Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS

Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

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

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Mestranda: Aliandra Graña de MedeirosOrientador: Prof. Dr. Natal Antonio VelloMestranda: Aliandra Graña de MedeirosOrientador: Prof. Dr. Natal Antonio Vello

RETROCRUZAMENTOS NO RETROCRUZAMENTOS NO RETROCRUZAMENTOS NO RETROCRUZAMENTOS NO MELHORAMENTO MELHORAMENTO MELHORAMENTO MELHORAMENTO

GENGENGENGENÉÉÉÉTICO DE PLANTASTICO DE PLANTASTICO DE PLANTASTICO DE PLANTAS

RETROCRUZAMENTOS NO RETROCRUZAMENTOS NO RETROCRUZAMENTOS NO RETROCRUZAMENTOS NO MELHORAMENTO MELHORAMENTO MELHORAMENTO MELHORAMENTO

GENGENGENGENÉÉÉÉTICO DE PLANTASTICO DE PLANTASTICO DE PLANTASTICO DE PLANTAS

1. Histórico

� Uso no melhoramento animal

� 1922 – Harlan e Pope –EUA – cereais de grãos pequenos

� 1922 – Briggs – cultivares de trigo resistentes à doença da cárie (Tilletia indica)

2. O que é o retrocruzamento?

� Obtenção de um indivíduo com grande parte do genótipo do genitor recorrente com exceção dos genes de interesse que são providos pelo genitor doador

� Genitor recorrente e doador (não-recorrente)

� Aplicável em espécies de qualquer sistema reprodutivo – autógamas e alógamas

� Série de cruzamentos da progênie de duas cultivares selecionadas com um dos genitores (genitor recorrente)

99,22 recorrente0,78 doador

Adaptado de: BORÉM (2005)

x% média recorrente e doador

50 recorrente50 doador

75 recorrente25 doador x

87,5 recorrente12,5 doador

98,44 recorrente1,56 doador x

Geração

F1

RC1

RC2

RC5

Genitor recorrente Genitor Doador

RC6

x

x

3. Número de retrocruzamentos

� Grau de recuperação desejado do genitor recorrente

� Mérito agrícola do genitor doador

� Intensidade de seleção das características do genitor recorrente durante o programa

Depende:

3. Número de retrocruzamentos

Depende:

� Ligação gênica entre o gene em transferência e outros indesejáveis

� Diferença genotípica entre genitor recorrente e doador

� Uso de marcadores moleculares

4. Efeito da Ligação Gênica

Xa B

a B

Genitor recorrenteA = resistência à

doença

a = suscetibilidade àdoença

B = flor roxa

b = flor branca

Genitor doador

bA

bA

RC1: Xa B

a B

A b

a B

F1alelo B

reintroduzido em cada

retrocruzamento

alelo B reintroduzido em

cada retrocruzamento

a B

a BA b

a BF1

Genitor recorrente

Tipos não-recombinantes

a B

A b

a

a B

B

RC1.1:

a

aa

B

b

A

B

B

Tipos recombinantes

Ocorrência de permuta genética

Quebra de ligação

onde:

1 – (1 – p)m + 1

� Seleção somente para o gene desejável que estásendo transferido

Probabilidade de eliminar alelo indesejável:

p taxa de recombinaçãom número de retrocruzamentos

Exemplo:

taxa de recombinação p = 0,01 ou 1 cMb

durante 4 retrocruzamentos

= 1 – 0,951 = 0,049 4,9%

1 – (1 - 0,01)4 + 1 = 1 – (1 - 0,01)5 =

4. Efeito da Ligação Gênica

� Linkage drag – arrasto devido à ligação

� Stam e Zeven (1981) e Zeven et al. (1983) –quantificação do linkage drag

Arrasto de DNA em virtude da ligação gênica, após várias gerações de retrocruzamentos

Stam e Zeven (1981)

Geração Proporção do genitor recorrente (%)

Arrasto de DNA do genitor doador (cM)

F1 50,0000 - RC1 75,0000 59 RC2 87,5000 - RC3 93,7500 38 RC4 96,8750 32 RC5 98,4375 28 RC6 99,2188 22 RC10 99,9512 18 RC20 99,9999 10

5. Transferência de Características no Retrocruzamento

� Caracteres de alta herdabilidade governados 1 ou poucos genes – doenças

� Expressão do caráter: Número de genes x herdabilidade

� Transferência de alelos dominantes e recessivos

� Caracteres quantitativos de herança relativamente simples – precocidade, altura da planta, tamanho e forma de sementes

RC1.1: 1/2 Aa : 1/2 aa*

6. Transferência de Alelos

� DominanteDominante

Genitor recorrente Genitor doadorx

1º retrocruzamento (RC1)

aa AA

F1 Aa

descarteAa x aa

RC1.1: 1/2 Aa : 1/2 aa*

2º retrocruzamento (RC2) Aa x aa

RC2.1: 1/2 Aa : 1/2 aa*

descarte

RC6.1: 1/2 Aa : 1/2 aa*

6º retrocruzamento (RC6) Aa x aa

descarte

descarte

AA: não segregam

Autofecundação das plantas Aa:

1 AA : 2 Aa : 1 aa*

Autofecundação das plantas Aa e AA

RC6.1: 1/2 Aa : 1/2 aa* descarte

Aa: segregam

nova cultivar

Rr : rr*

Ex.: Transferência do gene de resistência à ferrugem do colmo (Puccinia graminis tritici ) do trigo para a cultivar Pawnee

Ex.: Transferência do gene de resistência à ferrugem do colmo (Puccinia graminis tritici ) do trigo para a cultivar Pawnee

Adaptado de: POEHLMAN (1959)

cultivarGenitor doadorGenitor recorrente

Pawnee (rr)X

resistente(RR)

RC1:RC1: X

50% Pawnee PawneerrF1 (Rr)

RC1.1:RC1.1:

descarte75% Pawnee

Rr : rr*

rr* : Rr

93,75% Pawnee

RC2:RC2: X (rr) Pawnee

Rr87,50% Pawnee

RC4:RC4: Rr X (rr) Pawnee

RR

96,88% Pawnee

⊗⊗⊗⊗1 rr* : 1 RR : 2 Rr

⊗⊗⊗⊗ ⊗⊗⊗⊗

descarte

6. Transferência de Alelos

� Recessivo

Genitor recorrente Genitor doadorx

AA aa

F1 Aa

1º retrocruzamento (RC1) Aa x AA

RC1.1: 1/2 AA : 1/2 Aa

RC1.1: 1/2 AA : 1/2 Aa⊗⊗⊗⊗

Autofecundação 1 AA* 1 AA*: 2 Aa*: 1 aa

⊗⊗⊗⊗

2º retrocruzamento (RC2) aa x AA

RC2.1: Aa

3º retrocruzamento (RC3) Aa x AA

RC3.1: 1/2 AA : 1/2 Aa⊗⊗⊗⊗ ⊗⊗⊗⊗

Autofecundação 1 AA* 1 AA*: 2 Aa*: 1 aa

4º retrocruzamento (RC4) aa x AA

6º retrocruzamento (RC6) aa x AA

AaRC6.1:⊗⊗⊗⊗

RC6.2 1 AA*: 2 Aa*: 1 aaNova

versão da cultivar

Ex.: Transferência do gene de resistência à podridão da raiz (Pythium arrhenomanes) no sorgo da cultivar Club Kafir

para a cultivar Custer

Ex.: Transferência do gene de resistência à podridão da raiz (Pythium arrhenomanes) no sorgo da cultivar Club Kafir

para a cultivar Custer

Genitor Recorrente Genitor DoadorCuster (RR)

F1 (Rr)RC1:RC1:

X

Custer (RR)

Club Kafir (rr)

Adaptado de: VEGA (1988)

(resistente)(suscetível)

X

1/2 RR : 1/2 RrRC1.1:

1 RR : 1 RR* : 2 Rr* : 1 rr

1/2 RR : 1/2 Rr⊗⊗⊗⊗

RC1.1:RC1.1:

RC2:RC2: rr x Custer (RR)

RrRC3:RC3: x Custer (RR)

1 RR* 1 RR* : 2 Rr* : 1 rr

⊗⊗⊗⊗

RC5: 1/2 RR : 1/2 Rr

⊗⊗⊗⊗

Nova cultivar

⊗⊗⊗⊗

7. Estratégias de Transferência de Várias Características

Características Qualitativas

1) Programa Seqüencial um gene ou característica de cada vez em um programa

3) Programa Simultâneo características transferidas de uma só vez em um programa

2) Programa Paralelo 2 subprogramas –cada característica é transferida independentemente

7. Estratégias de Transferência de Várias Características

1) Programa Seqüencial um gene ou característica de cada vez em um programa

Ex.: Obtenção do trigo Baart 38 resistente à ferrugem do colmo e doença da cárie

Obtenção do Trigo Baart 38 (segundo Briggs e Allard, 1953)Obtenção do Trigo Baart 38 (segundo Briggs e Allard, 1953)

Adaptado de: ALLARD (1971)

Hope BaartResistência àferrugem do

colmo

Baart 35 BaartResistência àdoença da

cárie

x

RC3F4RC3F4

RC1RC1

1930

1931

BaartBaart HopeHope

1934Teste para ferrugem do

colmo

1935 RC5RC5 Baart 35x

1936 F3F3

Teste para doença da cárie e ferrugem

Resistentes à ferrugem do colmo e doença da cárie

Baart 38

Genitor recorrente Genitor doador

1937

7. Estratégias de Transferência de Várias Características

Ex.: Transferência de ausência de lipoxigenase (LOX), ausência do inibidor de protease Kunitz e conteúdo reduzido de ácido linolênico - Programa de Melhoramento da Qualidade da Soja (BIOAGRO/UFV)

2) Programa Paralelo 2 subprogramas

FREITAS, C. F. 5 nov 2007. Acesso em: <http://www.ufv.br/dbg/bioano02/a2001a15.htm>

Programa paralelo para transferência de alelos para ausência de lipoxigenase (LOX), ausência do inibidor de protease Kunitz e conteúdo reduzido de ácido linolênico

Programa paralelo para transferência de alelos para ausência de lipoxigenase (LOX), ausência do inibidor de protease Kunitz e conteúdo reduzido de ácido linolênico

3 subprogramas

1º 2º 3º

ausência de lipoxigenase

conteúdo reduzido de

ácidolinolênico

ausência do inibidor

de protease Kunitz

Cultivares Recorrentes (Comerciais)

Cultivares Recorrentes (Comerciais)

1) CAC-1

2) Cristalina RCH

3) Doko RC

4) IAC –12

5) Garimpo RCH

6) Paranaiba

7) Paranagoiana

Cultivares DoadorasCultivares Doadoras

1) Yumeitaka (origem japonesa) → ausência lipoxigenases 1, 2 e 3

2) Linhagem BRM 92883 →

ausência inibidor de protease Kunitz (KTI) desenvolvida pela Embrapa Soja

3) Genótipo BARC–12 →

baixo teor de ácido linolênico, desenvolvido pelo USDA-ARS

1º Subprograma1º Subprograma

• Obtidas: 7 isolinhascom ausência de lipoxigenases 1, 2 e 3a partir do cruzamento do genitor doador Yumeitaka com as sete cultivares comerciais

2º Subprograma2º Subprograma

• Obtidas: isolinhas com ausência do inibidor de protease Kunitz, a partir do cruzamento do genitor doador BRM 9215883 com as sete cultivares comerciais

Desenvolvidos ao mesmo tempo

3º Subprograma3º Subprograma

BARC-12(Genitores recorrentes)(Genitores recorrentes)Genitor doadorGenitor doadorCultivares Comerciaisx

F1 Cultivares ComerciaisRC1: x

RC1.1 x Isolinhas das cultivares comerciais

Isolinhas das cultivares comerciais

com ausência simultânea de lipoxigenases e inibidor de

protease Kunitz

(obtidas pelo retrocruzamentodos sub-programas 1 e 2)

F1F2⊗⊗⊗⊗

Seleção para baixo teor de

ácido linolênico

F2F2

RC5

RC5.2⊗⊗⊗⊗⊗⊗⊗⊗ ⊗⊗⊗⊗

seleção de sementes para baixo teor de ácido linolênico, ausência de

lipoxigenases e ausência do inibidor de protease Kunitz

Nova cultivar

x Isolinhas das cultivares comerciais

Isolinhas das cultivares comerciais

7. Estratégias de Transferência de Várias Características

3) Programa Simultâneo características transferidas de uma só vez

Ex.: Transferência de tolerância às doenças de final de ciclo e nematóide de galhas para a cultivar de soja Cristalina

Informação pessoal: UNFRIED & KIIHL (2007)

F1

F1 CD 201

x

x

x

DouradosCristalina

Cultivar de ampla

adaptação no Brasil Central,

Norte e Nordeste

Cristalina

Genitor recorrente Genitor doador 1

Genitor doador 2

Tolerância doenças de final de ciclo

Tolerância ao

nematóide de galhas

Cultivar “X”RC1 RC2⊗⊗⊗⊗

Transferência de tolerância às doenças de final de ciclo e nematóide de galhas para a cultivar Cristalina

Transferência de tolerância às doenças de final de ciclo e nematóide de galhas para a cultivar Cristalina

� Número de genes

� Influência do ambiente

� Teste de Progênie

� Ex.: Desenvolvimento da cultivar de cevada “Erbet”derivada da transferência de um gene para precocidade da cultivar “Prior” na cultivar “Betzes”(Hockett e Eslick, 1972) – 14 anos

7. Estratégias de Transferência de Várias Características

Características Quantitativas

8. Modificações nos Retrocruzamentos

� Obtenção de transgressivos

� Uso de 2 ou mais genitores recorrentes

� Redução para 1 ou 2 retrocruzamentos e seleção para produtividade e outros caracteres agronômicos seleção recorrente

8. Modificações nos Retrocruzamentos

Doador = cultivares norte-americanos (genes: precocidade, menor altura de planta)

Recorrente = germoplasma africano com resistência a muitas doenças

� Inversão dos genitores (ex. conversão do sorgo nos EUA, MILLER, 1979)

� Uso de marcadores moleculares

9. Uso de Marcadores Moleculares no Retrocruzamento

� Aceleram a recuperação do genótipo genitor recorrente

� Seleção de indivíduos com o alelo de interesse e com maior proporção do genoma recorrente

� Eliminação de descendentes com genes indesejáveis ligados aos genes de interesse provenientes do genitor doador

MESQUITA, A.G.G. Retrocruzamento assistido por marcadores SSRs em milho. 2002. 69 p. Tese (Doutorado em Genética e

Melhoramento de Plantas) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, MG

MESQUITA, A.G.G. Retrocruzamento assistido por marcadores SSRs em milho. 2002. 69 p. Tese (Doutorado em Genética e

Melhoramento de Plantas) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, MG

� OBJETIVO: Testar a possibilidade de se utilizar marcadores microssatélites para auxiliar a seleção em programas de

retrocruzamento em milho

� OBJETIVO: Testar a possibilidade de se utilizar marcadores microssatélites para auxiliar a seleção em programas de

retrocruzamento em milho

L 11 L 13xGenitor recorrente Genitor doador

F1

alta inserção da espiga

baixa inserção da espiga

RC2 TOPCROSS

RC1: F1 x L 11

RC2: 241plantas

31 plantas com menor altura da espiga 68

primers SSRs

35 plantas

27 primers SSRs

5 plantas

523 plantas RC1

Avaliação para inserção da espiga

X L 11

Plantas RC2 selecionadas fenotipicamente e genotipadas com seus respectivos valores de altura de espiga (cm), e porcentagem de recuperação do genoma recorrente (% recuperação)

� RC2 2 plantas com uma recuperação de 98,20% do

genitor recorrente

� Ganho de 3 ciclos de retrocruzamentos, comparando-se

ao retrocruzamento convencional

� RC2 2 plantas com uma recuperação de 98,20% do

genitor recorrente

� Ganho de 3 ciclos de retrocruzamentos, comparando-se

ao retrocruzamento convencional

CONCLUSÃO:CONCLUSÃO:

Published in Crop Sci. 45:123–140 (2005)

QTL Analysis of Cotton Fiber Quality Using MultipleQTL Analysis of Cotton Fiber Quality Using MultipleGossypium hirsutum x Gossypium barbadense

Backcross GenerationsGossypium hirsutum x Gossypium barbadense

Backcross Generations

Jean-Marc Lacape,* Trung-Bieu Nguyen, Brigitte Courtois, Jean-Louis Belot, Marc Giband,Jean-Paul Gourlot, Ge´rard Gawryziak, Sandrine

Roques, and Bernard Hau

� OBJETIVO: Introgressão de características para qualidade de fibra no algodão da espécie G. barbadense para G. hirsutum

� OBJETIVO: Introgressão de características para qualidade de fibra no algodão da espécie G. barbadense para G. hirsutum

�Análise de QTL de 11 propriedades de fibra de 3 populações RC1, RC2, RC2.2

�80 QTLs identificados

�Comprimento, resistência, finura e cor influenciados por 15, 12, 21 e 16 QTLs

xGenitor doadorGenitor doador

VH8(G. barbadense)

Guazuncho(G. hirsutum)

Genitor recorrenteGenitor recorrente

� Como o esperado, para a maioria dos QTLs, os alelos favoráveis foram provenientes do genitor VH8 (G. barbadense)

� Casos de colocalização de QTLs para diferentes características foram mais freqüentes do que posições isoladas. Levando em consideração essas regiões ricas em QTLs, 19 regiões em 15 diferentes cromossomos foram identificadas como regiões-alvo para estratégia de introgressão assistida por marcadores

� Como o esperado, para a maioria dos QTLs, os alelos favoráveis foram provenientes do genitor VH8 (G. barbadense)

� Casos de colocalização de QTLs para diferentes características foram mais freqüentes do que posições isoladas. Levando em consideração essas regiões ricas em QTLs, 19 regiões em 15 diferentes cromossomos foram identificadas como regiões-alvo para estratégia de introgressão assistida por marcadores

CONCLUSÃO:CONCLUSÃO:

10. Potencial de Uso do Retrocruzamento

� Condução fora do ambiente a que o genitor recorrente está adaptado

� Ótima previsibilidade do resultado

� Uso de cultivar conhecida

Vantagens

� Gera novos genótipos com características superiores ao genitor recorrente

10. Potencial de Uso do Retrocruzamento

� Transferência de um ou poucos genes

� Competitividade do genitor recorrente às demais variedades do mercado

� Comprometimento do sucesso da nova versão

Desvantagens

11. Considerações Finais

� Uso de germoplasma exótico

� Introdução de resistência vertical

� Formação de isolinhas

� Incorporação de caracteres provenientes de plantas transgênicas

agdmedei@esalq.usp.bragdmedei@esalq.usp.br