Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

LGN 5799 – SEMINÁRIOS EM GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS

LGN 5799 – SEMINÁRIOS EM GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS

Melhoramento genético de arroz para tolerância ao frio

Melhoramento genMelhoramento genéético de arroz para tico de arroz para tolerância ao friotolerância ao frio

Aluna: Fátima BosettiOrientador: José Baldin Pinheiro

Departamento de GenéticaAvenida Pádua Dias, 11 – Caixa Postal 83, CEP:13400-9710 – Piracicaba – São Paulo – Brasil

Telefone: (0xx19) 3429-4250 / 4125 / 4126 – Fax: (0xx19) 3433-6706 – http://www.genetica.esalq.usp.br/semina.php

ArrozArroz: Cereal mais consumido exclusivamente como alimento humano;

Estimativa de que até 2025 o mundo deveráproduzir 70% mais arroz do que produziu em 1995;

Para acompanhar essa estimativa: respostas do melhoramento.

–

IntroduIntroduççãoão

ObjetivosObjetivosGerais:

Alto potencial produtivoEstabilidade na produçãoResistência a doençasQualidade de grãos

Específicos:Tolerância à salinidade, à seca, à toxidade por ferro e Tolerância ao frioTolerância ao frio.

IntroduIntroduççãoão

Origem tropical;

Faixa de cultivo:

latitude: 50ºN a 40ºS;

altitude: 0 a 3000 m;

Temperatura ótima: 25 a 30ºC.

IntroduIntroduççãoão

Transição física de um estado flexível líquido-cristalino a uma fase de gel líquido;

Atividade do cloroplasto;

Funcionamento celular;

Relações hídricas;

Crescimento;

IntroduIntroduççãoão

FRIOFRIO MEMBRANA CELULARMEMBRANA CELULAR

Nas cultivares menos suscetíveis:Maior potencial de síntese de ácidos graxos insaturados

Maior estabilidade da membrana

Mudanças nos padrões de síntese de proteínas e níveis de mRNA

IntroduIntroduççãoão

FRIOFRIO MEMBRANA CELULARMEMBRANA CELULAR

Temperatura crítica Estádio de desenvolvimento Ótima Baixa

Efeito da temperatura baixa

Germinação 20-35 10 Inibição, atraso e diminuição do % de germinação

Emergência e estabelecimento da plântula 25-30 12-13 Atraso e diminuição do número de plantas emergidas

Desenvolvimento da raiz 25-28 16 Poucas raízes e pequenas

Alongamento da folha 31 7-12 Raquitismo e amarelecimento das folhas

Perfilhamento 25-31 9-16 Diminuição do número de perfilhos e da taxa de crescimento

Iniciação do primórdio floral 25-30 15 Inibição da formação do grão de pólen e das espiguetas

Emergência da panícula 25-28 15-20 Má exerção da panícula

Antese 30-33 22 Retardamento da abertura das flores e esterilidade das espiguetas

Maturação 20-25 12-18 Alongamento da fase de enchimento do grão e manchado do grão

Tabela 1. Temperatura ótima e efeito da temperatura baixa (ºC) sobre o crescimento e desenvolvimento da planta de arroz.

IntroduIntroduççãoão

Germinação 20-35 10

Antese 30-33

Emergência 25-30 12-13

22

GerminaGerminaççãoão

Atraso e diminuição na porcentagem de germinação;

Semente é altamente tolerante à baixa temperatura;

Na germinação a semente torna-se sensível;

Cultivares tolerantes

Potencial de sintetizar mais ácidos graxos insaturados do que cultivares suscetíveis e menor dormência.

EstEstáádios de desenvolvimento mais dios de desenvolvimento mais senssensííveis ao frioveis ao frio

Desenvolvimento inicial de plântulaDesenvolvimento inicial de plântula

Atraso no desenvolvimento;

Redução na altura;

Amarelecimento das folhas;

Perfilhamento é baixo e lento.

EstEstáádios de desenvolvimento mais dios de desenvolvimento mais senssensííveis ao frioveis ao frio

ReprodutivoReprodutivo

Má exerção da panícula;

Esterilidade das espiguetas: Inviabilidade do pólen (frio na microsporogênese)Indeiscência das anteras (frio na antese);

Manchas nas espiguetas.

EstEstáádios de desenvolvimento mais dios de desenvolvimento mais senssensííveis ao frioveis ao frio

INDICACultivadas nos trópicos

JAPÔNICARegiões temperadas

Grupos cultivadosGrupos cultivados

Califórnia

América do Sul

Europa

Austrália

Sul e Sudeste da Ásia

Japão

Filipinas

RS - Prejuízos superiores a 25% no rendimento de grãos a cada 3 anos;

Chile - % de esterilidade que normalmente flutua de 10 a 12% pode chegar a 60%;

Austrália - Perdas entre 0,5 e 2,5 t/ha em 75% dos anos.

PerdasPerdas

Difícil controle a nível de manejo;

Tolerância genética das cultivares;

Existe variabilidade genética.

TemperaturaTemperatura

Melhoramento de arroz para tolerância ao frioMelhoramento de arroz para tolerância ao frio

?

Identificação de genótipos de arroz tolerantes ao frio nas condições climáticas locais;

Desenvolvimento de cultivares tolerantes ao frio;

Utilização de 2 modelos na análise:

Modelo de simulação de rendimento;

Modelo SAMBOY Rice.

Singh et al (2005)

AnAnáálise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz lise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz tolerantes ao frio na Austrtolerantes ao frio na Austráálialia

Ano Produtividade observada (t/ha)

Produtividade simulada (t/ha)

Produtividade em condições ótimas (t/ha)

Perda pelo frio (t/ha)

1987 6.6 7.4 9.9 2.5

1988 8.1 7.9 10.4 2.4

1989 8.8 9.0 9.5 0.5

1990 9.1 8.4 9.6 1.2

1991 9.8 9.7 10.2 0.5

1992 9.5 8.5 9.4 0.9

1993 8.3 8.8 8.8 0.0

1994 8.8 8.8 9.2 0.4

1995 9.5 9.4 9.9 0.5

1996 6.7 7.1 9.5 2.4

1997 9.0 10.0 10.0 0.0

1998 9.6 9.6 9.8 0.2

1999 9.7 9.7 9.7 0.0

Média 8.73 8.78 9.67 0.89

Fonte: Farrel at al. (2001)

Tabela 2. Produtividade de grãos observada e simulada para a cultivar Amaroo, 1987 a 1999

Singh et al (2005)

AnAnáálise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz lise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz tolerantes ao frio na Austrtolerantes ao frio na Austráálialia

Tabela 3. Probabilidade de perdas devido ao frio em diferentes temperaturas mínimas críticas Perdas (t/ha) Probabilidade de perdas a temperatura mínima crítica Atual Atual – 1ºC Atual – 2ºC Atual – 3ºC Maior que 2.5 0.00 0.00 0.00 0.00

Entre 2.0-2.5 0.11 0.00 0.00 0.00

Entre 1.5 – 2.0 0.02 0.02 0.00 0.00

Entre 1.0 – 1.5 0.09 0.07 0.00 0.00

Entre 0.5 – 1.0 0.29 0.22 0.09 0.02

Menor que 0.5 0.22 0.33 0.31 0.24

Total de anos com ocorrência de frio

33 29 18 12

Total de anos 45 45 45 45

Probabilidade de ser um ano com ocorrência de frio

0.73 0.64 0.40 0.27

Fonte: Estimativa de dados de R. Williams

Singh et al (2005)

AnAnáálise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz lise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz tolerantes ao frio na Austrtolerantes ao frio na Austráálialia

Perdas Perdas a temperatura mínima crítica Atual Atual – 1ºC Atual – 2ºC Atual – 3ºC Perda média (t/ha/ano) 0.72 0.34 0.14 0.04

Valor da perda média ($/ha/ano) 150 71 29 8

Área com arroz (000ha) 154.6 154.6 154.6 154.6

Valor total de perdas (milhões$/ano) 23.2 10.9 4.5 1.3

Perda máxima ($/ha/ano) 2.5 1.6 0.9 0.3

Valor da perda máxima ($/ha/ano) 520 333 188 62

Fonte: Estimativa de dados de R. Williams

Tabela 4. Perdas devido ao frio, de 1955 a 2000.

Singh et al (2005)

AnAnáálise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz lise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz tolerantes ao frio na Austrtolerantes ao frio na Austráálialia

Singh et al (2005)

AnAnáálise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz lise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz tolerantes ao frio na Austrtolerantes ao frio na Austráálialia

Uso de NUso de N

ReduReduçção ão de perdasde perdas

DiminuiDiminuiçção noão noganho de ganho de

produtividadeprodutividade

Custo daCusto dainclusãoinclusão

BenefBenefííciocio -

PressuposiPressuposiçções assumidas:ões assumidas:

Impacto da tecnologia: 32 anos (2002 a 2034);

A cultivar tolerante ao frio alcançaria 40% da área de cultivo no 4º ano após sua liberação;

Cultivar tolerante ao frio ficaria disponível em 9 anos, enquanto não tolerante em 6 anos;

Incremento de produtividade de 5% ao ano.

Singh et al (2005)

AnAnáálise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz lise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz tolerantes ao frio na Austrtolerantes ao frio na Austráálialia

Indicador Valor

Relação Benefício-custo 17

Taxa interna de retorno 22%

Tabela 5. Resultados da análise de benefício-custo para projeto de tolerância ao frio

Singh et al (2005)

!

AnAnáálise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz lise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz tolerantes ao frio na Austrtolerantes ao frio na Austráálialia

Taxa interna de retorno 22%

SeleSeleçção a campo X condião a campo X condiçções controladasões controladas

Condições de campo

Condições controladas

EstratEstratéégiasgias de de seleseleççãoão

Na GerminaNa Germinaççãoão

10 a 25º C por 3 a 35 dias

Porcentagem de germinação;Velocidade de germinação;Comprimento do coleóptilo;Comprimento da radícula.

MetodologiasMetodologias de de avaliaavaliaççãoão

Tolerância ao frio no estádio de germinação em arroz:métodos de avaliação e caracterização de genótipos

Cruz & Milach (2004)

13ºC por 28 dias e 28ºC por 7 dias

Índice de germinação;

Porcentagem de sementes com coleóptilo superior a 5mm;

Porcentagem de redução no comprimento do coleóptilo.

MetodologiasMetodologias de de avaliaavaliaççãoão

MetodologiasMetodologias de de avaliaavaliaççãoão

Tolerância ao frio no estádio de germinação em arroz:métodos de avaliação e caracterização de genótipos

28ºC por 72 hs, 13ºC por 96 hs, e 28ºC

por 72 hs

Recrescimento do coleóptilo após o

período de frio.

Cruz & Milach (2004)

Classificação REDCOL COLREG % mm Altamente tolerante ≤ 25 ≥ 20

≤ 25 > 8 e <20

Tolerante > 25 e < 50 ≥ 20

> 25 e < 50 > 8 e <20

Intermediária ≤ 25 ≤ 8

≥ 50 ≥ 20

Sensível ≥ 50 > 8 e <20

> 25 e < 50 ≤ 8

Altamente sensível ≥ 50 ≤ 8

Tabela 6. Critério proposto para caracterização da tolerância ao frio de genótipos de arroz na germinação avaliada pela porcentagem de redução no comprimento do coleóptilo (REDCOL) e recrescimento do coleóptilo (COLREG).

Cruz & Milach (2004)

MetodologiasMetodologias de de avaliaavaliaççãoão

Altamente tolerante ≤ 25

≥ 50

≥ 20

Altamente sensível ≤ 8

No estNo estáádio de plântuladio de plântula

10 a 20º C por 3 a 22 dias

Índice de emergência;

Porcentagem de sobrevivência;

Altura;

Grau de descoloração foliar.

MetodologiasMetodologias de de avaliaavaliaççãoão

Tolerante 1 3 5 7 9 Suscetível Tolerante 1 3 5 7 9 Suscetível

a) b)

Exemplo de escala usada para avaliar a tolerância ao frio pelo grau de descoloração foliar. a) Plantas submetidas a temperatura diurna de 25ºC e noturna de 9ºC por 30 dias. b) Plantas submetidas a temperatura constante de 9ºC por 18

dias (Andaya & Mackill, 2003).

EstEstáádio reprodutivodio reprodutivo

15 a 20º C por 3 a 10 dias

Porcentagem de fertilidade ou esterilidade das espiguetas;

Exerção da panícula.

MetodologiasMetodologias de de avaliaavaliaççãoão

Tolerância ao frio do arroz no estádio reprodutivo sobcondições controladas

17ºC por 3, 5, 7 e 10 dias na microsporogênese e na antese

Porcentagem de redução na exerção da panícula; Porcentagem de redução na fertilidade das

espiguetas.

Cruz et al (2006a)

MetodologiasMetodologias de de avaliaavaliaççãoão

Cruz et al (2006a)

Microsporogênese Antese

Genótipo Microsporogênese 3 dias 5 dias 7 dias 10 dias Quilla64117 0 cB - 50 bA 55 bA Quilla66304 14 bA* - 9 bA* 24 bA* Diamante 0 cB* 9 bB* 32 bAB* 80 bA* IR 8 168 aC* 332 aB* 443 aAB 540 aA* IRGA 417 5 cB* 3 bB* 7 bB* 45 bA* BRS 7 7 cB* 17 bB* 47 bAB* 91 bA* Genótipo Antese 3 dias 5 dias 7 dias 10 dias Quilla64117 0 cdA - 0 dA 0 dAQuilla66304 64 cA 95 bA 123 bcA 148 bcA Diamante 127 bcAB 97 bB 176 bcA 190 bcA IR 8 509 aB 616 aA 653 aA 718 aA IRGA 417 130 bcA 117 bA 117 bA 129 cA BRS 7 202 bA 208 bA 243 bA 276 bA

Tabela 7. Médias para porcentagem de redução na exerção da panículade seis genótipos de arroz submetidos a quatro períodos de frio (17º) em dois estádios do período reprodutivo.

Letras minúsculas comparam genótipos por estádio e duração do frio. Letras maiúsculas comparam duração do frio por genótipo e estádio. * indicam diferenças entre estádios por genótipo e duração do frio.

Cruz et al (2006a)

MetodologiasMetodologias de de avaliaavaliaççãoão

T

S

Genótipo Microsporogênese 3 dias 5 dias 7 dias 10 dias Quilla64117 0 aC - 14 cB 27 bA* Quilla66304 18 bA - 2 cB * 19 cA* Diamante 1 dA* 2 aA* 7 cA* 6 cA* IR 8 21 cC 37 bB* 83 abA 89 aA* IRGA 417 42 cdC 48 bC* 70 bB* 93 aA* BRS 7 72 dB 92 cA* 95 aA 99 aA Genótipo Antese 3 dias 5 dias 7 dias 10 dias Quilla64117 5 aA - 11 dA 7 cAQuilla66304 7 bC 55 bB 51 cB 80 bA Diamante 16 cC 27 aC 48 cB 80 bA IR 8 18 cD 66 bcC 87 bB 100 aA IRGA 417 44 cdC 76 cB 99 aA 100 aA BRS 7 66 dB 96 dA 99 aA 100 aA

Tabela 8. Médias para porcentagem de redução na fertilidade de espiguetas de seis genótipos de arroz submetidos a quatro períodos de frio (17º) em dois estádios do período reprodutivo.

Cruz et al (2006a)

Letras minúsculas comparam genótipos por estádio e duração do frio. Letras maiúsculas comparam duração do frio por genótipo e estádio. * indicam diferenças entre estádios por genótipo e duração do frio.

MetodologiasMetodologias de de avaliaavaliaççãoão

Há fontes de variabilidade;

Identificação pelas metodologias de

avaliação;

Genótipos com tolerância ao frio:

Introdução direta

Doadores

GenGenéética da tolerância ao friotica da tolerância ao frio

Tolerância em diferentes estádios de desenvolvimento;

Estudos em cada estádio separadamente, em condições controladas e tolerância medida de várias formas;

O tipo de herança encontrado em cada estudo é válido somente para o caráter avaliado, o material genético utilizado e o grau de estresse empregado.

GenGenééticatica dada tolerânciatolerância aoao friofrio

GerminaGerminaççãoão

Porcentagem e taxa de germinação

(7 dias a 17ºC) h2 =0,74 a 0,87 (Shapit & Witcombre, 1998)

Porcentagem de redução no comprimento do coleóptiloCrescimento do coleóptilo

(28ºC por 2 dias; 13ºC por 3 dias e 28ºC por 2 dias) h2 = 0,59 a 0,79 - Foram envolvidas ação gênica aditiva e não aditiva (Cruz et al., 2006).

GenGenééticatica dada tolerânciatolerância aoao friofrio

Mapeamento de Mapeamento de QTLsQTLs::

13 QTL’s atuando no controle genético de comprimentos das raízes, do coleóptilo e do mesocótilo, relacionados com vigor de plântula (Redoña & Mackill, 1996).

3 QTL’s para tolerância ao frio na fase de germinação, 2 no cromossomo 3 e 1 no cromossomo 4 (Fujino et al.,2004).

EstEstáádio de Plântuladio de Plântula

Amarelecimento de folhas (7 dias a 17ºC) h2 =0,69 a 0,73 (Shapit & Witcombre, 1998)

(12ºC por 10 dias) h2 = 0,99 (Kaw, 1991)

(10º C por 30 dias ) - Gene dominante determinando o não amarelecimento de folhas (Shahi & Khush, 1986, citado por Cruz & Milach, 2000).

Altura de plântula (18ºC por 14 dias) - 4 a 5 genes com efeitos aditivos e de dominância envolvidas no caráter (Li & Rutger, 1980)

GenGenééticatica dada tolerânciatolerância aoao friofrio

Mapeamento de QTLMapeamento de QTL’’s:s:

15 QTLs associados com tolerância ao frio no estádio vegetativo.

No cromossomo 12, qCTS12a foi associado com necrose e murcha e foi responsável por 41% da variação fenotípica (Andaya & Mackill, 2003).

Identificação de possíveis genes candidatos de qCTS12 (Andaya &Tai, 2006).

EstEstáádio Reprodutivodio Reprodutivo

Exerção da panículaHerança monogênica - Gene dominante (Pandey & Gupta, 1993).

Porcentagem de fertilidade de espiguetas

Herança poligênica - h2 0,35 a 0,45 (Khan et al., 1986).

GenGenééticatica dada tolerânciatolerância aoao friofrio

Mapeamento de Mapeamento de QTLsQTLs

2 QTL’s (Ctb 1 e 2) relacionados com o comprimento da antera no cromossomo 4(Saito et al., 2001) e identificação de genes candidatos de Ctb 1 (Saito et al., 2004).

9 QTL’s para tolerância ao frio no período reprodutivo nos cromossomos 1, 2, 3, 5, 6, 7, 9 e 12 (Andaya & Mackill, 2003).

Cruzamentos Indica x Cruzamentos Indica x JapônicaJapônica

Alto grau de esterilidade de híbridos;

Introdução de caracteres indesejáveis.

HeranHerançça gena genééticatica

Quantitativa no estádio reprodutivo.

DificuldadesDificuldades

Metodologia de seleMetodologia de seleççãoãoImpraticável a utilização de equipamentos para seleção nas gerações segregantes;Caracteres de avaliação trabalhosa, demorada e subjetiva.

CorrelaCorrelaçção nos diferentes estão nos diferentes estáádiosdiosFalta de correlação entre a tolerância ao frio entre um estádio e outro.

DificuldadesDificuldades

UtilizaUtilizaçção da fluorescência de clorofilaão da fluorescência de clorofila

Baseada no conhecimento de que a atividade do cloroplasto é afetada diretamente pelo frio;

Quanto maior a fluorescência emitida, menor é o dano ao aparelho fotossintético e à molécula de clorofila.

PerspectivasPerspectivas

Cultura de anterasCultura de anteras

PerspectivasPerspectivas

VariaVariaçção ão somaclonalsomaclonal e selee seleçção ão ““in in vitrovitro””

PerspectivasPerspectivas

TransformaTransformaçção genão genééticatica

Xiang et al (2007)

Identificação e tolerância ao frio de plantas super expressando o gene OsCIPK03. A: Análise gel-blot de RNA. B e C:Plantas transformadas (T10 e T24) e não transformadas (WT) antes e depois do frio (4ºC por 4 dias) e recuperação (25ºC por 5 dias). D: Porcentagem de sobrevivência.

PerspectivasPerspectivas

SOB

REV

IVÊN

CIA

(%)

Plantas mais tolerantes Plantas mais tolerantes ao frioao frioTransformação

genética

PerspectivasPerspectivas

Genes de tolerância Acúmulo de genes de tolerância ao frio através do desenvolvimento e uso de marcadores moleculares

Identificação e isolamento de genes que aumentam a tolerância ao frio

Grupo de ligação 4

Melhoramento de arroz para tolerância ao frio não é uma tarefa fácil, mas viável economicamente.

Inicia-se na identificação de fontes de tolerância - Avaliação de germoplasma.

ConsideraConsideraçções finaisões finais

OBRIGADA OBRIGADA PELA PELA

ATENATENÇÇÃO!ÃO!