Apresentação - Esalq

Programa de Pós-Graduação em
Genética e Melhoramento de Plantas
LGN 5799 - SEMINÁRIOS EM
GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS
Variabilidade de patógenos e o melhoramento de plantas
Aluno: Eng. Agr. MS Carlos Ivan Aguilar-Vildoso
Orientador: Dra. Aline A. Pizzirani-Kleiner
Departamento de Genética
Avenida 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
Introdução
Melhoramento
Resistência / Tolerância / Evasão
Métodos
Doença
“É um distúrbio fisiológico resultante de uma
irritação contínua causada por agentes bióticos
ou abióticos e que pode levar ao aparecimento
(Krugner, 1995; Agrios, 1997).
de sintomas”
“Todo mau funcionamento o qual resulta em
performance insatisfatória da planta ou o qual
reduz a habilidade da planta a sobreviver e
manter-se no seu nicho ecológico”
(Wheeler, 1975)
Ambiente
Doença
Hospedeiro
Patógeno
Processo fisiológico afetado pelo patógeno
I – Órgãos de reserva
II – Tecidos jovens
III – Absorção
Frutos afetados por
Diplodia - Citros
Pós-emergencia
Algodão
Huanglongbing ou
Greeening - citros
IV –Sistema vascular
V – Fotossíntese
Sistema radicular
Phytophthora - Soja
Superficial
Fumagina/citros
VI – Fotoassimilados
Caules afetados por
Agrobacterium - tomate
Ambiente
Doença
Hospedeiro
Patógeno
Ecossistema
Clima tropical
Continuidade de inóculo
Predominância de endemias
Inóculo inicial alto
Taxa aparente de infecção baixa
Crescimento da lesão como fonte
de inóculo
Doenças menos dependentes do
clima
Número de doenças por cultura é
alto
Comunidades heterogêneas
Clima temperado
Descontinuidade de inóculo
Predominância de epidemias
Inóculo inicial baixo
Taxa aparente de infecção alta
Aumento do número de lesões
como fonte de inóculo
Doenças mais dependentes do
clima
Número de doenças por cultura é
baixo
Comunidades homogêneas
Patogênese
Ciclo de vida de Uromyces maydis.
A planta possui vários
mecanismos de percepção do
ambiente que a rodeia, para
poder responder a esses
estímulos e assim sobreviver e se
reproduzir.
O mesmo também acontece com
os patógenos
Ambos não tem visão, audição nem fala.
Planta não se move, ou restrita a alguns órgãos e com limitação.
Fungos podem perceber a topografia
Alguns fungos e bactérias podem se movimentar.
Isto se resume:
Patógeno quer colonizar o hospedeiro
Hospedeiro quer deter o patógeno
Como eles vão perceber um ao outro???
Como vão se comunicar com as células próximas??
E como vá a ser com células distantes??
Interação ao nível molecular
1. Moléculas sinais/Receptores
2. Mensageiros
3. Fatores de transcrição
4. Resposta defesa / patogenicidade
2,3,4 → rotas metabólicas
Comunicação planta-patógeno
Velocidade de resposta
Quantidade dos sinais
Sinais / Respostas sequenciais (concatenadas)
Sinais por tempo determinado
Renovação de receptores
Ambiente
Doença
Hospedeiro
Patógeno
Planta
Que moléculas a planta reconhece para
poder tornar-se resistente, ou reagir à
colonização?
Que moléculas a planta reconhece para
poder tornar-se resistente, ou reagir à
colonização?
Grande número de compostos
Próprio / não-próprio
Gerais / específicos
Denominados de elicitores
Tipos de moléculas sinais
Carboidratos
Compostos fenólicos
Proteínas / peptídeos
Ácidos graxos
Hormônios
Moléculas sinais
Carboidratos
Fragmentos de parede celular ou de
glicoproteínas
Sinais fortes
Ex:
pectina (próprio)
Quitina e Quitosanas (não-próprio)
Mono-ou polímeros de manose (não-próprio)
Glucanas
• 1,4 e 1,6 em plantas (próprio)
• 1,3 em bactérias e fungos (não-próprio)
•O patógeno não pode liberar muitas sub-unidades da parede
•Nem ter enzimas hidrolíticas com alta atividade
Moléculas sinais
Compostos Fenólicos
Respostas sistêmicas ou translocados
por baixo PM
Externamente é um sinal
Difícil degradação
Formas:
Síntese de lignina
Síntese de fitoalexinas
Flavonóides/isoflavonóides
Ácido salicílico
Moléculas sinais
Proteínas / peptídeos
Porções proteícas da parede celular
(não são tão importantes).
Proteínas ou peptídeos que podem ser
usados para identificar o
microrganismo, recebem o nome de:
fator de avirulência
Translocação fácil mesmo com alto PM
Receptores altamente específicos
Moléculas sinais
Ácidos graxos
Porções da membrana plasmática
Da planta
Ácido linoléico α -18:3 para ác. jasmônico
Outros organismos (elicitores fortes)
Bactérias : ácidos graxos ramificados
Fungos :
• γ-18:3; α-20:3; α-20:4 e α-20:5
Não se movimentam muito
Respostas localizadas dos ác. graxos
Moléculas sinais
Hormônios
Auxinas
Citocininas
Giberelinas
Ácido Abscísico
Etileno
Açaõ sistêmica
Alteração dos seus níveis endógenos
Receptores
Proteínas de membrana ou do citoplasma
que ligam-se a sinais químicos, e tem
capacidade
de
produzir
ou
ativar
mensageiros, levando essa informação
para o núcleo ou desencadeando uma
resposta de defesa imediata.
Receptores
1.
Quinases /
fosfatases
2.
G- Proteínas
Receptores -Dominíos
LRR (repetições ricas em Leucina)
NBS (sítios de ligação a nucleotídeos)
Quinases
Genes de resistência
Classes de genes R com domínios comuns
Comparações com os genes de animais
Mensageiros intracelulares
DAG (Diacilglicerol)
Ca2+
InP3
(Inositoltrifosfato)
Calmodulina
cAMP
AOS (espécies ativas de oxigênio)
Mensageiros sistêmicos
Ácido salicilico
Metil-jasmonato
Fatores de transcrição
Ligação a genes por ativação,
modulação ou repressão
PRH; BPF; CPRF1; BIF; Myb
Atualmente, pesquisa intensa e
patentes
Patentes: INPI – Instituto Nacional de propriedade industrial www.inpi.gov.br
Links para patentes USA, CE e outros
Ações de defesa
Fitoalexinas
PR-Proteínas
Elastinas
Explosão oxidativa
Apoptose
Ambiente
Doença
Hospedeiro
Patógeno
Vários patógenos para o
mesmo hospedeiro
Mesmo hospedeiro com
diferentes sintomas/sinais
Fungos fitopatogênicos
Conidio de Erysiphe necator
(c) formando apressório (a)
e tubo germinativo (g) após
16 h a inoculação de folha
de Vitis vinifera cv. Dona
Maria. Penetração ocorre na
superfície intacta da folha
Infecção de Colletotrichum
gloeosporioides em folhas
de café após 36 (I), 48 (II),
and 72 h (III) dainoculação.
a: apressório; peg; ih: hifa
de infecção.
Diferenciação das estruturas de infecção e produção de
enzimas por Uromyces viciae-fabae.
Bactérias fitopatogênicas
Ciclo na formação de biofilme
Bactérias livres
(estado planktônico)
Bactérias agregadas
(biofilme)
Quorum-sensing
Respostas relacionadas à densidade celular
Serina-Homolactonas (SHL)
Genes de patogenicidade
Plant Cell
Microbe
Avr/Pth +
?
hrp
genes
-pH
-Salt
-Plant
Signals
-Nutrient
level
Nuclear Import of
Avr/Pth Protein
Nucleus
Programmed
Cell Response
--Division
--Host HR
--Nonhost HR
--Water soaking
(nutrient export?)
Bactéria fitopatogênica injeta proteínas efetoras pelo sistema de secreção do tipo III
(TTSS) dentro das células das plantas, resultando em (a) multiplicação bacteriana e
sintomas da doença em plantas susceptíveis e (b) a ativação da resistência local e
sistêmica em plantas resistentes.
Pseudomonas syringae pv. tomato AvrPtoB atua suprimindo a resposta de
hipersensibilidade nas células das plantas.
Pseudomonas syringae pv. tomato utiliza a fitotoxina coronatina (COR) e os
efetores do TTSS para ativar a via do ácido jasmônico e consequentemente inibir
a resposta de defesa mediada pelo ácido salicílico (AS) nas células das plantas.
Vírus
Luteovirus
BYDV
(Barley yellow
dwarf virus)
Luteovirus
BYDV (Barley yellow dwarf virus)
Variabilidade de patógenos
Classificação taxonômica
Gênero
Espécie
Subespécie
Forma specialis/patovar (fungos/bactérias)
Raças
Bactérias
Mutação
Trasdução
Transformação
Conjugação
Transferência horizontal
Fungos
Mutação
Recombinação sexual
Heterocariose (anastomose)
Parassexualidade
Transferência horizontal
Tipos de seleção
Figura. Tipos de seleção que afetam as frequências alélicas. G0 é a frequência
alélica inicial e G1é a de uma geração após um ciclo de seleção.
Figure . Sobredominância ocorre quando um heterozigoto possui
uma maior capacidade adaptativa que o seus homozigotos.
Perda de sensibilidade ao triadimenol em populações de
Rhynchosporium secalis no Reino Unido. .
Quebra da resistência dos genes existentes nas
variedades de cevada “Victoria” e “Bond” pela ferrugem
Patógeno
Variabilidade estrutural
Variabilidade genética
Variabilidade na patogenicidade
Esporângios
Zoósporos
Oósporos
Clamidósporos
Phytophthora infestans - batata
Patógeno
Clonais
Sexuais
Mistos
Histórico do desenvolvimento de
variedades na culturas
Primeira fase
Seleção de variedades locais
Primeira fase - Efeitos
Epidemias
Segunda fase
Introdução de genes de resistência
Resistência vertical
Resistência horizontal
Segunda fase - Efeitos
Quebra de genes de resistência
X= 2n
Raças
Genes R
0
1
2
3
1,2
1,3
2,3
1,2,3
r
S
S
S
S
S
S
S
S
R1
R
S
R
R
S
S
R
S
R2
R
R
S
R
S
R
S
S
R3
R
R
R
S
R
S
S
S
R1,R2
R
R
R
R
S
R
R
S
R1,R3
R
R
R
R
R
S
R
S
R2,R3
R
R
R
R
R
R
S
S
R1,R2,R3
R
R
R
R
R
R
R
S
S=susceptível; R=resistente
Terceira fase (Flor)
Introdução de vários genes de resistência
Estratégias Melhoramento
Multilinhas
Piramidamento
Teoria gene a gene
Um fator de avirulência para cada cada fator
de resistência
Patógeno
Planta
Avirulento
Virulento
Suscetível
+
+
Resistente
-
+
+=
interação compatível (ocorre doença)
-=
interação incompatível (planta sadia)
A planta somente é resistente quando reconhece o
patógeno. Teoria de Flor com ferrugem do trigo
Terceira fase - Efeitos
Conciência da variabilidade dos
patógenos e suas implicações
Super-raça
Erosão genética
Efeito vertifolia (efeito da erosão genética
na resistência horizontal)
Efeito carona de genes de patogenicidade
Figura Inoculação de 10 isolados de Mycosphaerella graminicola em trigo. A)
frequência relativa na cultivar de trigo resistente Madsen e B) da susceptível Stephens.
C) M1-M5 foram obtidos da cultivar Madsen e S1-S5 da cultivar susceptível Stephens.
Quarta fase (transgênicos)
Introdução de genes exógenos
Exemplo de planta transgênica
resistênte a vírus
Mosaico do mamoeiro
Papaya ringspot virus (PRSV)
PRSV - Mamão
Hawai -1992
Hawai -1994
Testes de campo
Campo em Kapoho em 1995, mostrando um bloco da
variedade Rainbow crescendo bem enquanto a não
transgênica Sunrise é severamente afetada pelo mosaico
do mamão (PRSV). Foto tirada após 19 meses da
semeadura no campo de seleção.
Comparação da infecção pelo PRSV em mamão
transgênico (Rainbow) e do não-transgênico em
1995 em seleções de campo em Kapoho.
Quarta fase - Efeitos
Quebra de genes exógenos??
Seleção de estratégias no patógeno??
(mudança total de um gene de
patogenicidade para um de resistência?)
Transferência horizontal??
Quinta fase (globalização das doenças
/ mudanças ambientais ou globais)???
Novas áreas agrícolas
(melhoramento a novos ambientes)
Globalização de doenças
(concientização, quarentenas e fiscalização)
Fechamento de germoplasma
(patentes/variedades protegidas)
Patentes: INPI – Instituto Nacional de propriedade industrial www.inpi.gov.br
Links para patentes USA, CE e outros
Efeito estufa
Aumento na concentração do dióxido de
carbono (CO2), metano (CH4), monóxido de
carbono (CO), Óxido nitroso (N2O), óxidos de
nitrogênio (NOx), ozônio (O3) e outros gases.
Consequências
Aquecimento global
Modificação dos ventos
Pluviosidade
Circulação dos oceanos
Estimativas do aquecimento global
Mudanças
Acreditasse que os fitopatógenos serão os
primeiros a refletir as mudanças
climáticas.
Populações numerosas
Facilidade de multiplicação e disseminação
Curto tempo entre gerações
Culturas com maior risco, obtenção de
variedades resistentes.
(Ghini, 2005)
Previsões para o Brasil
Aumento de 3 a 5 ºC
Aumento das chuvas de 11%
Março a maio (colheita)
Setembro a novembro (culturas de inverno)
Maior aquecimento na Amazônia e menor no Sudeste
Região Sul mais umida
Amazônia mais seca
Trigo (-30%) e milho (-16%) na produção
redução do ciclo em 15% para trigo e milho
Soja sem efeito no ciclo e +21% produtividade
(Siqueira et al. 2001; Ghini, 2005)
Variações climáticas x doenças
Influência de “El niño” → alteração na temperatura e
precipitação.
Cuba
Requeima da batata
• Phytophthora infestans
Mofo azul do fumo
• Peronospora hyosciami f.sp. tabacina
• (Goméz et al. 1999)
Norte da China e meio oeste dos Estados Unidos
Ferrugens do trigo
• Puccinia striiformis f.sp. tritici
• Puccnia graminis f.sp. tritici
• (Scherm & Yang, 1995)
Doenças quarentenárias - Citrus
A1 – Doença não existente no país
Vassoura-de-bruxa de Omã e Stubborn
A2 – Doença restrita a regiões
com
programas de erradicação ou contenção da
disseminação.
Cancro cítrico e HLB (ex-greening)
Doenças regulamentares –
disseminada no país
Verrugose e melanose
Amplamente
Doenças quarentenárias
Única restrição pela OMC que pode limitar a
comercialização sem haver sanções posteriores.
Tem que ser realizado um trabalho preliminar
sobre o potencial de risco da praga.
MAPA- Ministério de Agricultura, Pecuária e Abastecimento www.agricultura.gov.br
American Phytopathological Society
www.apsnet.org/online/common/toc.asp
Quinta fase - Efeitos
Surgimento de novos patógenos
Novas raças
Ressurgimento de doenças (mudanças na
sua importância)
Medidas
Trabalho multidisciplinar
Introdução de germoplasma
Aumentar os quarentenários e suas
estruturas
Fiscalização internacional
Programas de melhoramento dinâmicos,
U.S. Department of Agriculture's (USDA)
Animal and Plant Health Inspection Service (APHIS). www.aphis.usda.gov