Expectativas do uso da biotecnologia na obtenção de materias tolerantes ao frio

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1 Expectativas do uso da biotecnologia na obtenção de materias tolerantes ao frio Fernando Gomes Gerente de Desenvolvimento e Produção V WORKSHOP DE MELHORAMENTO FLORESTAL 29/09/09

2 Líder mundial em Biotecnologia para espécies florestais RUBICON MeadWestvaco Summerville, SC Global HQ INTERNATIONAL PAPER Maior empresa produtora de mudas florestais do mundo Produção, vendas e distribuição Mais de 275 milhões de mudas produzidas por ano Líder mundial em melhoramento florestal Germoplasma elite (Pinus e Eucalipto) Campinas/SP- Brasil South America HQ Whakatane, NZ Australasia HQ Viveiros / Laboratórios / Pomares de Sementes em 20 regiões; 4 países 2

3 ArborGen 2000: Formação ArborGen da Formed ArborGen 2002: Summerville Primeiros HQ funcionários diretos 2004: Brazil Unidade Office no Brasil 2006: Primeiros First produtos Varietals Sold comerciais 2007: Nova Integrated Tree empresa: Improvement melhoramento Company florestal integrado 3

4 Produtos agrícolas melhorados via biotecnologia Biotecnologia em Eucalipto e Pinus no Brasil Eucalipto tolerante ao frio 4

5 Demanda mundial por produtos agrícolas População mundial atual: 6,2 bilhões Estimativa para 2050: 9,4 bilhões Produção alimentar precisa crescer 70% até 2050 (ONU) 5

6 Demanda mundial por produtos de madeira A demanda por madeira e produtos derivados cresce 1,7% ao ano O consumo de celulose cresce 5% ao ano nos países em desenvolvimento (China >15%) Plantações comerciais de crescimento rápido fornecerão 50% da madeira industrial em 2025 e até 75% em 2050 Fonte: RISI 6

7 Produtos agrícolas melhorados via Biotecnologia Source: Clive James (2008) 7

8 Produtos agrícolas melhorados via Biotecnologia USDA-APHIS Produtos comerciais aprovados Mais de 70 produtos agrícolas 2 espécies arbóreas (Papaya e Ameixa) EUA ArborGen Mais de 250 experimentos de campo 1º pacote comercial submetido ( FTE ) CTNBio Brasil Produtos comerciais aprovados 14 produtos agrícolas ArborGen Experimentos de campo estabelecidos desde 2005 ( qualidade da madeira ) Experimentos de campo recentemente aprovados ( crescimento ) 8

9 Produtos agrícolas melhorados via biotecnologia Biotecnologia em Eucalipto e Pinus no Brasil Eucalipto tolerante ao frio 9

10 Transformação Genética de Plantas Ilustração básica do processo de transformação de plantas Desenvolvimento de produtos (Eucalipto / Pinus) Explante inicial Disco Foliar Co-cultura com Agrobacterium em meio líquido Clones elite Co-cultura em meio sólido Tecnologia e acesso a genes de interesse comercial Planta transgênica em Casa-de-vegetação Aspectos regulatórios Meio de alongamento e enraizamento Meio de indução de brotos com Antibióticos e meio de seleção Fonte: Manual de Transformação Genética de Plantas Embrapa - Cenargen 10

11 Desenvolvimento de Produto Eucalyptus spp. Pinus taeda Transformação genética (1ª geração de clones) Desenvolvimento de clones elite 1 a geração Qualidade da madeira Crescimento Tolerância ao frio 2ª geração Transformação genética (2ª geração de clones) Tolerância à seca Combinação de duas características (stack) Transformação genética (1ª geração de clones) Crescimento Qualidade da madeira 11

12 Plataforma para biotecnologia 1970 s 1980 s 1990 s 2000 s Programas de Melhoramento (Assis & Mafia, 2007) Métodos de Propagação (Higashi et al., 2000) Práticas de Viveiro (Stape et al., 2001 / Alfenas et al., 2004) Estratégias combinadas (sexuada e assexuada) Jardins clonais com espaçamentos entre cepas de 3m x 3m Utilização de híbridos: seleção massal Crescente disponibilidade de sementes melhoradas; Semeadura direta; Plantas produzidas sob Pleno Sol Hibridação através de Seleção Recorrente Simples Jardins clonais com espaçamentos entre cepas de 0,5m x 0,5m (15 macro-estacas / m 2 / mês) Desenvolvimento de estruturas de propagação e casas de vegetação Híbridos F1 utilizados para gerar novos cruzamentos Mini-jardins com 25 a 50 plantas / m2 (até 1,500 mini- / m 2 / estacas mês) Foco em tons de celulose ; resistência ao frio, resistência à seca Crescente disponibilidade de micro-estacas Práticas de viveiro adaptadas a um número limitado de clones Plantios em escala comercial Plantios heterogêneos Gradual estabelecimento de plantios clonais em larga escala Total adoção de programas clonais Clones elite IMA (m 3 /ha/year)

13 Plataforma para biotecnologia Maiores variações na qualidade da madeira de clones elite no Brasil (Fonte: Gomide, 2006) E. grandis E. urograndis 48,6% 49,3% 43,9% 57,6% 44,4% 46,7% 50,2% 54,5% 31,7% 27,5% 30,5% 27,5% Lignina Celulose Rendimento em Celulose Lignina Celulose Rendimento em Celulose Clone "H" Clone "B" Clone "A" Clone "F" Densidade 482 Kg/m Kg/m 3 Densidade 510 Kg/m Kg/m 3 13

14 Primeiros experimentos com Eucalipto transformado (qualidade da madeira) Redução de lignina Análises preliminares (9 meses; 16 meses) Maior relação S:G Análise conclusiva (4 anos) Resultados esperados Lignina mais facilmente removível Maior rendimento em celulose Menor consumo de Dióxido de Cloro no processo de branqueamento 14

15 Primeiros experimentos com Eucalipto transformado (crescimento) Experimentos nos EUA ( proof of concept ) Transgênico Transgênico Controle Controle Populus Pinus Primeiros experimentos com Eucalipto no Brasil serão estabelecidos pela ArborGen em 2009 /

16 Desenvolvimento de clones elite de Pinus Plataforma para transformação genética no futuro 1 Tecido embriogênico 6 Plantio comercial 2 Crio-preservação 5 Propagação do clone selecionado 4 Teste clonal 3 Propagação de centenas de clones 16

17 Desenvolvimento de clones elite de Pinus Plataforma para transformação genética no futuro Material genético desenvolvido na América do Sul clones de famílias elite em testes de campo Teste clonal CMPC (Argentina) Teste clonal - Rigesa Teste clonal - Klabin Material genético desenvolvido nos EUA (ArborGen Testing Service) Mais de clones de famílias elite em testes de campo nos EUA 5 clones em testes de campo na América do Sul Teste clonal ATS Zonas de Melhoramento ATS Teste clonal Valor Florestal 17

18 Desenvolvimento de clones elite de Pinus Plataforma para transformação genética no futuro Distribuição dos experimentos de campo Nº de clones (EUA) 2 5 Nº de clones (América do Sul) Empresas parceiras Distribuição dos testes de campo 1. São Paulo 2. Paraná 3. Santa Catarina 4. Minas Gerais 5. Mato Grosso do Sul 6. Argentina 7. Uruguai 18

19 Primeiros experimentos com Pinus transformado (crescimento) Experimentos de prova de conceito nos EUA: Transgênico Controle Transgênico Controle 19

20 Agenda Produtos agrícolas melhorados via biotecnologia Biotecnologia em Eucalipto e Pinus no Brasil Eucalipto tolerante ao frio 20

21 Eucalipto tolerante ao frio Potencial para o Sul do Brasil Eucalipto convencional exposto a baixas temperaturas (- 6ºC): E. dunnii 3 meses E. grandis 9 meses 21

22 Eucalipto Tolerante ao Frio Potencial para o Sul do Brasil Alternativas E. dunnii E. benthami E.grandis x E.viminalis (?) E. urograndis (áreas restritas) E. urograndis 2 anos Eucalipto transgênico (potencial a curto prazo): E. urophylla, E. urograndis Flexibilidade na época de plantio Ganhos operacionais (silvicultura / colheita) Produção / propagação Maior produtividade 22

23 Eucalipto Tolerante ao Frio Potencial para o Sul do Brasil Métodos de Propagação e Produção já foram desenvolvidos para clones elite Clone A Clone B Mini-estacas produzidas por cepa 7 estacas / mês 10 estacas / mês Enraizamento 85 % Casa de Vegetação dias 95% 18 dias 23

24 Eucalipto Tolerante ao Frio Potencial nos EUA 24

25 Engenharia genética para tolerância ao frio Gene CBF e mecanismo Indução da rota metabólica de proteção ao frio. Encontrado em todas as plantas. Plantas adaptadas a clima tropical não expressam adequadamente a rota metabólica. Primeira demonstração em Arabidopsis que superexpressão do gene CBF confere tolerância ao frio. Expressão é controlada por promotor de indução ao frio. 25

26 Eucalipto Tolerante ao Frio Testes iniciais indução a baixas temperaturas Brotos terminais mortos ou danificados Brotos terminais intactos 60 linhagens transgênicas produzidas 73% das linhagens apresentaram algum grau de resistência Seleção para testes de campo Controle Linhagem transgênica 26

27 Eucalipto Tolerante ao Frio Testes iniciais indução a baixas temperaturas Controle Transgênico Dieback (%): altura relativa correspondente ao aparecimento de folhas danificadas (em relação a altura total do caule). 27

28 Eucalipto Tolerante ao Frio Distribuição dos experimentos de campo e resumo dos dados de temperatura 25ºF 20ºF 15ºF -4ºC -7ºC -9ºC 28

29 Eucalipto Tolerante ao Frio Experimentos de 1 a fase nos EUA Site: Carolina do Sul Plantio: Julho 2006 Controle Linhagem 427 Linhagem 435 Janeiro 2007 (final do 1º inverno) Março 2007 (apos 1º inverno) 29

30 Eucalipto Tolerante ao Frio Experimentos de 1 a fase nos EUA Site: Carolina do Sul Plantio: Julho 2006 Foto: Janeiro 2007 Linhagem 427 Linhagem 435 Dano típico observado nas linhagens selecionadas restrito a folhas jovens emergentes e ponta dos galhos 30

31 Eucalipto Tolerante ao Frio Experimentos de 1 a fase nos EUA Site: Carolina do Sul Plantio: Julho 2006 Foto: Janeiro 2007 Foto: Janeiro

32 Eucalipto Tolerante ao Frio Experimentos de 1 a fase nos EUA Site: Carolina do Sul Plantio: Julho 2007 Resultados: Maio 2008 (alguns meses após 1º inverno) Controle Linhagem 427 Linhagem

33 Eucalipto Tolerante ao Frio Experimentos de 1 a fase nos EUA Site Alabama Plantio: Julho 2006 Fotos: Novembro 2006, antes do 1º inverno (altura média = 2,4 m) Controle Linhagem 427 Linhagem

34 Eucalipto Tolerante ao Frio Experimentos de 2 a fase nos EUA Site: Alabama Plantio: Julho 2006 Foto: Dezembro 2007 (antes do 2º inverno) Foto: Março 2008 (após 2º inverno) Controle Linhagem 435 Altura média = 8,7m 34

35 Eucalipto Tolerante ao Frio Experimentos de 2 a fase nos EUA Site: Alabama Plantio: Julho 2006 Foto: Abril 2008 (após 2º inverno) 35

36 Eucalipto Tolerante ao Frio Experimentos de 2 a fase nos EUA Conclusões gerais dos testes de campo Linhagens selecionadas são as mesmas em diferentes sites. Diferenças significativas normalmente observadas em temperaturas de -6ºC a -9ºC. Outras variáveis afetam tolerância ao frio (época de plantio, qualidade de mudas, condições de solo). 36

37 Eucalipto Tolerante ao Frio Experimentos de 2 a fase nos EUA Site: Alabama Plantio: Novembro 2005 Altura (m) 12,0 9,0 6,0 3,0 0,0 Temp. mínima: 5,8ºC Temp. mínima: 6,3ºC Temp. mínima: 6,8ºC Dieback (1) : altura relativa (em relação à altura medida antes do inverno) correspondente a ocorrência de folhas danificadas. Classe de copa (2) : avaliação qualitativa após inverno, baseada na intensidade de retenção de folhas. Ano Temp. mínima Nº de horas (acumum.) Dieback (%) (1) Classe de copa (2) 4,0ºC 6,7ºC EH EH /06 5,8ºC 10,3 0 5,3 5,2 7,2 06/07 6,3ºC 28,0 0 9,1 12,1 12,6 78,2 79,4 72,5 07/08 6,8ºC 10,3 0,8 89,9 9,0** 6,8** 0,0 55,6** 53,8** 37

38 Eucalipto Tolerante ao Frio Experimentos de 2 a fase nos EUA Site: Louisiana Plantio: Julho 2006 Resumo (análises fenotípicas) Conclusões gerais do processo experimental Alta correlação ( 0,87) entre temperatura mínima e dieback foi identificada para o controle. Nas linhagens transformadas, a variável mais importante foi nº de horas em temperaturas abaixo de 4ºC. 38

39 Eucalipto Tolerante ao Frio Experimentos de 2 a fase nos EUA 8 meses 18 meses 39

40 Eucalipto Tolerante ao Frio Experimentos de 2 a fase nos EUA Dados coletados na idade de 2,3 anos Site Sebring, FL Loxley, AL Linhagem DAP médio (cm) Altura média (m) IMA7 estim. (m3/ha/ano) 11,4 11,5 11,7 11,4 14,7 14,4 12,3 12,

41 Conclusões gerais A transformação genética é uma tecnologia já amplamente utilizada na produção agrícola, e agora também disponível para espécies florestais; Ganhos significativos obtidos pelo melhoramento convencional do Eucalipto no Brasil compõem a plataforma básica para a biotecnologia; O desenvolvimento de materiais transformados (qualidade da madeira, crescimento, tolerância ao frio e à seca) deve ocorrer paralelamente aos avanços obtidos no melhoramento florestal; Os ganhos significativos que serão proporcionados pela biotecnologia irão garantir e ampliar a vantagem competitiva já alcançada pelo setor florestal brasileiro. 41

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