maduro tratado com radiação gama A radiação gama é tem sido usada no pólen de arroz maduro para produzir plantas progenitoras usadas para cruzamento. As características mutadas nas plantas progenitoras podem ser herdadas por suas plantas descendentes. Como o pólen de arroz tem uma vida útil muito curta, os pesquisadores tiveram que lançar raios gama em espigas cultivadas de plantas de arroz. Por meio de experimentos, foi revelado que havia uma maior variedade de mutações no pólen irradiado do que em sementes secas irradiadas. O pólen tratado com 46 Gy de radiação gama mostrou um aumento no tamanho geral do grão e outras variações úteis. Tipicamente, o comprimento de cada grão era maior após o cruzamento das plantas de arroz parentais irradiadas. A progênie do arroz também apresentou uma aparência menos opaca, melhorando em relação à aparência das plantas-mãe. Essa técnica foi usada para desenvolver duas novas cultivares de arroz, Jiaohezaozhan e Jiafuzhan, na China. Além de facilitar a criação dessas duas cultivares de arroz, a irradiação de pólen de arroz maduro produziu cerca de duzentas linhagens de arroz mutantes. Cada uma dessas linhagens produz grãos de arroz de maior qualidade e tamanho. As mutações produzidas por essa técnica variam a cada geração, o que significa que a reprodução posterior dessas plantas mutadas pode produzir novas mutações. Tradicionalmente, a radiação gama é usada apenas em plantas adultas, e não em pólen. A irradiação de pólen maduro permite que plantas mutantes cresçam sem contato direto com a radiação gama. Essa descoberta contrasta com o que se acreditava anteriormente sobre a radiação gama: que ela só poderia provocar mutações em plantas e não em pólen.
Substâncias químicas Altas taxas de aberrações cromossômicas resultantes da radiação ionizante e os efeitos prejudiciais acompanhados fizeram os pesquisadores procurarem fontes alternativas para induzir mutações. Como resultado, uma série de mutagênicos químicos foi descoberta. Os mutagênicos químicos mais amplamente usados são os agentes alquilantes . O metanossulfonato de etila (EMS) é o mais popular devido à sua eficácia e facilidade de manuseio, especialmente sua desintoxicação por hidrólise para descarte. Os compostos nitrosos são os outros agentes alquilantes amplamente usados, mas são sensíveis à luz e mais precauções precisam ser tomadas devido à sua maior volatilidade. O EMS tornou-se um mutágeno comumente utilizado para desenvolver um grande número de mutantes para triagem, como no desenvolvimento de populações TILLING. Embora muitos produtos químicos sejam mutagênicos, apenas alguns foram usados no melhoramento prático, pois as doses precisam ser otimizadas e também porque a eficácia não é alta em plantas para muitos.
Enzimas de restrição