RETROCRUZAMENTOS NO MELHORAMENTO GENÉTICO DE PLANTAS

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1 Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas LGN SEMINÁRIOS EM GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS RETROCRUZAMENTOS NO MELHORAMENTO GENÉTICO DE PLANTAS Mestranda: Aliandra Graña de Medeiros Orientador: Prof. Dr. Natal Antonio Vello Departamento de Genética Avenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: Piracicaba - São Paulo - Brasil Telefone: (0xx19) / 4125 / Fax: (0xx19)

2 1. Histórico Uso no melhoramento animal 1922 Harlan e Pope EUA cereais de grãos pequenos 1922 Briggs cultivares de trigo resistentes à doença da cárie (Tilletia indica)

3 2. O que é o retrocruzamento? Obtenção de um indivíduo com grande parte do genótipo do genitor recorrente com exceção dos genes de interesse que são providos pelo genitor doador Genitor recorrente e doador (não-recorrente) Aplicável em espécies de qualquer sistema reprodutivo autógamas e alógamas Série de cruzamentos da progênie de duas cultivares selecionadas com um dos genitores (genitor recorrente)

4 Genitor recorrente Genitor Doador Geração F 1 % média recorrente e doador 50 recorrente 50 doador x x RC 1 75 recorrente 25 doador x RC 2 87,5 recorrente 12,5 doador x RC 5 RC 6 98,44 recorrente 1,56 doador x 99,22 recorrente 0,78 doador Adaptado de: BORÉM (2005)

5 3. Número de retrocruzamentos Depende: Grau de recuperação desejado do genitor recorrente Mérito agrícola do genitor doador Intensidade de seleção das características do genitor recorrente durante o programa

6 3. Número de retrocruzamentos Depende: Diferença genotípica entre genitor recorrente e doador Uso de marcadores moleculares Ligação gênica entre o gene em transferência e outros indesejáveis

7 4. Efeito da Ligação Gênica A = resistência à doença Genitor recorrente a B Genitor doador A b a = suscetibilidade à doença a B X A b B = flor roxa b = flor branca RC 1 : A a F 1 b B X a a B B alelo B reintroduzido em cada retrocruzamento

8 a B Genitor recorrente Ocorrência de permuta genética Quebra de ligação a A a B b B F 1 RC 1.1 : a B a B a B a b A b a B A B a B Tipos não-recombinantes Tipos recombinantes

9 Probabilidade de eliminar alelo indesejável: Seleção somente para o gene desejável que está sendo transferido 1 (1 p) m + 1 onde: p taxa de recombinação m número de retrocruzamentos

10 Exemplo: b taxa de recombinação p = 0,01 ou 1 cm durante 4 retrocruzamentos 1 (1-0,01) = 1 (1-0,01) 5 = = 1 0,951 = 0,049 4,9%

11 4. Efeito da Ligação Gênica Linkage drag arrasto devido à ligação Stam e Zeven (1981) e Zeven et al. (1983) quantificação do linkage drag

12 Arrasto de DNA em virtude da ligação gênica, após várias gerações de retrocruzamentos Geração Proporção do genitor recorrente (%) Arrasto de DNA do genitor doador (cm) F 1 50, RC 1 75, RC 2 87, RC 3 93, RC 4 96, RC 5 98, RC 6 99, RC 10 99, RC 20 99, Stam e Zeven (1981)

13 5. Transferência de Características no Retrocruzamento Caracteres de alta herdabilidade governados 1 ou poucos genes doenças Caracteres quantitativos de herança relativamente simples precocidade, altura da planta, tamanho e forma de sementes Expressão do caráter: Número de genes x herdabilidade Transferência de alelos dominantes e recessivos

14 6. Transferência de Alelos Dominante Genitor recorrente x Genitor doador aa AA F 1 Aa 1º retrocruzamento (RC 1 ) Aa x aa descarte RC 1.1 : 1/2 Aa : 1/2 aa*

15 RC 1.1 : 1/2 Aa : 1/2 aa* descarte 2º retrocruzamento (RC 2 ) Aa x aa RC 2.1 : 1/2 Aa : 1/2 aa* descarte 6º retrocruzamento (RC 6 ) Aa x aa RC 6.1 : 1/2 Aa : 1/2 aa* descarte

16 RC 6.1 : 1/2 Aa : 1/2 aa* descarte Autofecundação das plantas Aa: 1 AA : 2 Aa : 1 aa* Autofecundação das plantas Aa e AA nova cultivar Aa: segregam AA: não segregam

17 Ex.: Transferência do gene de resistência à ferrugem do colmo (Puccinia graminis tritici ) do trigo para a cultivar Pawnee Genitor recorrente Pawnee (rr) X Genitor doador cultivar resistente (RR) RC 1 : F 1 (Rr) X rr 50% Pawnee Pawnee RC 1.1 : Rr : rr* 75% Pawnee descarte Adaptado de: POEHLMAN (1959)

18 RC 2 : Rr X (rr) 87,50% Pawnee Pawnee Rr : rr* descarte 93,75% Pawnee RC 4 : Rr X (rr) Pawnee rr* : Rr 1 rr* : 1 RR : 2 Rr RR 96,88% Pawnee

19 6. Transferência de Alelos Recessivo Genitor recorrente x Genitor doador AA aa F 1 Aa 1º retrocruzamento (RC 1 ) Aa x AA RC 1.1 : 1/2 AA : 1/2 Aa

20 RC 1.1 : 1/2 AA : 1/2 Aa Autofecundação 1 AA* 1 AA*: 2 Aa*: 1 aa 2º retrocruzamento (RC 2 ) aa x AA RC 2.1 : Aa 3º retrocruzamento (RC 3 ) Aa x AA RC 3.1 : 1/2 AA : 1/2 Aa

21 Autofecundação 1 AA* 1 AA*: 2 Aa*: 1 aa 4º retrocruzamento (RC 4 ) aa x AA 6º retrocruzamento (RC 6 ) aa x AA RC 6.1 : Aa RC AA*: 2 Aa*: 1 aa Nova versão da cultivar

22 Ex.: Transferência do gene de resistência à podridão da raiz (Pythium arrhenomanes) no sorgo da cultivar Club Kafir para a cultivar Custer Genitor Recorrente Custer (RR) (suscetível) X Genitor Doador Club Kafir (rr) (resistente) RC 1 : F 1 (Rr) X Custer (RR) RC 1.1 : 1/2 RR : 1/2 Rr Adaptado de: VEGA (1988)

23 RC 1.1 : 1/2 RR : 1/2 Rr 1 RR* 1 RR* : 2 Rr* : 1 rr RC 2 : rr x Custer (RR) RC 3 : Rr x Custer (RR) RC 5 : 1/2 RR : 1/2 Rr 1 RR : 1 RR* : 2 Rr* : 1 rr Nova cultivar

24 7. Estratégias de Transferência de Várias Características Características Qualitativas 1) Programa Seqüencial um gene ou característica de cada vez em um programa 2) Programa Paralelo 2 subprogramas cada característica é transferida independentemente 3) Programa Simultâneo características transferidas de uma só vez em um programa

25 7. Estratégias de Transferência de Várias Características 1) Programa Seqüencial um gene ou característica de cada vez em um programa Ex.: Obtenção do trigo Baart 38 resistente à ferrugem do colmo e doença da cárie

26 Obtenção do Trigo Baart 38 (segundo Briggs e Allard, 1953) Hope Resistência à ferrugem do colmo Baart Baart 35 Resistência à doença da cárie Baart Adaptado de: ALLARD (1971)

27 1930 Baart Genitor recorrente x Hope Genitor doador 1931 RC RC 3 F 4 Teste para ferrugem do colmo 1935 RC 5 x Baart F Resistentes à ferrugem do colmo e doença da cárie Baart 38 Teste para doença da cárie e ferrugem

28 7. Estratégias de Transferência de Várias Características 2) Programa Paralelo 2 subprogramas Ex.: Transferência de ausência de lipoxigenase (LOX), ausência do inibidor de protease Kunitz e conteúdo reduzido de ácido linolênico - Programa de Melhoramento da Qualidade da Soja (BIOAGRO/UFV)

29 Programa paralelo para transferência de alelos para ausência de lipoxigenase (LOX), ausência do inibidor de protease Kunitz e conteúdo reduzido de ácido linolênico 3 subprogramas 1º 2º 3º ausência de lipoxigenase FREITAS, C. F. 5 nov Acesso em: < ausência do inibidor de protease Kunitz conteúdo reduzido de ácido linolênico

30 Cultivares Recorrentes (Comerciais) 1) CAC-1 2) Cristalina RCH 3) Doko RC 4) IAC 12 5) Garimpo RCH 6) Paranaiba 7) Paranagoiana Cultivares Doadoras 1) Yumeitaka (origem japonesa) ausência lipoxigenases 1, 2 e 3 2) Linhagem BRM ausência inibidor de protease Kunitz (KTI) desenvolvida pela Embrapa Soja 3) Genótipo BARC 12 baixo teor de ácido linolênico, desenvolvido pelo USDA-ARS

31 1º Subprograma 2º Subprograma Obtidas: 7 isolinhas com ausência de lipoxigenases 1, 2 e 3 a partir do cruzamento do genitor doador Yumeitaka com as sete cultivares comerciais Obtidas: isolinhas com ausência do inibidor de protease Kunitz, a partir do cruzamento do genitor doador BRM com as sete cultivares comerciais Desenvolvidos ao mesmo tempo

32 3º Subprograma BARC-12 Genitor doador x Cultivares Comerciais (Genitores recorrentes) RC 1 : F 1 x Cultivares Comerciais RC 1.1 x Isolinhas das cultivares comerciais Seleção para baixo teor de ácido linolênico F 2 F 1 com ausência simultânea de lipoxigenases e inibidor de protease Kunitz (obtidas pelo retrocruzamento dos sub-programas 1 e 2)

33 F 2 x Isolinhas das cultivares comerciais RC 5 RC 5.2 Nova cultivar seleção de sementes para baixo teor de ácido linolênico, ausência de lipoxigenases e ausência do inibidor de protease Kunitz

34 7. Estratégias de Transferência de Várias Características 3) Programa Simultâneo características transferidas de uma só vez Ex.: Transferência de tolerância às doenças de final de ciclo e nematóide de galhas para a cultivar de soja Cristalina

35 Transferência de tolerância às doenças de final de ciclo e nematóide de galhas para a cultivar Cristalina Cristalina x Dourados Genitor recorrente Genitor doador 1 Tolerância doenças de final de ciclo F 1 x CD 201 Genitor doador 2 Cultivar de ampla adaptação no Brasil Central, Norte e Nordeste Cristalina x RC 1 RC 2 F 1 Cultivar X Tolerância ao nematóide de galhas Informação pessoal: UNFRIED & KIIHL (2007)

36 7. Estratégias de Transferência de Várias Características Características Quantitativas Número de genes Influência do ambiente Teste de Progênie Ex.: Desenvolvimento da cultivar de cevada Erbet derivada da transferência de um gene para precocidade da cultivar Prior na cultivar Betzes (Hockett e Eslick, 1972) 14 anos

37 8. Modificações nos Retrocruzamentos Obtenção de transgressivos Uso de 2 ou mais genitores recorrentes Redução para 1 ou 2 retrocruzamentos e seleção para produtividade e outros caracteres agronômicos seleção recorrente

38 8. Modificações nos Retrocruzamentos Inversão dos genitores (ex. conversão do sorgo nos EUA, MILLER, 1979) Doador = cultivares norte-americanos (genes: precocidade, menor altura de planta) Recorrente = germoplasma africano com resistência a muitas doenças Uso de marcadores moleculares

39 9. Uso de Marcadores Moleculares no Retrocruzamento Aceleram a recuperação do genótipo genitor recorrente Seleção de indivíduos com o alelo de interesse e com maior proporção do genoma recorrente Eliminação de descendentes com genes indesejáveis ligados aos genes de interesse provenientes do genitor doador

40 MESQUITA, A.G.G. Retrocruzamento assistido por marcadores SSRs em milho p. Tese (Doutorado em Genética e Melhoramento de Plantas) Universidade Federal de Lavras, Lavras, MG OBJETIVO: Testar a possibilidade de se utilizar marcadores microssatélites para auxiliar a seleção em programas de retrocruzamento em milho L 11 x L 13 Genitor recorrente Genitor doador alta inserção baixa inserção da espiga da espiga F 1 RC 1 : F 1 x L 11 RC 2 TOPCROSS

41 523 plantas RC1 35 plantas Avaliação para inserção da espiga 5 plantas 27 primers SSRs X L 11 RC2: 241 plantas 31 plantas com menor altura da espiga 68 primers SSRs

42 Plantas RC 2 selecionadas fenotipicamente e genotipadas com seus respectivos valores de altura de espiga (cm), e porcentagem de recuperação do genoma recorrente (% recuperação)

43 CONCLUSÃO: RC 2 2 plantas com uma recuperação de 98,20% do genitor recorrente Ganho de 3 ciclos de retrocruzamentos, comparando-se ao retrocruzamento convencional

44 QTL Analysis of Cotton Fiber Quality Using Multiple Gossypium hirsutum x Gossypium barbadense Backcross Generations Jean-Marc Lacape,* Trung-Bieu Nguyen, Brigitte Courtois, Jean-Louis Belot, Marc Giband,Jean-Paul Gourlot, Ge rard Gawryziak, Sandrine Roques, and Bernard Hau Published in Crop Sci. 45: (2005) OBJETIVO: Introgressão de características para qualidade de fibra no algodão da espécie G. barbadense para G. hirsutum

45 Genitor recorrente Guazuncho (G. hirsutum) x Genitor doador VH8 (G. barbadense) Análise de QTL de 11 propriedades de fibra de 3 populações RC 1, RC 2, RC QTLs identificados Comprimento, resistência, finura e cor influenciados por 15, 12, 21 e 16 QTLs

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47 CONCLUSÃO: Como o esperado, para a maioria dos QTLs, os alelos favoráveis foram provenientes do genitor VH8 (G. barbadense) Casos de colocalização de QTLs para diferentes características foram mais freqüentes do que posições isoladas. Levando em consideração essas regiões ricas em QTLs, 19 regiões em 15 diferentes cromossomos foram identificadas como regiões-alvo para estratégia de introgressão assistida por marcadores

48 10. Potencial de Uso do Retrocruzamento Vantagens Condução fora do ambiente a que o genitor recorrente está adaptado Ótima previsibilidade do resultado Uso de cultivar conhecida Gera novos genótipos com características superiores ao genitor recorrente

49 10. Potencial de Uso do Retrocruzamento Desvantagens Transferência de um ou poucos genes Competitividade do genitor recorrente às demais variedades do mercado Comprometimento do sucesso da nova versão

50 11. Considerações Finais Uso de germoplasma exótico Introdução de resistência vertical Formação de isolinhas Incorporação de caracteres provenientes de plantas transgênicas

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