Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de ... · “ricos em diversidade ” 9....

LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS

Programa de Pós-Graduação em Genética 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

“NOVOS GENES” E O MELHORAMENTO GENÉTICO

Eulália Soler Sobreira HoogerheideOrientador: José Baldin Pinheiro

Onde estão os “novos genes” de

uso para o melhoramento?

BIODIVERSIDADE

RECURSOS GENÉTICOS VEGETAIS

PRÉ-MELHORAMENTOMELHORAMENTO

GENÉTICO VEGETAL

AGRICULTURA

SOCIEDADE

2

Querol, 1993; Vilela-Morales, 1997

Conceitos básicos

Germoplasma: germo, do latim germen, significa princípio rudimentar de um novo ser orgânico; e plasma, do grego plasma, define-se como a formação e/ou matéria não definida.

Recursos genéticos vegetais (RGV): componentes bióticos com uso atual ou potencial ou de valor para a humanidade.

AllardAllard (1960) define (1960) define germoplasmagermoplasma como soma total dos como soma total dos materiais hereditmateriais hereditáários de uma esprios de uma espéécie. cie.

3

Nikolai Vavilov, botânico russo, no inicio do séc. XX, foi um pioneiro na coleta de sementes de várias espécies ao redor do mundo e organizar em coleções.

Nass, 2001

4

1) Parentes silvestres

2) Populações locais (landraces) ou cultivares primitivos

3) Cultivares que foram substituídas

4) Linhagens experimentais, mutações e outros produtos do programa de melhoramento

5) Cultivares modernas

Hoyt, 1992

Os RGV podem ser agrupados em:

5

RGV pode ser considerado um reservatório genético no qual podem ser encontradas as soluções para as diversas alterações ambientais, pelas quais o mundo está passando, e matéria-prima para o desenvolvimento da agricultura.

Hawkes, 1981; Querol, 1993

6

O papel dos bancos de germoplasma é contribuir para o melhoramento das espécies de plantas cultivadas.

Wetzel, 2006

A partir de dec. 50 houve maior interesse A partir de dec. 50 houve maior interesse mundial pelos RGVmundial pelos RGV

Em resposta a perda da biodiversidade e nível mundial, foi negociada e aprovada pelos países da ONU

CONVENCONVENÇÇÃO DA DIVERSIDADE ÃO DA DIVERSIDADE BIOLBIOLÓÓGICAGICA

Assinada por mais de 150 governos em 1992, durante o Earth Summit, no RJ.

Brasil: assinou em 5/junho/1992

Ratificou em 28/fev./1994

7

Plano de Ação Mundial (PGA) para a conservação e utilização sustentável dos RGV para agricultura alimentação – 1996 (20 ações)

FAO

Atividades prioritárias do PGA para agricultura alimentação

Conservação in situ

Conservação ex situ

Utilização dos RGV

Capacitação institucional

8

ConservaConservaConservaççção ão ão in in in situsitusitu

ConservaConservaConservaççção ão ão ex ex ex situsitusitu

UtilizaUtilizaçção dos RGVão dos RGV

CapacitaCapacitaCapacitaççção institucionalão institucionalão institucional

�� CaracterizaCaracterizaçção, avaliaão, avaliaçção e o uso de coleão e o uso de coleçções nucleares dos RGVões nucleares dos RGV

�� EsforEsforçços para ampliar a base genos para ampliar a base genéética (prtica (préé--melhoramento)melhoramento)

��Agricultura sustentAgricultura sustentáável pela diversificavel pela diversificaçção dos cultivos ão dos cultivos

��Desenvolvimento e a comercializaDesenvolvimento e a comercializaçção de culturas e espão de culturas e espéécies cies subutilizadassubutilizadas

��Dar suporte a produDar suporte a produçção e distribuião e distribuiçção de sementesão de sementes

��Desenvolver novos mercados para as variedades locais e produtos Desenvolver novos mercados para as variedades locais e produtos ““ricos em diversidadericos em diversidade””

9

Atividades relacionadas com RGVAtividades relacionadas com RGV

Vilela-Morales, 1997

1. Introdução

2. Coleta

3. Caracterização e avaliação

4. Documentação

5. Avaliação

Fase muito importante para identificar “novos genes”

10

É a transferência ordenada e sistemática de germoplasma para atender um novo local a fim de atender às necessidades dos programas de melhoramento genético e correlatas (espécie, cultivar, citoplasma, gene).

1. Introdução e intercambio de germoplasma:

Giacometti, 1988

11

Technical

Guidelines

for the Moviment

of Germoplasm

a) lavouras e roças

b) hortas e pomares caseiros

c) mercados e feiras

d) habitats silvestres

Acesso é toda amostra de germoplasma que representa a variação genética de uma população ou um individuo propagado clonalmente.

2. Coleta12


Curador do germoplasma é o indivíduo responsável pela coordenação das informações sobre os acessos e toda a atividade pertinente ao seu produto.

Querol, 1993

13

�Flávia França - Curadora do BAG de Milho na Embrapa Milho e Sorgo

�Alfredo do N. Júnior – Curador do BAG de triticale e centeio da Embrapa Trigo


Querol, 1993

�Agronômica

�Bioquímica

�Molecular

Caracterização é a coleta de dados, sobretudo qualitativo, para descrever, e com isso, diferenciar, acessos de uma mesma espécie.

14

Nass, 2001

Avaliação dos RGV:

�Preliminar: ciclo, altura da planta, % germinação, resistência a doenças e pragas. Apenas 90% dos RGV são assim avaliados.

�Complementar: acessos com potencial


Informações como qualidade do grão, tolerância aos estresses bióticos a abióticos e produtividade estimulariam o uso dos RGV

15

4. Documentação


Processamento das informações das atividades relacionadas ao germoplasma:

• Enriquecimento da variabilidade genética: (Intercambio de germoplasma, coleta e melhoramento genético)

• Cadastramento das coleções

• Conservação das coleções

• Caracterização e avaliação de germoplasma

Sibragen: sistema

brasileiro de

informação de RG

16

5. Conservação

Manejo pelo homem da biosfera para que se possa produzir o maiorbenefício sustentável às atuais gerações, mantendo seu potencial de satisfazer às necessidades e aspirações de gerações futuras.

5.1 Conservação in situ: é a conservação da biodiversidade dentro do ecossistema.

Nass, 2001

Foto: Aragon, 2006

Roca Blanca, Ooxaca, México

17

Para fins de armazenamento, as sementes são classificadas em:

a. Ortodoxas: 4 e 6% de umidades, armazenamento por longos períodos em -18°C a -20°C

b. Intermediárias: colhidas com umidade ainda alta, suportam secagem até 10% de umidade

c. Recalcitrantes: não suportam redução no teor de umidade

5.2 Conservação ex-situ: ocorre fora do ambiente natural18

ResponsávelCaracterísticasTipo

Cenargem e BAGs

Conservação in vitro a longo prazo em N líquido (-196°C)

Criopreservação

Cenargem e BAGs

Conservação de fragmentos de DNA clonados

Coleção genômica

Cenargem e BAGs

Conservação de espécies intermediárias e recalcitrantes

Colecão in vitro

BAGsConservação de espécies intermediárias

e recalcitrantesColeção in vivo

PesquisadoresConservação de amostras que o

melhorista trabalhaColeção de trabalho

Cenargem e BAGs

Coleções < que representam a σ2 com mínimo de repetitividade

Coleção nuclear (Core collection)

BAGsConservação médio prazo (<15°C) Coleção ativa (colativa)

CenargemConservação a longo prazo (-18°a -

20°C e 4% a 6% umidade)Coleção base (colbase)

Tipos de coleTipos de coleçções utilizadas na conservaões utilizadas na conservaçção de ão de germoplasmagermoplasma ex ex situsitu 19

BAG (<15°C) - Embrapa Milho e Sorgo20

Câmeras frias (-20°C)

Foto: Wetzel, 2006

21

Disponibilidade dos RGV

Há mais de 6 milhões de acesso conservados (1.470 bancos). Destaque para China, EUA e Índia.

SOJA

Wetzel, 2006

TRIGO CEVADA LEGUMINOSAS

ARROZMILHO

FEIJÃO

No Brasil, de 1976 a 2005, foram introduzidas cerca de 350.000 amostras de germoplasmas vegetal de diferentes regiões do mundo.

Existe muita variabilidade “guardada”!

22

5.593Trigo

1.235Tomate

3.603Sorgo

7.000 + 9.000Soja

3.920Milho

1.137Girassol

1.505Gergelim

12.473Feijão

1.536Ervilha

29.233Cevada

5.798Caupi

9.578Arroz

3.064Algodão

1.342Abóbora

Número de AmostrasColeções

Principais coleções conservadas no Brasil (1976-2004)

Embrapa-Cenargen

23

RGV e Melhoramento

RGV envolve uma série de atividades: introdução e intercambio de germoplasma, coleta, caracterização, avaliação, documentação e conservação.

Os programas de melhoramento envolve geralmente materiais elite, devido a concentração de alelos favoráveis, com objetivo de atender o mercado com menor tempo e custo.

Nass, 2001

24

Na prática, os melhoristas usam pouco os RGV. Porque?

1. Falta de documentação e descrição adequadas das coleções de germoplasma

2. Falta de avaliação das coleções

3. Custos elevados para caracterização e avaliação dos RGV

4. Adaptação restrita dos acessos

5. Número insuficiente de melhoristas, principalmente nos paises em desenvolvimento

6. Falta de informação desejada pelos melhoristas

7. Satisfação dos melhoristas pelos materiais elite, evitando landraces e exóticos, e materiais silvestres. Conseqüências!!!Estreitamento da base genética.

25

26

Estreitamento da base genética

9.1 Linkage drag: contribuição com caracteres indesejáveis que requerem intensa seleção para recobrarem características dos materiais elite

Devido ao linkage drag: transferência de genes maiores.Uso de m.moleculares para ↓ esse fenômeno.

27

9. Problemas com os caracteres quantitativos:

9.2 Maioria dos germoplasma não-adaptado tem fenótipo inferior em relação aos caracteres quantitativos.

Frey et al., (1981): relato de transgressivo para produtividade em populações derivadas de cruzamentos de elite x selvagem

Na prática, os melhoristas usam pouco os RGV. Porque?

Tanksley e Nelson, 1996

Marschall, 1989; Nass e Paterniani, 2000

27Por quê não incorporar diretamente o germoplasma ao programa de melhoramento?

Devido a perda de combinações gênicas favoráveis, que demoraram anos para serem selecionadas. Para que os genes potencialmente úteis mantidos nas coleções sejam utilizados é necessário que sejam incorporados nos materiais elite.

28

Recursos Genéticos

Programas de melhoramento

Pré-melhoram

ento

29

Pré-melhoramento refere-se a toda atividade designada para identificar características desejáveis e/ou genes de matérias não-adaptados, incluindo aqueles que, embora adaptados, sejam submetidos a algum tipo de seleção para melhoramento.

Nass e Paterniani, 2000

30

Parentoni, 2006

1. Agregar informação útil ao germoplasma (valoração estresses, qualidade, grupo heterótico)

2. Obter novos recursos genéticos para uso no programa

3. Produtos biotecnologicos: genes, alelos superiores, promotores, etc

O que um melhorista espera do pré-melhoramento?31

Como os bancos de germoplasma podem atrair seus usuários?

1. Manter acessos de forma estruturada, em agrupamentos compatíveis para atender demandas

2. Conservar acessos caracterizados e avaliados

3. Possuir agrupamentos para características de adaptação ambiental

4. Manter estoques genéticos, mutantes e linhagens

5. Manter características úteis que possam substituir e complementar as coleções de trabalho


32

Exemplos dos uso de “novos genes”

33

�Participantes: Argentina, Bolívia, Brasil, Colômbia, Chile, EUA, Guatemala, México, Paraguai, Peru, Uruguai, e Venezuela

�Participação do setor publico e privado

�Financiamento: Pionner

LAMP (Latin Americam Maize Project)

Milho

Objetivo de resgatar populações e materiais genéticos de milho utilizados pelos agricultores (Dec 80)


34

Fase 1

Fase 2

Fase 4

Fase 3

12.113 acessos landraces de 12 países avaliados, divididos em 5 áreas homologas (HA) de acordo com altitude e latitude

Reavaliação de 2.794 acessos

270 acessos elites cruzados com testadores adaptados de cada país

avaliação da C.C. da Fase 3, avaliação para resistência a doenças, tolerância ao clima e solo


35

Resultados do LAMP

1. Dos 562 acessos de milho obtidos em Porto Rico:

�GS= 20%na produtividade (3.937 a 7.773 kg/ha) em 18 acessos em relação a testemunha “Diente de Caballo”

�Acessos com boa qualidade de palha e produtividade

2. No Brasil

1ª fase: 1.340 acessos, regiões HA (áreas homólogas), com altitude < 1.200 m

2ª fase: 352 acessos acessos selecionados


36

Acesso IdentificaçãoDias para

florescimento

♂ ♀

Altura planta

Altura espiga Prod.

37

3ª fase: testcrosses com 5% dos superiores (de todos os paises da HA)

BRS 105

BRS 106

X5 Bolívia

2 Paraguai

7 EUA 17 Brasil7 Guatemala

15 México 14 Peru

5 Venezuela

72 testecrosses

Santos et al., 2001

38

Heterotic responses of tropical elite maizesacessions from Latin America with Brazilian Tester

Scientia Agricola, v.58, p.767-775, 2001

Santos et al., 2001

Guatemala Menores médias para AP e AE

�Variabilidade para AP (231 a 267 cm) e AE (119 a 162)

� Variabilidade para acamamento e firmeza do colmo

México

Peru

< tolerância Bolívia > tolerância

BRS 105

39

� Variabilidade para prolificidade: indicador de adaptabilidade

México Guatemala< prolificidade

�Produtividade: variação da heterose de -28% a 26%, > T

BRS 105 X

Brasil SE032

Brasil PE 001

Selecionados

para SR

BRS 106Brasil PE011

Peru Pasco 14

X Selecionados para SR

�Produtividade: variação da heterose entre -35% e 17%, > T

e

Santos et al., 2001

40

Transfer of new dwarfing genes from the weedspecies Avena fatua into cultivated oat A.

byzantina

Plant Breeding 126, p.30-35, 2007

Morikawa et al., 2007

�Novos genes “anão” foram identificados em acessos de aveia selvagem (A. fatua) no Japão e Coréia�Esses genes foram utilizados para produzir novas linhagens de porte baixo de aveia para resistência ao acamamento

�Experimento conduzido em Sakai, Japão, em 2001/02

41

Material

Linhagens anãs

Linhagens Retrocruzamento

Altura planta Altura panícula

Fenótipo Genótipo

Extremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anão

Extremo-anãoSemi-anão

Extremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anão

Semi-anãoSemi-anão

Compacto-anãoAlto

DesconhecidoDesconhecidoDesconhecidoDesconhecidoDesconhecido

DesconhecidoDesconhecidoDesconhecido

+/+

Dw8Dw8Dw8Dw8 Dw8Dw8

DesconhecidoDw8Dw8Dw8Dw8Dw8Dw8

DesconhecidoDw8Dw8

Anão dominante

Anão recessivo

Anão semi-dominante

cm SD cm SD

(RC3F3) em 2001

(RC1F3) em 2002

(RC1F3) em 2002

L50L70L77L92

L151L206L286L463L811

Av12Av13Av14Av15Av16Av17Av18Av20Av21

67.356.460.361.361.064.360.654.158.3

2.082.242.084.931.003.783.787.169.81

38.621.231.634.028.033.638.024.533.6

2.303.549.079.642.002.886.242.321.15

L1553L169aL160bL812L812

Av216Av198Av202Av213Av214

64.087.362.960.664.0

6.478.316.348.265.25

26.832.227.327.625.3

4.024.374.243.702.48

L288L288L342

“Kanota”

Av206Av207Av208

99.898.466.5

119.1

9.447.097.547.78

30.229.510.132.4

2.693.591.641.70


42

Esquema de seleção para introdução do gene dominante

Aveia alta

(A. byzantina cv. Kanota)x

Acesso anão selvagem

(A. fatua)

P1 P2

F1

Anão

x P1

RC1F1

Alto Anão x P1

RC2F1

Alto Anão x P1

Autofecundação

RC3F2

Alto Anão (homo)Anão (hete)

Alto Anãoexaminar segregação

:

RC3F1

Alto Anão

RC3F3Autofecundação


43

Esquema de seleção para introdução do gene recessivo e semi-dominante

Aveia alta

(A. byzantina cv. Kanota)x

Acesso anão selvagem

(A. fatua)

P1 P2

F1

(Alto)

Alto Anãox P1

RC1F2

Autofecundação

Alto Anãoexaminar segregação

:

RC1F3

F2

(Alto)

Autofecundação


Linhagens anãs

Linhagens Retrocruzamento

Altura planta Altura panícula

Fenótipo Genótipo

Extremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anão

Extremo-anãoSemi-anão

Extremo-anãoExtremo-anãoExtremo-anão

Semi-anãoSemi-anão

Compacto-anãoAlto

DesconhecidoDesconhecidoDesconhecidoDesconhecidoDesconhecido

DesconhecidoDesconhecidoDesconhecido

+/+

Dw8Dw8Dw8Dw8 Dw8Dw8

DesconhecidoDw8Dw8Dw8Dw8Dw8Dw8

DesconhecidoDw8Dw8

Anão dominante

Anão recessivo

Anão semi-dominante

cm SD cm SD

(RC3F3) em 2001

(RC1F3) em 2002

(RC1F3) em 2002

L50L70L77L92

L151L206L286L463L811

Av12Av13Av14Av15Av16Av17Av18Av20Av21

67.356.460.361.361.064.360.654.158.3

2.082.242.084.931.003.783.787.169.81

38.621.231.634.028.033.638.024.533.6

2.303.549.079.642.002.886.242.321.15

L1553L169aL160bL812L812

Av216Av198Av202Av213Av214

64.087.362.960.664.0

6.478.316.348.265.25

26.832.227.327.625.3

4.024.374.243.702.48

L288L288L342

“Kanota”

Av206Av207Av208

99.898.466.5

119.1

9.447.097.547.78

30.229.510.132.4

2.693.591.641.70

Resultados

Na forma cultivada, o gene dominante para caráter “anão” Dw8 mostrou menor herdabilidade do que o recessivo, semi-dominante e do gene que confere caráter de planta alta, sendo caracterizado por uma ligação distinta com o cluster do gene selvagem.

Isso foi confirmado pela alta taxa de transmissão dos alelos SSR selvagem.

Linhagem semi-anã condicionada por gene semi-dominante anão com resistência ao acamamento e boa produtividade

�Identificados como possuindo genes recessivos simples

�Primeiro relato de estabilidade desse genes em RC1F3 em aveia hexaplóide. Destaque para L169a


45

Evaluation of Soybean Germplasm for Resistance to Phakopsora pachyrhizi

Plant Management Network, 2006

Miles et. al, 2006

Identificação de resistência à ferrugem da soja no germoplasma do USDA (University Illinois): 16.000 acessos

Rpp1, Rpp2, Rpp3 e Rpp4

Avaliação em casa de vegetação

Isolados da Tailândia, Brasil, Paraguai e Zimbábue

46

Avaliação visual da ferrugem da soja

TAN RB Sem doença

Miles et. al, 2006

47

Distribuição da freqüência dos 16.595 na Primeira Avaliação (PA)

Número com lesão TAN

Número com lesão RB

Severidade

Seleção dos acessos com severidade <2 e lesão RB

Miles et. al, 2006

48

Distribuição da freqüência dos 3.215 acessos selecionados na PA com e sem lesão TAN na Segunda Avaliação (SA)



Severidade média de ferrugem

Acessos com média de severidade <2,7 e lesão RB em apenas uma das três plantas avaliadas por acesso

Miles et. al, 2006

49

Distribuição da freqüência de 805 acessos com e sem lesão TAN e RB da SA



60% RB ou mix

40% TAN

Dos RB= 66% severidade >3,0

Dos TAN= 2,0-2,9

Miles et. al, 2006

50

Conclusões

�Acessos com lesões RB tem sido associados com gene de R simples

�Acessos com baixa severidade de ferrugem podem ser fontes de R parcial que limitam a infecção e/ou seu desenvolvimento

�Os acessos selecionados devem ser avaliados a campo, pois a severidade é incrementada após o florescimento, pois não existe estudo de correlação de plântula e planta adulta no campo

Miles et. al, 2006

51

Development of rice lines with gene introgression from thewild Oryza glumaepatula by the AB-QTL methodology

CBAB, v.5, p.10-19, 2005

Rangel et al., 2005

�O. glumaepatula foi utilizada pela Embrapa na ampliação da base genética de arroz irrigado nas populações de arroz irrigado

�Estagnação nos níveis de produtividade do arroz irrigado desde Dec. 80, quando cultivares tradicionais foram substituídas por modernas (precoces): estreitamento da base genética

�Programas de melhoramento de arroz irrigado tem registrados ganhos <1% ao ano (dec. 70=7% ganho/ano)

52

O. glumaepatula

1992 a 2005 foram coletadas ~ 40 populações selvagens de O. glumaepatula no Brasil (Amazônia, Cerrado e Pantanal)

Rangel et al., 2005

Autógama

Diplóide

Genoma AA

Similar O. sativa

53

Teste heterose

Seleção fenotípica

SAM

Linhagens de O. sativa com genes de O. glumaepatula

Esquema usado para desenvolvimento das linhagens de O. sativa

x

O. Sativa (BG 90-2) x O. Glumaepatula (RS 16)

F1 BG 90-2

RC1x

RC2

BG 90-2

RC2F2

RC2F3

RC2F4

RC2F5

RC2F6

RC2F7

RC2F8

Construção do mapa genético

Análise de QTL

Experimento a campo, seleção e avaliação

Seleção fenotípica

Avaliação em multilocais

Rangel et al., 2005

Coleta 1996 - Amazônia

Confirmado com RAPD e SSR

18 famílias selecionadas

CNAi 9920 (13% O.g) CNAi 9924 (8% O.g)104 flias CNAi 9920 168 flias CNAi 9924

↓% de O. glumaepatula e ↑caracteres de interesse

35 linhagens selecionadas

54

Resultados

Desenvolvimento de 35 linhagens de incorporação de O. glumaepatula x O. sativa BG 90-2

Principais características

� Presença de alelos favoráveis de QTLs relacionados ao número de panículas e perfilhos

�Famílias significativamente mais produtivas que BG 90-2

�Principais características: % grãos cheios, alta produção, vigor e tipo comercial

Rangel et al., 2005

55

O futuro da pesquisa em RGV: uma perspectiva internacional

Miranda, 2006

1. Reduzir consumo de água

1a. Resistência à seca

Para produzir

1 batata= 25 litros água

1 hambúrguer (150g)=2400 litros água

Couro de 1 par de sapatos= 8000 litros água

2. Mudanças climáticas (vulnerabilidade e adaptação)

3. Estresses ambientais em particular nos trópicos (solos ácidos)

4. Necessidades especiais e diversificação= melhoria nutricional, agregação de valor

56

Obrigada pela atenção!

Jesus é o caminho, a verdade e a vida, e ninguém vai ao Pai senão por Ele.

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