EMPREGO DE ESPÉCIES SILVESTRES NO MELHORAMENTO GENÉTICO VEGETAL: EXPERIÊNCIA EM OUTRAS. DE RETROCRUZAMENTO AVANÇADO ADO DE QTLs (AB-QTL)

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1 EMPREGO DE ESPÉCIES SILVESTRES NO MELHORAMENTO GENÉTICO VEGETAL: EXPERIÊNCIA EM OUTRAS ESPÉCIES COM ANÁLISE DE RETROCRUZAMENTO AVANÇADO ADO DE QTLs (AB-QTL) Márcio Elias Ferreira, Ph.D. Laboratório de Genética Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia Universidade Católica de Brasília

2 DOMESTICAÇÃO DO ARROZ A domesticação das espécies de plantas e a propagação seletiva de linhagens contendo mutações favoráveis resultou em um estreitamento progressivo da base genética das populações. Germoplasma silvestre Domesticação iniciada CULTIVADO SILVESTRE Melhoramento moderno

3 CAUSAS DE ESTREITAMENTO DA BASE GENÉTICA Diversidade inicial reduzida (Brasil: 10 acessos de arroz/68% conjunto gênico; América Latina: 12 acessos/>70% diversidade) Limitações na caracterização de germoplasma Católogo de descritores inexistente Resistência ao emprego de novo material no programa de melhoramento Probabilidade de obter linhagens superiores a partir de linhagens elites é alta Linkage drag Difícil de lidar, impõe restrições pela introgressão de alelos indesejáveis Incorporação de características quantitativas é árdua e complexa Requer trabalho meticuloso e complexo Espécie Acessos % de espécies silvestres trigo arroz milho soja batata tomate algodão

4 DECLÍNIO DAS TAXAS DE AUMENTO DE PRODUTIVIDADE Brasil: ganho genético < 1% ao ano 4,0 porcentagem 3,0 2,0 1,0 culturas agrícolas gramíneas

5 MAPEAMENTO DE QTLs estimar o número de locos envolvidos no seu controle, localizar estes locos nos cromossomos, avaliar a magnitude do efeito de cada loco no controle genético da característica, estudar os efeitos de substituição alélica nos locos envolvidos, medir as possíveis interações epistáticas entre locos analisar a expressão dos genes envolvidos em locos distintos em diferentes ambientes clonar gene de interesse em plantas (clonagem posicional)

6 MAPEAMENTO DE QTLs Entre outras informações, o mapeamento de QTLs tem revelado que: (1) As características complexas são controladas por muitos genes, mas de efeitos distintos. Uma grande proporção da variação genética pode ser explicada por poucos genes de efeito moderado. (2) A contribuição de alelos de interesse econômico pode vir de linhagens que fenotipicamente não revelam a característica de interesse (e possuem o alelo superior). Detecção de fenótipos transgressivos Acessos do banco de germoplasma têm grande potencial de uso na introgressão de genes de valor econômico (pouco explorado).

7 DIFICULDADES FENOTIPAGEM DE ESPÉCIES SILVESTRES performance muito inferior às linhagens melhoradas dificuldade de avaliação per se ou em populações balanceadas (ex. F2). Os dados ficam prejudicados pelo fato de características relacionadas ao processo de domesticação (ex., arquitetura da planta, deiscência dos frutos, etc.) estarem ainda operando. estratégia: análise fenotípica em etapas avançadas programa de introgressão, já estabilizadas no background genético recorrente Oryza glumaepatula

8 AB-QTL RETROCRUZAMENTO AVANÇADO DE QTLS AB-QTL (Advanced Backcross QTL Analysis) (Tanksley & Nelson, 1996). PASSOS: -mapeamento de QTLs em cruzamentos amplos -seleção de QTLs cujos alelos positivos são provenientes do doador. -Análise de fenótipo em geração avançada de retrocruzamento O. sativa BG 90-2 X O. glumaepatula RS 16 BG 90-2 X F1 -Seleção de linhagens quase-isogênicas com base em informação de QTLs PRODUTOS: BG 90-2 seleção X RC1 seleção RC2 Construção do mapa genético MAPEAMENTO DE QTLs -linhagens quase-isogênicas contendo alelos desejáveis para características quantitativas introgredidos de doador silvestre X RC2F2 (...) X Fenotipagem -Aumento de diversidade genética dos programas RC2F3 -Diminuição do efeito de linkage drag -Uso de acessos do banco de germoplasma (...) seleção X RC2F7 Linhagens quase-isogênicas

9 AB-QTL RETROCRUZAMENTO AVANÇADO DE QTLS Cruzamento Geração AB-QTL avaliada Número de característica(s) avaliadas Referência Tomate (L. esculentum x L. pimpinellifolium) BC2F1 and BC3 21 Tanksley et al., 1996 Tomate (L. esculentum x L. peruvianum) BC2, BC3 e BC4 35 Fulton et al., 1997 a,b Tomate (L. esculentum x L. hirsutum) BC3 19 Bernacchi et al, 1998a Tomate (avaliação de linhagens quaseisogênicas de L. esculentum x L. hirsutum e pimpinellifolium) várias 7 Bernacchi et al., 1998b Arroz (O. sativa x O. rufipogon) BC2 testcross 12 Xiao et al., 1998 Tomate (L. esculentum x L. parviflorum) BC3 30 Fulton et al., 2000 Arroz (O. sativa x O. rufipogon) BC2F2 8 Moncada et al., 2001 Arroz (O. sativa x O. glumaepatula) BC2F2 11 Brondani et al., 2002 Tomate (avaliação de linhagens quaseisogênicas de L. esculentum x hirsutum, peruvianum, pimpinellifolium e parviflorum) várias 16 Fulton et al., 2002 Milho (intraespecífico) BC2 testcross 6 Ho et al., 2002 Arroz (O. sativa x O. rufipogon) BC2F1 13 Thomson et al., 2003 Cevada (Hordeum vulgare x H. vulgare spp. BC2F2 13 Pillen et al., 2003 Spontaneum) Arroz (O. sativa x O. rufipogon) BC2F2 14 Septiningsih et al., 2003 Trigo (intraespecífico) BC2F3 5 Huang et al., 2003 Pêssego (Prunus persica x P. davidiana BC2 24 Quilot et al., 2004 Tomate (L. esculentum x L. pennellii) BC2F1 84 Frary et al., 2004 Algodão (Gossypium hirsutum x G. barbadense) Cevada (Hordeum vulgare x H. vulgare spp. Spontaneum) BC3F2 1 Chee et al., 2005 BC2 dihaplóide 3 (resistência a doenças) Von Korff et al., 2005

10 USO DE RECURSOS GENÉTICOS: espécies ORYZA AA BB,CC, BBCC, CCDD, EE FF,?? complexo sativa complexo latifolia/officinalis complexo Ridleyanae Tateoka complexo meyeriana AFRICA BBCC AA O. rufipogon=perennis O. sativa O. nivara 2n=24 ASIA O. meyeriana O. granulata BBCC O. minuta CC O. officinalis O. rhizomatis O. eichingeri AA O. schweinfurthiana AMERICA AA O. glumaepatula = O. rufipogon? O. paraguayensis? O. cubensis CCDD O. alta O. latifolia O. grandiglumis O. barthii= O. breviligulata O. glaberrima O. longistaminata FF O. brachyantha CC O. eichingeri BB O. punctata 2n=48 O. schlechteri O. ridleyi O. longiglumis AUSTRALIA AA O. meridionalis Oryza glumaepatula é introdução recente? Diferente de O. rufipogon? Existe diplóide DD na América? Quantas espécies tetraplóides existem? É possível utilizar O. glumaepatula em programas de melhoramento genético? EE O. australiensis

11 USO DE RECURSOS GENÉTICOS: espécies O. grandiglumis O. alta O. latifolia 2n=48 (CCDD) 2n=24 (AA) O. glumaepatula

12 USO DE RECURSOS GENÉTICOS: espécies 230 acessos silvestres estudados Polimorfismo de DNA em cpdna, mtdna e DNA nuclear 8% classificação errada gg l l aa aa GG 78-AA-glu 160-AA-glu 90-AA-glu 264-AA-glu 102-AA-glu 131-AA-bre 152-AA-bre 116-AA-sat 159-AA-sat 255-AA-niv 256-AA-niv 118-AA-sat 254-AA-niv 127-AA-gla 153-AA AA-lgt 132-AA-lgt 136-AA-lgt 259-AA-ruf 252-AA-gla 250-AA-bar 251-AA-bar 176-AA AA-mer 30-CCDD 1-CCDD 192-CCDD 163-CCDD 186-CCDD 183-CCDD 69-CCDD 12-CCDD 101-CCDD 40-CCDD 28-CCDD 31-CCDD 29-CCDD 162-CCDD 88-CCDD 199-CCDD 154-BBCC-pun 180-BBCC-pun 286-BBCC-pun 303-BBCC-pun 177-CC-off 237-CC-off 233-CC-off 241-CC-rhi 238-CC-rhi 178-CC-eic 230-CC-eic 232-CC-eic 167-BBCC-min 181-BBCC-min 247-BBCC-min 222-BB-pun 220-BB-pun 239-BB-pun lgg 283-lgg 272-FF-bra 284-gra 169-sub bamboo Oryza glumaepatula é introdução recente? Não (>20M anos). Diferente de O. rufipogon? Sim. Existe diplóide DD na América? Ainda em pesquisa. Quantas espécies tetraplóides existem? Aparentemente apenas uma. É possível utilizar O. glumaepatula em programas de melhoramento genético?

13 USO DE RECURSOS GENÉTICOS: espécies RETROCRUZAMENTO/QTL AVANÇADO: Cruzamento interespecífico O. sativa spp indica x O. glumaepatula linhagen parental receptora BG90-2 Elite (O. sativa BG 90-2) progênie retrocruzamento 1 (BC1) (250 (250 plantas) plantas) F1 Doadora planta doadora (Oryza glumaepatula) O. glumaepatula progênie retrocruzamento 2 RC2 (200(BC2) familias) (200 plantas) Análise c/ Marcadores Moleculares SSR - MAPEAMENTO de Análise de QTLs Análise de caracteres de interesse FENOTIPAGEM agronômico em diferentes localidades Seleção de linhagens quase-isogênicas Seleção de NILs (LQI) baseada em QTLs RM84 RM1 8.7 RM OG RM RM243 RM35 OS24 OG STSG23 RM9 RM23(1.9) RM RM OG65 OG79 RM OG73 OG35 1 OG12 OS23 RM81A(2.8) 8.7 OG6 4.9 RM235 RM12 LOD RM17 Theta 0.3 OS17 OS11 OS14 RM236 RM OS9A OS9B 7.8 OS8 9.8 OG OG RM OG102 OG101 GGC 9.4 RM OG OG110 RM OG19 (4.0; 0.3) OG20 RM RM RM OG RM213 OG31 OS26 RM207 STSG83 RM60 OG93 RM22 RM231 STSG37 OG66 OS16 RM36 OG5 RM7 RM251 OG39 OG99 RM16 RM168 OS5 OG57 OG44 RM148 Análise de LQI em experimentos replicados Programa de Melhoramento Linhagens em teste

14 RM RM1 6.7 RM OG RM259 RM243 RM OS24 OG STSG RM9 RM RM OG OG79 RM OG OG OG OS OG RM235 1 RM12 RM17 RM23(1.9) RM81A(2.8) LOD 3.0 Theta 0.3 OS17 OS11 OS RM RM OS9a OS9b OS OG OG17 RM262 OG102 OG GGC 5.6 RM263 OG25 OG RM OG20 1 RM240 RM RM208 OG63 RM OG OS26 RM207 STSG RM OG RM RM STSG OG66 OS RM OG5 4.9 RM7 4.9 RM OG OG RM RM OS OG OG RM148 RM261 OG OG OG RM RM255 OS15 OS35 RM122 1 RM STSG OG42 RM RM163 RM OG8 OG RM200 RM26 OG61 OG92 LOD 4.0 Theta 0.3 OG / OS RM RM RM RM OG72 RM RM214 RM2 9.8 RM11 OS22 RM OS RM RM STSG3 9.8 STSG86 RM248 OS OS RM OG OG85 RM44 1 RM RM RM256 RM OG37 OG10 RM OG OG OG106 RM257 OG RM OS12 RM245 RM215 OG RM OS OS29 RM RM258 OS RM OG26 (3.0; 0.3) RM20B RM4B 20.4 RM RM STSG RM209 RM229 OG RM RM224 RM20A RM4A A 16.6 RM RM OS32 OG22 USO DE RECURSOS GENÉTICOS: espécies USO DE RECURSOS GENÉTICOS: espécies

15 USO DE RECURSOS GENÉTICOS: espécies Dias até o florescimento Spiklets por panícula Altura da planta Porcentagem de grãos cheios por panícula Número de perfilhos Peso de 100 gãos; Número de panículas Produtividade por planta Comprimento da panícula Número de grãos cheios por panícula Produtividade de grãos por panícula Fam. RC2F2-84 região cromossômica introgredida de O. glumaepatula associada com o controle de número de panículas e número de perfilhos em arroz. Trait Chr Intervals Dist. (cm) Peak LOD p-value # tillers 5 RM163-RM <001 7 RM82-RM <001 8 OG28-RM < RM4B-STSG <001 # panicles 5 RM163-RM <001 7 RM82-RM <001 8 OG28-RM <001 Mapa genético baseado em microssatélites 5.5 RM84 OS17 STSG83 OG RM1 OS OG32 OG10 RM OS /485 RM RM RM OS19 OG OG RM RM204 OG13 RM OG64 OS9a RM RM231 OG106 OS9b RM253 STSG37 RM257 RM OS RM50 OG OG27 RM OG87 OG72 OS RM RM35 OG RM36 OS12 OS24 RM RM216 (3.0; 0.3) OG5 RM OG29 OG RM7 RM STSG OG RM OG45 RM9 RM23(1.9) 5.6 GGC 9.0 OG RM201 RM RM5 RM OG OS OS RM237 OG RM16 OS RM OG OG RM168 OG26 OG RM OS5 3.8 RM212 1 OG OG57 RM20B 3.8 OG73 RM OG RM4B 18.2 OG RM RM148 RM OG12 RM RM81A(2.8) OS OS23 OG63 1 RM122 LOD RM OG6 4.9 RM213 RM13 Theta STSG OG31 RM RM209 1 RM235 RM12 LOD 3.0 OS STSG43 RM229 RM17 Theta 0.3 RM207 RM OG7 OS RM OG RM254 OS34 RM11 RM RM249 RM OS22 RM OG RM RM RM164 RM20A OG OG OS OG RM4A 8.7 OG16 RM OG ARM19 OG RM252 RM RM RM RM234 RM26 OS RM223 STSG3 RM OG61 OG RM210 STSG86 OS15 OG RM256 RM248 RM230

16 USO DE RECURSOS GENÉTICOS: espécies Famílias selecionadas com produtividade maior ou igual a BG90-2 (Duncan s 5%). Alelo controlando incremento introgredido de O. glumaepatula MUDANÇA NA ARQUITETURA Caracterização é importante para uso direto de germoplasma (espécie silvestre) no programa de melhoramento 1 a colheita Monitoramento molecular diminui linkage drag Linhagens altamente produtivas desenvolvidas: >#panículas e ># perfilhos Mudança da arquitetura da planta: colheita dupla Theoretical and Applied Genetics (2002) 104: Hereditas (2001) 134:59-71 Genome (2001) 44: Molecular Ecology (1998) 7 (1): a colheita (até 70% da 1 a colheita)

17 USO DE RECURSOS GENÉTICOS: espécies Uma das famílias RC2F2 (CNAi 9920) apresentou um aumento de 145,8% no número de panículas por planta em relação à linhagem elite BG CNAi 9920 possui 12,6% do genoma de O. glumaepatula e supera BG 90-2 em número de perfilhos também. Por outro lado, o comprimento de panícula de CNAi 9920 foi o menor entre todas as 96 famílias testadas. Número de panículas é negativamente correlacionado com comprimento de panícula (Brondani et al., 2002).

18 USO DE RECURSOS GENÉTICOS: espécies nome da linhagem BG 90-2 METICA 1 CNAi 9930 CNAi 9931 CNAi 9932 CNAi 9933 CNAi 9934 CNAi 9935 CNAi 9936 CNAi 9937 % genoma O... 11,59% 5,40% 7,66% 13,72% 7,31% 8,60% 7,94% 7,12% glumaepatula RC2F2 - GO 8118 a a 9967 a 9940 a 9823 a 9757 a 9754 a 9660 a 9084 a RC2F4 - GO 9828 a a 9531 a 9244 a 8440 b 9672 a 9643 a a a RC2F7 - GO 8781 a 8802 a 9083 a 9292 a 7667 b 8271 a 9135 a 9031 a 8365 a 9063 a SOMA 9981 a 8807 b a a 9220 a 9514 a a a a a Cultivo Principal 7694 a 7323 b 8121 a 8047 a 6933 b 7360 b 7982 a 7799 a 7597 a 8071 a Soca 2287 a 1483 b 2005 b 2280 a 2286 a 2154 a 2299 a 2627 a 2688 a 2398 a Cultivo Principal a 9822 b a a a a a a a a Soca n0. perfilhos n0. panículas Cultivo Principal rendimento grãos inteiros Soca rendimento total rendimento grãos inteiros Cultivo Principal rendimento total Teor amilose A A A A A A A A A A Temp Gel A A A A A A A A A A Centro Branco Classe de LE LF LE LE LE LE LE LE LE LE grãos Coesividade LP LP S LP LP LP LP LP P LP Textura D D M M D D M D D D Rendimento panela Tempo Cozimento

19 USO DE RECURSOS GENÉTICOS: espécies

20 USO DE RECURSOS GENÉTICOS: espécies

21 USO DE RECURSOS GENÉTICOS: espécies O IDEÓTIPO Baixo perfilhamento SCIENCE, 1999 Alto perfilhamento

22 AGRADECIMENTOS Equipe: Gláucia Buso Cláudio Brondani Paulo Hideo Nakano Rangel Márcio Elias Ferreira Apoio: Embrapa UCB MCT/CNPq PADCT FAPDF Theoretical and Applied Genetics (2002) 104: Hereditas (2001) 134:59-71 Genome (2001) 44: Molecular Ecology (1998) 7 (1):