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
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
3. Caracterização e avaliação
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
3. Caracterização e avaliação
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
3. Caracterização e avaliação
Informações como qualidade do grão, tolerância aos estresses bióticos a abióticos e produtividade estimulariam o uso dos RGV
15
4. Documentação
Vilela-Morales, 1988
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
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
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
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
Vilela-Morales, 1997
32
�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)
Nass e Paterniani, 2000
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
Nass e Paterniani, 2000
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
Nass e Paterniani, 2000
36
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
Morikawa et al., 2007
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
Morikawa et al., 2007
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
Morikawa et al., 2007
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
Morikawa et al., 2007
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
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)
Número com lesão TAN
Número com lesão RB
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
Número com lesão TAN
Número com lesão RB
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
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