Escola Prof. Reynaldo dos Santos Vila Franca de Xira
Biologia
12º ano
turma A
Maio 2015
Dimorfismo sexual e ciclo de vida em Drosophila
melanogaster João Abreu; Nuno Faria; Pedro Oliveira; Tânia Marques
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Dimorfismo sexual e ciclo de vida em Drosophila melanogaster Índice
Introdução teórica ....................................................................................................................................... 3 A utilização da Drosophila melanogaster em estudos genéticos ............................................................... 3 Dimorfismo sexual na Drosophila melanogaster....................................................................................... 3 Genética .................................................................................................................................................. 5 Genética clássica (regras da hereditariedade) .......................................................................................... 6 Processo utilizado por Mendel ................................................................................................................. 6 Trabalhos de Mendel com Monoibridismo ............................................................................................... 6 Trabalhos de Mendel com diibridismo ..................................................................................................... 7 Conclusões de Mendel ............................................................................................................................. 8 Genética molecular .................................................................................................................................. 8 Mutações ................................................................................................................................................. 9 Objetivos ....................................................................................................................................................10 Material ......................................................................................................................................................10 Procedimento experimental .......................................................................................................................12 Resultados ..................................................................................................................................................14 Discussão de resultados ..............................................................................................................................14 Referências .................................................................................................................................................15
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Dimorfismo sexual e ciclo de vida em Drosophila melanogaster Introdução teórica A Drosophila melanogaster, mais conhecida como mosca do vinagre é uma das espécies de animais mais utilizados em estudos biológicos, mais propriamente na área de genética. Esta espécie encontra-se taxonomicamente classificada da seguinte forma:
Reino: Animalia Filo: Arthropoda Classe: Insecta Ordem: Diptera Família: Drosophilidae Género: Drosophila Espécie: Drosophila melanogaster
Fig.1- Drosophila melanogaster
A utilização da Drosophila melanogaster em estudos genéticos São diversas as vantagens em utilizar esta espécie para a análise genética, pode ser utilizada nas investigações científicas com um elevado grau de complexidade ou em estudos básicos da genética. A Drosophila melanogaster é intensivamente estudada em todo o mundo, ficando completamente sequenciado todo o seu genoma no ano 2000. Em grande parte dos estudos genéticos é utilizado este inseto por diversas razões. A Drosophila melanogaster mantém-se facilmente em laboratório e é de fácil manuseamento. É muito abundante, sendo por isso a sua captura uma tarefa fácil. Reproduz-se muito rapidamente e sem serem necessários muitos cuidados. O meio de cultura é pequeno e as exigências nutricionais são poucas. A morfologia do inseto é facilmente observável com uma lupa a uma ampliação de 20-40 vezes. Apresenta um ciclo biológico curto, cerca de 10 a 12 dias, a uma temperatura compreendida no intervalo 18-25 graus Celcius. O seu genoma é totalmente conhecido e apresenta apenas quatro pares de cromossomas.
Dimorfismo sexual na Drosophila melanogaster A Drosophila melanogaster adulta, tal como todos os artrópodes, possui um exosqueleto quitinoso. O seu corpo está dividido em três partes: cabeça, tórax e abdómen. A mosca de forma selvagem mede cerca de 3mm de comprimento e 2 mm de largura, tem olhos vermelhos e asas compridas. A boca desta espécie está desenvolvida de modo a ser capaz de sugar líquidos, como forma de se alimentar. É caracterizada por ter olhos vermelhos, asas compridas e riscas pretas no seu abdómen. Porém, existem formas mutantes desta espécie, em que ocorrem alterações a nível da cor dos olhos ou do tamanho das asas, por exemplo. A Drosophila melanogaster adulta apresenta um acentuado dimorfismo sexual. Os machos, de menor porte que as fêmeas, tem a extremidade do abdómen arredondada, enquanto o abdómen das fêmeas tem um formato mais alongado. Os machos têm nas patas dianteiras um conjunto de pelos mais grossos, denominado de pente sexual, que auxilia no momento da fecundação, bem como uma zona mais escura na extremidade do abdómen. Este pente sexual é inexistente nas fêmeas, pelo que
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Dimorfismo sexual e ciclo de vida em Drosophila melanogaster também constitui um fator de distinção entre os dois géneros sexuais, assim como a coloração abdominal, visto que o abdómen das fêmeas tem uma tonalidade mais clara.
Fig. 2 – Diferenças fisionómicas existentes entre Drosophila melanogaster fêmea e macho
Ciclo de vida na Drosophila melanogaster A Drosophila melanogaster tem um ciclo de vida diplóide de curta duração, durando cerca de 12 dias desde a fase de ovo à fase adulta. O seu ciclo de vida compreende quatro principais fases: fase de ovo, fase larvar, fase de pupa e fase adulta. A duração de cada uma destas fases varia de acordo com a temperatura a que se encontra o meio de cultura. A uma temperatura de 20 °C, todo o ciclo dura cerca de 15 dias. Temperaturas inferiores a 15 °C podem originar a morte das moscas, sendo que a temperatura ótima de cultura das mesmas é de 25 °C, em que o seu ciclo de vida dura entre 10 a 12 dias, aproximadamente. Fase de ovo: Esta é a primeira fase do ciclo de vida deste inseto. O ovo mede cerca de 0,5 mm e é depositado sobre uma superfície onde consiga adquirir alimento. Uma fêmea adulta chega a depositar 50 a 75 ovos por dia, após a fecundação, nos primeiros dias, havendo depois um declínio na produção dos mesmos. Esta fase dura cerca de 1 dia, a uma temperatura de 25 °C. Fase larvar: Do ovo emerge a larva, branca, segmentada e vermiforme, com cerca de 5 mm. Nas duas primeiras fases larvares, a larva muda de pele, e continua a alimentar-se. Na terceira fase larvar, esta procura uma superfície seca, e pára de se alimentar, preparando-se para a fase de pupa. A fase larvar dura cerca de 4 dias a uma temperatura de 25 °C. Fase de pupa: Após a procura de um lugar seco, a larva envolve-se por um casulo rígido, e as estruturas larvares começam a ser modificadas para as estruturas características da fase adulta. Esta estrutura é denominada de pupa, e tem de dimensão cerca de 3 mm. Esta fase tem a duração de cerca de 4 dias a uma temperatura de 25 °C. Fase adulta: A fase adulta é considerada a fase reprodutora do ciclo. A mosca adulta mede cerca de 2mm, e tem as suas estruturas características já formadas (corpo, asas,…). Nos primeiros dias tem o corpo mais claro, mas após esta fase inicial, este adquire uma tonalidade mais escura.
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Fig.3- Ciclo de vida da Drosophila melanogaster
Genética A genética é a ciência que examina os mecanismos que governam a hereditariedade das características genéticas dos seres vivos e a sua transmissão à sua descendência. Dentro desse campo, é muitas vezes feita a distinção entre a genética geral ou clássica, que lida sobretudo com os aspetos formais da hereditariedade, e a genética molecular, que investiga os fenómenos subjacentes à hereditariedade ao nível molecular. As informações genéticas que descodificam certas características genéticas estão contidas nos genes, a unidade fundamental da hereditariedade. Estes encontram-se inseridos nos cromossomas (estruturas formadas por ADN e proteínas).A informação genética é representada pela ordem dos nucleóticos no interior do gene. O conjunto de toda a informação genética contida nos genes de um organismo constitui o seu genótipo. Daí resulta o fenótipo, a aparência efetiva do organismo, que é originado pelas interações entre o genótipo e as influências ambientais internas e externas. Conclui-se então que, organismos com genótipos idênticos não têm necessariamente o mesmo fenótipo. Existem seres vivos com conjuntos duplos de cromossomas (caso do humano) que têm duas cópias de cada cromossoma (cromossomas homólogos), são chamados de diploides. Têm por isso duas informações para uma característica, ou seja, dois alelos para cada gene. Se esse alelos forem iguais, o organismo disse-se homozigótico para essa característica, por outro lado, se os alelos forem diferentes, organismo diz-se heterozigótico para essa característica. Existem alelos cujo efeito é anulado por outros, chamam-se alelos recessivos e quando ambos os alelos de um dado gene influenciam o fenótipo, chama-se codominância. Por outro lado, há também indivíduos chamados de haploides porque possuem n cromossomas, ao contrário dos seres diploides que têm 2n cromossomas. A Drosophila melanogaster é um individuo diploide. Página 5 de 15
Dimorfismo sexual e ciclo de vida em Drosophila melanogaster Genética clássica (regras da hereditariedade) A genética clássica é o estudo das leis da hereditariedade, tendo sido um monge chamado Gregor Mendel, o primeiro geneticista. Ele formulou as primeiras leias da genética, durante o século XIX. De seguida, descrever-se-á todo o método de Mendel e as suas conclusões. Processo utilizado por Mendel Inicialmente, Mendel realizou as suas experiências usando ervilheiras-bravas homozigóticas, que apenas diferiam nalguns caracteres tais como, a cor da flor. Esta espécie de ervilheira é de fácil cultivo, apresenta características (fenótipo) bem marcantes e contrastantes, produz um elevado número de descendentes e a presença de uma corola cuja estrutura possibilita o controlo da polinização, visto que, a disposição das suas pétalas evita a entrada de pólen de outras plantas. Mendel cruzou diferentes variedades e efetuou análises estatísticas. Os seus resultados mostraram regularidades a partir das quais ele deduziu duas leis, agora conhecidas como as leis de Mendel. Mendel começou os seus estudos pela análise das ervilheiras de modo a encontrar caracteres e características apropriadas para as suas experiências. Procurou caracteres bem definidos, dentro dos quais era possível definir características distintas. Segue-se uma ilustração com as características que Mendel selecionou para o seu estudo.
Fig. 4 - Carateres e características selecionadas por Mendel para as suas experiências com ervilheiras bravas.
Com base nas suas observações, Mendel formulou o conceito de linhagem pura, em que os descendentes, por autofecundação, ao longo de várias gerações apresentavam sempre a mesma característica para um dado caráter.
Trabalhos de Mendel com Monoibridismo Nas suas experiências, Mendel começou por estudar a transmissão de apenas um caráter. Selecionou um caráter e prosseguiu a sua experiência utilizando apenas linhagens puras no que diz respeito a esse caráter.
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Dimorfismo sexual e ciclo de vida em Drosophila melanogaster Escolheu linhagens puras de um dado caráter, designou-as de geração parental (geração P) e transferiu pólen de uma linhagem para o estigma de flores de outra linhagem (polinização artificial). As plantas e as sementes resultantes da primeira polinização constituíram a geração F1 (primeiros descendentes). De seguida autopolinizou as plantas da geração F1, que originaram descendentes, agora chamados de geração F2 (segundos descendentes). Mais tarde, Mendel prosseguiu à análise das características das gerações F1 e F2 e verificou que na geração F1 todos os indivíduos apresentavam a mesma característica para o caráter em estudo. Baseando-se nestes dados, Mendel definiu que existia uma característica que era dominante em relação a outra (recessiva). Estes resultados refutaram a ideia tomada como certa pela comunidade científica na altura, de que a transmissão das características era um fenómeno de mistura das características dos dois progenitores. Apesar de na geração F1 não ter existido nenhum individuo que apresentasse a característica recessiva do caráter em estudo, esta característica reapareceu na geração F2 na proporção de 3:1, ou seja 3 indivíduos com a característica dominante e 1 com a recessiva.
Fig. 5 – Xadrez mendeliano (monoibridismo).
Trabalhos de Mendel com diibridismo Mendel esforçou-se por descobrir se caracteres diferentes sofrem algum fenómeno de segregação idêntico ao do monoibridismo. O acompanhamento simultâneo de duas características chama-se diibridismo e neste, Mendel selecionou linhagens puras de ervilheiras que diferiam entre si, por exemplo, na cor e forma da semente. Cruzou ervilheiras com sementes amarelas e lisas com ervilheiras de sementes verdes e rugosas (geração parental). Na primeira geração (F1), todos os descendentes apresentavam sementes amarelas e lisas. Posteriormente, Mendel faz cruzamentos entre os indivíduos da geração F1 e surge uma nova geração (F2), com quatro fenótipos diferentes, na seguinte proporção:
9 Indivíduos com semente amarela e lisa 3 Indivíduos com semente verde e lisa 3 Indivíduos com semente amarela e rugosa 1 Indivíduo com semente verde e rugosa
Os cruzamentos efetuados por Mendel confirmaram os resultados que já se previam, que a segregação dos fatores de carateres diferentes era independente. Segue-se uma imagem que ilustra o processo utilizado por Mendel, acima referido.
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Fig. 6 – Xadrez mendeliano (diibridismo).
Conclusões de Mendel Depois de todas as análises e observações, Mendel formulou duas leis, que são a base da genética clássica conhecidas como Leis de Mendel. 1ª Lei de Mendel ou Lei da Segregação Fatorial: Durante a formação de gâmetas os dois alelos de um gene segregam-se de tal forma que cada gâmeta recebe apenas um dos alelos. 2ª Lei de Mendel ou Lei da Segregação Independente: Durante a formação dos gâmetas, os alelos de diferentes pares de genes segregam-se independentemente uns dos outros.
Genética molecular No início do século XX, os citologistas começaram a estudar exaustivamente a meiose e a tentar estabelecer ligação entre as Leis de Mendel e as suas novas descobertas relativas ao processo de divisão das células, a meiose. Em 1902, Walter Sutton observou que, durante as divisões celulares na produção de gâmetas, os cromossomas distribuíam-se de modo a que cada gâmeta recebesse apenas um cromossoma, do par de homólogos. Walter verificou assim que nos seres que se reproduzem sexuadamente, a meiose correspondia à distribuição dos “fatores” a que Mendel se referia. Walter e Theodor Boveri formularam a Teoria Cromossómica da Hereditariedade, que basicamente aplica as novas noções citologia da época às descobertas de Mendel e com os seguintes pressupostos:
Os genes estão localizados em cromossomas. Página 8 de 15
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Os cromossomas formam pares de homólogos que possuem num dado locus alelos para o mesmo caráter. Em cada par de cromossomas homólogos, um pertence ao pai e outro à mãe. Durante a meiose ocorre disjunção dos cromossomas homólogos que são transmitidos aos gâmetas. A segregação dos alelos de genes de cromossomas diferentes é independente. Através da fecundação, há formação do ovo (2n), em que cada gene está representado por dois alelos.
Mutações Uma mutação é definida como uma modificação permanente no material genético que afeta a expressão de um ou mais genes. Existem dois tipos de mutações, genéticas e cromossómicas. As mutações génicas alteram um único gene devido a pequenas modificações nos nucleótidos e podem ser silenciosas, sem sentido ou alterar o modo de leitura. As mutações cromossómicas alteram a estrutura dos cromossomas, ou do seu número, afetando muitos genes e dividem-se em deleção, inversão, duplicação e translocação. Os tipos selvagens são os animais de uma espécie que não apresentam nenhuma variação permanente no seu genoma, sendo por isso, os mutantes os que têm uma mutação permanente. As moscas da espécie Drosophila melanogaster apresentam diversas mutações, tais como:
Mutações nos olhos. Mutações nas sedas e pelos. Mutações nas asas. Mutações da cor do corpo.
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Dimorfismo sexual e ciclo de vida em Drosophila melanogaster Objetivos Os objetivos desta atividade experimental foram o estudo da morfologia da mosca Drosophila melanogaster, mais propriamente do seu dimorfismo sexual, e o estudo do seu ciclo de vida. O estudo da transmissão de características hereditárias foi também um dos objetivos desta atividade experimental.
Material Para o procedimento da atividade experimental, dividido em três partes, foram utilizados os seguintes materiais: Para a captura das moscas: Garrafa de plástico vazia Papel Fita-cola Maçã Para a preparação das misturas que servem de alimento para as moscas (meio de cultura): Algodão Agar Água Colher de pau Etanol a 70% Frasco com tampa (eterizador) Éter sulfúrico Frascos de vidro Tampas de esponja (para os frascos) Farinha de milho Lupa binocular Levedura de cerveja Melaço de cana Pincel de guache Vinagre Placa térmica Gobelets Vidros de relógio Caixas de Petri
Para a preparação do método de acondicionamento das moscas: Frascos de vidro Água Placa térmica Tacho de inox Página 10 de 15
Dimorfismo sexual e ciclo de vida em Drosophila melanogaster Esponja de cozinha Pinça de metal Tesoura
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Dimorfismo sexual e ciclo de vida em Drosophila melanogaster Procedimento experimental O procedimento utilizado para a realização desta atividade experimental teve como base o documento de Rui Artur P. L. Gomes, intitulado "PROTOCOLO- Utilização de Drosophila em Genética: 1ª Parte". Para a captura das moscas, efetuou-se o seguinte processo: I. II. III. IV. V. VI.
Cortou-se, aproximadamente, pela metade, uma garrafa de plástico; Fez-se um funil com papel, utilizando papel e fita-cola, de modo a caber na abertura da garrafa; Colocaram-se pedaços de maçã no fundo da garrafa; Posicionou-se o funil de papel na abertura da garrafa de plástico e fixou-se à mesma com o auxílio da fita-cola; Esperou-se tempo suficiente para que surgissem moscas na armadilha; Transferiram-se as moscas para frasco de vidro previamente esterilizados.
Para a preparação do método de acondicionamento das moscas: I. II. III. IV. V.
Colocou-se água no tacho de inox, de modo a encher até cerca de 3/4 do mesmo; Colocaram-se os frascos dentro da água; Levou-se o tacho à placa de aquecimento até a água levantar fervura; Após o começo da ebulição da água, esperou-se mais uns minutos e retiraram-se os frascos com o auxílio de uma pinça de metal; Utilizando uma tesoura, cortaram-se cilindros de esponja, de modo a que encaixassem corretamente nos frascos de vidro, funcionando como tampas.
Para a preparação da alimentação das moscas: I.
"Para preparar 500 ml de meio de cultura efetuam-se duas misturas em separado:
Mistura I : Agar – 5 g Melaço – 60 ml Levedura de cerveja – 28 g Água – 300 ml Mistura II : Farinha de milho – 70 g Água – 200 ml Preparar a mistura II em água quente para que a farinha de milho dissolva melhor enquanto se agita. Noutro recipiente, e com ajuda de uma placa térmica ou de um microondas, dissolver bem os ingredientes da Mistura I agitando com frequência até levantar fervura. Adicionar nesta altura a Mistura II e levar a ferver, agitando sempre, até ficar moderadamente pastoso." (Retirado de GOMES, Rui Artur P. L. - PROTOCOLO - Utilização de Drosophila em Genética: 1ª Parte, Lisboa, 2001)
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Dimorfismo sexual e ciclo de vida em Drosophila melanogaster II. III. IV.
No momento da agitação das duas misturas, adicionaram-se cerca de 10 mL de vinagre, e continuou-se a agitar, até ficar moderadamente pastoso; Com o auxílio de uma espátula, colocou-se no fundo de um dos frascos, com uma altura de cerca de 3cm, o conteúdo anteriormente preparado; Deixou-se arrefecer o conteúdo do frasco.
Colocação das moscas nos devidos meios de cultura: I. II. III. IV.
Utilizando uma pinça, embebeu-se ligeiramente algodão em éter sulfúrico; Colocou-se o pedaço de algodão no interior da armadilha criada com a garrafa de plástico; Aguardou-se entre 30 a 40 segundos, até que todas as moscas tivessem ficado insconscientes Colocaram-se as moscas no devido meio de cultura (frasco de vidro anteriormente preparado).
Cruzamento de moscas: I. Realizou-se o cruzamento parental entre um macho e uma fêmea (não fecundada) de olhos vermelhos e asas compridas (F1). (Realizou-se um cruzamento, anterior à fase de estudo, com Drosophila melanogaster capturadas através de armadilhas, de modo a assegurar que a geração parental fosse efetuada com fêmeas não fecundadas); II. Passados sete dias, removeram-se os progenitores, e transferiram-se os mesmos para outro frasco de vidro; III. Após mais sete dias, recorreu-se a um processo de anestesia das moscas, de modo a recorrer à sua observação: 1. Embebeu-se um pedaço de algodão, com o auxílio de uma pinça, em éter sulfúrico; 2. Colocou-se o dado pedaço de algodão no interior do frasco de vidro que continha a geração de descendentes (F2); 3. Esperaram-se entre 30 a 40 segundos, até se verificar que as moscas estavam inconscientes; 4. Abriu-se o frasco de vidro, e colocara-se as moscas numa caixa de Petri. IV. Após a colocação das moscas na caixa de Petri, recorreu-se à sua observação, recorrendo a uma lupa binocular, e a um pincel de guache, para melhor manipulação das mesmas; V. Procedeu-se à observação das características de cada indivíduo, à identificação do seu género sexual, bem como à sua contagem.
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Dimorfismo sexual e ciclo de vida em Drosophila melanogaster Resultados Do cruzamento de indivíduos da espécie Drosophila melanogaster (geração F1), surgiram 63 descendentes (geração F2), sendo que 58 eram fêmeas e 5 eram machos. A geração F1 (moscas de olhos vermelhos e asas compridas) deu origem a uma geração (geração F2) com as mesmas características fisionómicas. O ciclo de vida dos indivíduos estudados durou cerca de 13 dias, desde a fase de ovo à fase adulta, a uma temperatura aproximada de 20 °C.
Fig.7- Ciclo de vida de Drosophila melanogaster, obtido experimentalmente (fase larvar, fase de pupa e fase adulta) 3-4 Dias
5-6 Dias
Discussão de resultados Após o cruzamento de um casal de moscas com olhos vermelhos e asas compridas da espécie Drosophila melanogaster (geração F1), surgiu a geração F2, composta por 58 fêmeas e 5 machos. Sabe-se então que cerca de 92,06% eram indivíduos do sexo feminino e que cerca de 7,94% eram indivíduos do sexo masculino, verificando-se um nascimento de indivíduos do sexo feminino superior aos do sexo masculino. Da geração F2, todos os indivíduos tinham as mesmas características fisionómicas (das características relevantes para o estudo): olhos vermelhos e asas compridas. O estudo da transmissão de características hereditárias revelou-se inconclusivo, devido à inexistência de indivíduos da espécie com características diferentes das da forma selvagem (olhos vermelhos e asas compridas) na geração parental (F1), o que fez com que surgisse uma geração de descendentes (F2) com as mesmas características, como era esperado. A geração F1 é resultado de um cruzamento anterior de Drosophila melanogaster, que foi apanhada recorrendo a armadilhas, e portanto não era possível recorrer a um dos principais pontos de identificação que consistia na observação do abdómen, que nos permitia distinguir entre fêmeas virgens e machos, pois este poderia revelar-se falível. Como tal, para não ficarmos limitados a esse ponto, foi utilizada a geração F1 (todas as fêmeas eram não fecundadas) como progenitores. Por conseguinte, era de esperar uma fácil identificação do sexo na geração F2, o que todavia não se verificou devido à dificuldade em encontrar o pente sexual presente nos machos, e ao facto de o abdómen dos indivíduos ter semelhanças em toda a geração (as diferenças existentes entre os abdómens de machos e fêmeas não eram significativas para assegurar uma distinção de género 100% fiável). Quanto ao ciclo de vida da espécie, este teve a duração esperada (entre 12 a 15 dias, a uma temperatura de 20 °C). A sua fase de ovo durou cerca de 2 dias, a fase larvar durou entre 3 a 4 dias, e da fase de pupa à fase adulta, passaram-se aproximadamente 6 dias. Página 14 de 15
Dimorfismo sexual e ciclo de vida em Drosophila melanogaster Conclusão Com esta atividade experimental foi possível concluir que as características olhos vermelhos e asas compridas são os alelos que determinam a forma selvagem da espécie Drosophila melanogaster. Também foi possível concluir que o estudo da transmissão de características hereditárias fora inconclusivo, devido à inexistência de progenitores com características (alelos) recessivas. No entanto, o resultado do cruzamento efetuado foi o que era esperado (de uma geração parental de indivíduos selvagens, surgiram descendentes selvagens).
Referências Site pessoal de José Carlos Morais- www.jcmorais.com (Consultado em 30/04/2014) PEREIRA, Gisela Brandão; CARVALHO, Mafalda M. C. Machado; RODRIGUES, Pedro M. Correia- Relatório I : Observação de indivíduos de Drosophila melanogaster. Porto, 2008. (Consultado em 03/05/2015). GOMES, Rui Artur P. L. - PROTOCOLO - Utilização de Drosophila em Genética: 1ª Parte. Lisboa, 2001. (Consultado em 01/05/2015). EOL- Encyclopedia of life – www.eol.org – ASHBURNER, Michael: Drosophila melanogaster, Common Fruit Fly. (Consultado em 08/05/2015)
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