LGN 313 Melhoramento Genético

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1 Departamento de Genética LGN 313 Melhoramento Genético Tema 13 Métodos de melhoramento de espécies autógamas: retrocruzamentos, híbridos comerciais, multilinhas Prof. Natal Vello

2 Melhoramento de espécies autógamas: métodos que envolvem hibridação P 1 x P 2 F 1 x P 1 ( ou P 2 ) F 2 RC 1 x P 1 ( ou P 2 ) RC 2... RC 3 RC 4 RC 5 RC 6 Método dos retrocruzamentos Híbridos comerciais Multilinhas e blends

3 MÉTODO DOS RETROCRUZAMENTOS ( RC ) Método eficiente para melhorar um ou poucos caracteres(defeitos) de uma cultivar elite. A cultivar elite participa de todas as gerações de retrocruzamentos, sendo denominada genitor recorrente. O genitor que contém o alelo desejável é denominado genitor doador e participa apenas do cruzamento inicial. Requisitos do genitor doador: expressão máxima do caráter de interesse e, se possível, bons caracteres agronômicos e adaptativos. Em geral, são realizadas várias gerações de retrocruzamentos com seleção para manter o(s) caracter(es) de interesse em todas as gerações. O resultado final é uma nova cultivar com o fenótipo muito semelhante ao genitor recorrente, porém com o(s) defeito(s) corrigido(s). Atualmente, o método é muito usado para transferências de genes exógenos (transgenes) entre as cultivares de uma espécie (p.ex. gene R de resistência ao herbicida glifosato em soja).

4 RETROCRUZAMENTOS ( RC ) P 1 x P 2 R : Recorrente D : Doador (genes importantes) F 1 x P 1 (1/2) R : (1/2) D (3/4) R : (1/4) D RC 1 x P 1 (7/8) R : (1/8) D RC 2 x P 1 (15/16) R : (1/16) D RC 3 x P 1 RC 4 x P 1 (31/32) R : (1/32) D RC5 x P 1 (63/64) R : (1/64) D RC 6 (127/128) R : (1/128) D RC 6 = 99,22 % R : 0,78 % D + genes importantes

5 RETROCRUZAMENTOS (RC) : TRANSFERÊNCIA DE UM GENE DOMINANTE (A) Genitor recorrente ( GR ) x Genitor doador ( GD ) aa ( suscetível ) AA ( resistente ) F 1 x GR Aa aa RC 1 x GR (1/2) Aa : (1/2) aa aa RC 2 x GR (1/2) Aa : (1/2) aa aa AA PROGÊNIE SELECIONADA RC 3 (1/2) Aa : (1/2) aa x GR RC 4 aa x GR (1/2) Aa : (1/2) aa aa RC 5 x GR (1/2) Aa : (1/2) aa aa RC 6 (1/2) Aa : (1/2) aa x (1/4) AA : (1/2) Aa : (1/4) aa (1/4) AA : (1/2) Aa : (1/4) aa x PROGÊNIE ELIMINADA 99,22% genes GR : 0,78% genes GD + AA para resistência

6 RETROCRUZAMENTOS ( RC ) : TRANSFERÊNCIA DE UM GENE RECESSIVO ( b ) Genitor recorrente ( GR ) = BB ( planta alta ) e Genitor doador ( GD ) = bb ( planta baixa ) GR (BB) x GD (bb) F 1 (Bb) x GR (BB) RC 1 [ (1/2)BB : (1/2)Bb ] RC 1 F 2 [BB e (1/4)BB : (1/2)Bb : (1/4)bb] x GR (BB) RC 2 (Bb) x GR (BB) RC 3 [(1/2)BB : (1/2)Bb] RC 3 F 2 [BB e (1/4)BB : (1/2)Bb : (1/4)bb] x GR (BB) RC 4 (Bb) x GR(BB) RC 5 [(1/2)BB : (1/2)Bb] RC 5 F 2 [BB e (1/4)BB : (1/2)Bb : (1/4)bb] x GR (BB) continua

7 RETROCRUZAMENTOS ( RC ) : TRANSFERÊNCIA DE UM GENE RECESSIVO ( b ) (continuação) RC 5 F 2 [BB e (1/4)BB : (1/2)Bb : (1/4)bb] x GR (BB) RC 6 Bb RC 6 F 2 [(1/4)BB : (1/2)Bb : (1/4)bb] RC 6 F 3 (bb) Ξ Nova cultivar 99,22% genes GR : 0,78 % genes GD + bb para planta baixa

8 VANTAGENS DO RC A nova cultivar já é conhecida e consagrada pelos agricultores. Confere caracteres de excelência a genótipos já excepcionais. É um método com alto nível de previsibilidade de resultado, pois apenas o caráter em transferência precisa ter herdabilidade alta. O programa de retrocruzamentos pode ser conduzido fora da região e ou época de semeadura em que a nova cultivar será utilizada.

9 DESVANTAGENS DO RC Tempo muito longo para realizar todas as gerações de retrocruzamentos, de maneira que frequentemente a nova cultivar torna-se obsoleta quando comparada com cultivares mais recentes desenvolvidas por outros métodos de melhoramento. É um método muito trabalhoso e mais adequado para transferência de um ou poucos genes. Quando a distância genética entre os genitores doador e recorrente é muito grande, aumenta-se muito o trabalho, exigindo etapas de pré-melhoramento (mais gerações de retrocruzamentos e seleção).

10 Modificação 1 Uso de vários genitores recorrentes em programas de retrocruzamentos Em cada geração de retrocruzamento pode-se utilizar um genitor recorrente diferente, a fim de se introduzir variabilidade genética, de maneira semelhante ao que foi anteriormente relatado para o método da nobilização da cana - de - açúcar. Os diferentes genitores recorrentes compreendem diversas cultivares elites geneticamente distintas. Neste caso, o método torna-se aplicável também para caracteres com baixa herdabilidade, como por exemplo produtividade de grãos, mas a seleção torna-se mais trabalhosa. A nova cultivar obtida difere das cultivares elites anteriores.

11 Modificação 2 Uso de marcadores moleculares em programas de retrocruzamentos com seleção para os caracteres do genitor recorrente Sem marcadores: 6 gerações para recuperar 99% do genitor recorrente. Com marcadores : 2 a 3 gerações para introdução do caráter e recuperação do genitor recorrente.

12 HÍBRIDOS COMERCIAIS EM AUTÓGAMAS VANTAGENS 1. RAPIDEZ NA OBTENÇÃO DE GENÓTIPOS SUPERIORES 2. COMBINAÇÃO DE CARACTERES PRESENTES EM GENITORES DIFERENTES 3. EXPLORAÇÃO EFEITOS E INTERAÇÕES GÊNICAS QUE SÓ SE MANIFESTAM EM F 1 4. UNIFORMIDADE 5. HOMEOSTASE DE DESENVOLVIMENTO E MENOR INFLUÊNCIA DA INTERAÇÃO G X E: LOCAIS, ANOS, ÉPOCAS DE CULTIVO 6. ESTIMULA O DESENVOLVIMENTO DE INDÚSTRIAS DE SEMENTES: SEGREDO DOS GENITORES ( PATENTE BIOLÓGICA ) HÍBRIDO É UMA PALAVRA MÁGICA: GRANDE VALOR ENTRE OS AGRICULTORES MAIOR CONTATO DOS AGRICULTORES COM OS ENGº S AGRº S, OBTENDO MAIS INFORMAÇÕES KAUL, M.L.H., MALE STERILITY IN HIGHER PLANTS. BERLIN, SPRINGER VERLAG. (MONOGRAPHS ON THEORETICAL AND APPLIED GENETICS, VOLUME 10). 1000pp.

13 HÍBRIDOS EM AUTÓGAMAS DESVANTAGENS 1. PREÇO DA SEMENTE HÍBRIDA 1.1 DIFICULDADE DE EMASCULAÇÃO MACHOESTERILIDADE: SORGO, ARROZ, TRIGO AUTOINCOMPATIBILIDADE: ESPÉCIES COM FLORES SEM NECTARINAS (TOMATE, FEIJÃO, ALFACE) GAMETICIDAS QUÍMICOS: HIDRAZIDA MALEICA, FW 450 ETHREL: CEREAIS ÁCIDO GIBERÉLICO: CEBOLA DCIB (SÓDIO 2,3 DICLOROISOBUTIRATO) SÓDIO DICLOROACETATO PROBLEMAS: EFICIÊNCIA PARCIAL E EFEITOS TÓXICOS 1.2. TRANSFERÊNCIA OU TRANSPORTE DE PÓLEN ESTIGMAS EXPOSTOS: ARROZ ABERTURA FOLHA BANDEIRA (CORTE) E MOVIMENTO DE CORDA: ARROZ 1.3. Nº SEMENTES PRODUZIDAS POR POLINIZAÇÃO 2. INVIÁVEIS EM REGIÕES COM AGRICULTURA POUCO DESENVOLVIDA - AMBIENTE PRECISA SER BOM / ÓTIMO 3. DIFICULDADE DE FAZER MELHORAMENTO PARA HETEROSE - DIALELO SELEÇÃO PARA HETEROSE - PROBLEMA : GENITORES NÃO FORAM MELHORADOS PARA VIGOR

14 HÍBRIDOS EM AUTÓGAMAS SISTEMA A, B, R DE MACHOESTERILIDADE : HÍBRIDOS DE SORGO, ARROZ E TRIGO LINHAGENS GENITORAS OU HÍBRIDO CITOPLASMA NÚCLEO ( GENÓTIPOS PARA GENES RESTAURADORES ) FERTILIDADE DOS GRÃOS-DE-PÓLEN LINHAGEM A MACHOESTÉRIL ms ms MACHOESTÉRIL LINHAGEM B MACHO FÉRTIL ms ms MACHOFÉRTIL LINHAGEM R MACHO FÉRTIL OU MACHOESTÉRIL Ms Ms MACHOFÉRTIL HÍBRIDO A X R MACHOESTÉRIL Ms ms MACHOFÉRTIL

15 HÍBRIDOS EM AUTÓGAMAS SISTEMA A B R DE MACHOESTERILIDADE : HÍBRIDOS DE SORGO, ARROZ E TRIGO Linhagem Restauradora = CF Ms Ms Linhagem Mantenedora = CF ms ms Linhagem Machoestéril = CE ms ms DOIS LOTES ISOLADOS: Lote 1: Linhagem A x Linhagem R machoestéril macho - fértil CE ms ms CF Ms Ms sementes híbridas (agricultor) CE Ms ms Lote 2: Linhagem A x Linhagem B machoestéril macho - fértil CE ms ms Linhagem A machoestéril CE ms ms CF ms ms sementes colhidas em R R x R Linhagem R sementes colhidas em B B x B Linhagem B

16 HÍBRIDOS EM AUTÓGAMAS PREÇO DA SEMENTE HÍBRIDA F1 = f ( QUANTIDADE SEMENTES / PLANTA / ÁREA) QUANTIDADE SEMENTES PRODUZIDAS Q = QUANTIDADE SEMENTES COMPRADAS ESPÉCIE Q AUTOR Secale cereale 15 Chase, 1971 Avena sativa 17 Chase, 1971 Triticum aestivum 21 Chase, 1971 Hordeum vulgare 24 Chase, 1971 Oryza sativa 31 Chase, 1971 Zea mays 377 Chase, 1971 Sorghum vulgare 430 Chase, 1971 Glycine max 18 a Fehr, 1978 a: SOJA Q = 36 (2005)

17 Híbridos F 1 comerciais em tomateiro Técnica: cruzamentos manuais, usando os mesmos equipamentos mostrados nas hibridações em berinjela (Tema 5: Sistemas Reprodutivos). Preço das sementes híbridas é viabilizado por: a) Flores grandes, de fácil manuseio, facilitando os cruzamentos; b) Número muito grande de sementes híbridas obtidas em cada polinização. Objetivo principal: piramidização de genes dominantes de resistência a doenças.

18 Híbridos em tomateiro Exemplo 1: híbrido Paty (Seminis, 2012) Genitor 1 X Genitor 2 verticilio (V1): gene Ve vírus do mosaico (TMV): genes Tm-1, Tm-2, Tm-3 geminivirus (TYLCV): genes Ty1, Ty-2, Ty-3 F 1 Hibrido comercial Paty Resistente a 3 doenças Verticilio (V1) Vírus do mosaico (TMV) Geminivirus (TYLCV)

19 Híbridos em tomateiro Exemplo 2 :

20 Híbridos em tomateiro Exemplo 3:

21 Leitura recomendada DELLA VECCHIA, P.T.; KOCH, P.S. Tomates longa vida: O que são, como foram desenvolvidos? Horticultura Brasileira, Brasília, v. 18, n. 1, p. 3-4, março

22 MULTILINHAS São cultivares constituídas pela mistura de linhagens quase isogênicas (isolinhas), que diferem entre si somente nos alelos de resistência a patógenos transportados pelo ar (mais comum: ferrugem). Linhagens quase isogênicas ( ISOLINHAS ): obtidas por vários programas de RC, tendo um genitor recorrente comum (constante) e vários genitores doadores (comumente, um para cada alelo de resistência). A produção de sementes é feita separadamente para cada isolinha e é obtida uma mistura de sementes das várias isolinhas em proporções definidas pelo monitoramento das frequências das raças do patógeno predominantes em cada ambiente (ano agrícola, região,... ) Favorecem a estabilização das raças fisiológicas do patógeno, diminuindo a probabilidade de desenvolvimento de novas raças. De forma geral, são mais estáveis frente às adversidades ambientais (doenças, pragas, seca, etc.).

23 MULTILINHAS PROGRAMA IOWA ( ISU, USA) : V. M. RESISTENTE À FERRUGEM DA AVEIA RC 5 GENITORES RECORRENTES GENITOR RECORRENTE rr RC 5 F 3 : X rr X F 1 rr X RC 1 RC GENITOR DOADOR... Rr RR ½ Rr : ½ rr RESIST. SUSCET. RC 5 F 2 : PLANTASEXAMINADASPARARESISTÊNCIA... RR=NOVA ISOLINHA GENITORES DOADORES 3 LINHAGENS ADAPTADAS 1 GENE DE RESISTÊNCIA LINHAGENS EXÓTICAS de EM CADA LINHAGEM AVENA SATIVA e AVENA STERILIS DIRTY CROP

24 MULTILINHAS : AVEIA, ISU (EUA) COMPOSIÇÃO DE UMA V.M. : 3 CONJUNTOS DE INFORMAÇÕES 1. COMPORTAMENTO AGRONÔMICO DAS ISOLINHAS : SEMPRE BOM 2 AMBIENTES COM FERRUGEM SEM FERRUGEM 2. REAÇÕES DE PLANTAS ADULTAS DAS ISOLINHAS ÀS RAÇAS ESPECÍFICAS DE FERRUGEM: CADA ISOLINHA DEVE SER TESTADA COM TODAS AS RAÇAS ISOLINHA 1 RAÇA 1 ISOLINHA 2 RAÇA 2. X..... ISOLINHA N RAÇA N 3. VARIAÇÕES NA COMPOSIÇÃO DE RAÇAS DA POPULAÇÃO DE PATÓGENOS AMOSTRAS DE FOLHAS DE AVEIA COM INFECÇÃO COLETADAS EUA E CANADÁ ANUALMENTE NOVAS RAÇAS E PROPORÇÕES RAÇAS ANTIGAS

25 MULTILINHAS COMPOSIÇÃO DE ISOL. NA MULTILINHA E74 DE AVEIA E REAÇÕES ÀS PRINCIPAIS RAÇAS DE FERRUGEM BROWNING, FREY(1976) Crop Sci 16: CI Nº GENEALOGIA RAÇAS FERRUGEM B CONTRIBUIÇÃO (%) 9169 CI X CI7555 X CEIRCH DU BACH MR S MS CI8044 3X CLINTON X GARRY 2X CI8079* R R R CI X CIU8001* MR MS MS CI x ACENCAO R MR S CI X CLINTLAND 2 X CHAPMAN 178 X CI7235 MR MS MS CI8044 3X BONKEE 2X CI7254 X CI7171 R MS MR CI X CI7555 X CI6665 MS S MS CI X CI7555 X CI7654 MR MR MS CI X CLINTON X CI8081* MR R R 22 PORCENTAGEM (R + MR + MS) = 100 * AVENA SATIVA

26 BLENDS ( misturas ) Blends de SOJA: surgiram no mercado norte-americano nos anos 60. Nos anos 90 representavam 20% das linhagens nos testes públicos e privados. São cultivares constituídas pela mistura de linhagens puras, as quais diferem em vários caracteres (ex.: alelos de resistência, adaptação ao mosaico de ph do solo), porém são semelhantes para caracteres agronômicos ( ex.: altura, arquitetura, ciclo, cor de pubescência, cor das vagens, cor e tamanho das sementes). A obtenção de blends é mais simples do que multilinhas. Oferece proteção à cultura: maior estabilidade frente a pragas, doenças, nematoides e adversidades ambientais (homeostase populacional). Ex.: blend formado pela mistura de sementes da cultivar 1 (alta produtividade e suscetível a uma doença) e da cultivar 2 (menor produtividade e resistente). - Na ausência da doença: produtividade média/alta (devido cultivar 1). - Na presença da doença: produtividade garantida (devido cultivar 2).

27 REFERÊNCIAS DESTRO, D. ; MONTALVÁN, R. (eds.). Melhoramento genético de plantas. Londrina. Editora UEL, 818p (Cap. 21). FREY, K.J. Plant breeding II. Ames, The Iowa State University Press, 497p., 1981: Parlevliet, J.E. Disease resistance in plants and its consequences for plant breeding, p (Cap. 9) BORLAUG, N.E. Increasing and stabilizing food production, p (Cap. 12)