Apresentação - Esalq
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Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas LGN LGN 5799 5799 –– SEMINÁRIOS SEMINÁRIOS EM EM GENÉTICA GENÉTICA E E MELHORAMENTO MELHORAMENTO DE DE PLANTAS PLANTAS Melhoramento gen ético de arroz para genético tolerância ao frio Aluna: Fátima Bosetti Orientador: José Baldin Pinheiro Departamento de Genética Avenida Pádua Dias, 11 – Caixa Postal 83, CEP:13400-9710 – Piracicaba – São Paulo – Brasil Telefone: (0xx19) 3429-4250 / 4125 / 4126 – Fax: (0xx19) 3433-6706 – http://www.genetica.esalq.usp.br/semina.php Introdução Arroz: Arroz Cereal mais consumido exclusivamente como alimento humano; Estimativa de que até 2025 o mundo deverá produzir 70% mais arroz do que produziu em 1995; Para acompanhar essa estimativa: respostas do melhoramento. – Introdução Objetivos Gerais: Alto potencial produtivo Estabilidade na produção Resistência a doenças Qualidade de grãos Específicos: Tolerância à salinidade, à seca, à toxidade por ferro e Tolerância ao frio. frio Introdução Origem tropical; Faixa de cultivo: latitude: 50ºN a 40ºS; altitude: 0 a 3000 m; Temperatura ótima: 25 a 30ºC. Introdução FRIO MEMBRANA CELULAR Transição física de um estado flexível líquidocristalino a uma fase de gel líquido; Atividade do cloroplasto; Funcionamento celular; Relações hídricas; Crescimento; Introdução FRIO MEMBRANA CELULAR Nas cultivares menos suscetíveis: Maior potencial de síntese de ácidos graxos insaturados Maior estabilidade da membrana Mudanças nos padrões de síntese de proteínas e níveis de mRNA Introdução Tabela 1. Temperatura ótima e efeito da temperatura baixa (ºC) sobre o crescimento e desenvolvimento da planta de arroz. Estádio de desenvolvimento Temperatura crítica Ótima Baixa Efeito da temperatura baixa Germinação Germinação 20-35 20-35 10 10 Inibição, atraso e diminuição do % de germinação Emergência e estabelecimento da plântula Emergência 25-30 25-30 12-13 12-13 Atraso e diminuição do número de plantas emergidas Desenvolvimento da raiz 25-28 16 31 7-12 Raquitismo e amarelecimento das folhas Diminuição do número de perfilhos e da taxa de crescimento Alongamento da folha Perfilhamento 25-31 9-16 Iniciação do primórdio floral 25-30 15 Emergência da panícula 25-28 15-20 Antese Antese Maturação 30-33 30-33 20-25 22 22 12-18 Poucas raízes e pequenas Inibição da formação do grão de pólen e das espiguetas Má exerção da panícula Retardamento da abertura das flores e esterilidade das espiguetas Alongamento da fase de enchimento do grão e manchado do grão Estádios de desenvolvimento mais sensíveis ao frio Germinação Atraso e diminuição na porcentagem de germinação; Semente é altamente tolerante à baixa temperatura; Na germinação a semente torna-se sensível; Cultivares tolerantes Potencial de sintetizar mais ácidos graxos insaturados do que cultivares suscetíveis e menor dormência. Estádios de desenvolvimento mais sensíveis ao frio Desenvolvimento inicial de plântula Atraso no desenvolvimento; Redução na altura; Amarelecimento das folhas; Perfilhamento é baixo e lento. Estádios de desenvolvimento mais sensíveis ao frio Reprodutivo Má exerção da panícula; Esterilidade das espiguetas: Inviabilidade do pólen (frio na microsporogênese) Indeiscência das anteras (frio na antese); Manchas nas espiguetas. Grupos cultivados INDICA Cultivadas nos trópicos JAPÔNICA Regiões temperadas Europa Califórnia Sul e Sudeste da Ásia Japão Filipinas América do Sul Austrália Perdas RS - Prejuízos superiores a 25% no rendimento de grãos a cada 3 anos; Chile - % de esterilidade que normalmente flutua de 10 a 12% pode chegar a 60%; Austrália - Perdas entre 0,5 e 2,5 t/ha em 75% dos anos. Temperatura Difícil controle a nível de manejo; Tolerância genética das cultivares; Existe variabilidade genética. Melhoramento de arroz para tolerância ao frio ? Análise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz tolerantes ao frio na Austrália Identificação de genótipos de arroz tolerantes ao frio nas condições climáticas locais; Desenvolvimento de cultivares tolerantes ao frio; Utilização de 2 modelos na análise: Modelo de simulação de rendimento; Modelo SAMBOY Rice. Singh et al (2005) Análise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz tolerantes ao frio na Austrália Tabela 2. Produtividade de grãos observada e simulada para a cultivar Amaroo, 1987 a 1999 Ano Produtividade observada (t/ha) Produtividade simulada (t/ha) Produtividade em condições ótimas (t/ha) Perda pelo frio (t/ha) 1987 6.6 7.4 9.9 2.5 1988 8.1 7.9 10.4 2.4 1989 8.8 9.0 9.5 0.5 1990 9.1 8.4 9.6 1.2 1991 9.8 9.7 10.2 0.5 1992 9.5 8.5 9.4 0.9 1993 8.3 8.8 8.8 0.0 1994 8.8 8.8 9.2 0.4 1995 9.5 9.4 9.9 0.5 1996 6.7 7.1 9.5 2.4 1997 9.0 10.0 10.0 0.0 1998 9.6 9.6 9.8 0.2 1999 9.7 9.7 9.7 0.0 Média 8.73 8.78 9.67 0.89 Fonte: Farrel at al. (2001) Singh et al (2005) Análise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz tolerantes ao frio na Austrália Tabela 3. Probabilidade de perdas devido ao frio em diferentes temperaturas mínimas críticas Perdas (t/ha) Maior que 2.5 Probabilidade de perdas a temperatura mínima crítica Atual Atual – 1ºC Atual – 2ºC Atual – 3ºC 0.00 0.00 0.00 0.00 Entre 2.0-2.5 0.11 0.00 0.00 0.00 Entre 1.5 – 2.0 0.02 0.02 0.00 0.00 Entre 1.0 – 1.5 0.09 0.07 0.00 0.00 Entre 0.5 – 1.0 0.29 0.22 0.09 0.02 Menor que 0.5 0.22 0.33 0.31 0.24 Total de anos com ocorrência de frio 33 29 18 12 Total de anos 45 45 45 45 0.64 0.40 0.27 Probabilidade de ser um 0.73 ano com ocorrência de frio Fonte: Estimativa de dados de R. Williams Singh et al (2005) Análise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz tolerantes ao frio na Austrália Tabela 4. Perdas devido ao frio, de 1955 a 2000. Perdas Perda média (t/ha/ano) Valor da perda média ($/ha/ano) Perdas a temperatura mínima crítica Atual Atual – 1ºC Atual – 2ºC Atual – 3ºC 0.72 0.34 0.14 0.04 150 71 29 8 Área com arroz (000ha) 154.6 154.6 154.6 154.6 Valor total de perdas (milhões$/ano) 23.2 10.9 4.5 1.3 Perda máxima ($/ha/ano) 2.5 1.6 0.9 0.3 Valor da perda máxima ($/ha/ano) 520 333 188 62 Fonte: Estimativa de dados de R. Williams Singh et al (2005) Análise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz tolerantes ao frio na Austrália Redução de perdas Uso de N Benefício Diminuição no ganho de produtividade Custo da inclusão Singh et al (2005) Análise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz tolerantes ao frio na Austrália Pressuposições assumidas: Impacto da tecnologia: 32 anos (2002 a 2034); A cultivar tolerante ao frio alcançaria 40% da área de cultivo no 4º ano após sua liberação; Cultivar tolerante ao frio ficaria disponível em 9 anos, enquanto não tolerante em 6 anos; Incremento de produtividade de 5% ao ano. Singh et al (2005) Análise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz tolerantes ao frio na Austrália Tabela 5. Resultados da análise de benefício-custo para projeto de tolerância ao frio Indicador Valor Relação Benefício-custo 17 Taxa deretorno retorno Taxa interna interna de 22% 22% ! Singh et al (2005) Estratégias de seleção Seleção a campo X condições controladas Condições de campo Condições controladas Metodologias de avaliação Na Germinação 10 a 25º C por 3 a 35 dias Porcentagem de germinação; Velocidade de germinação; Comprimento do coleóptilo; Comprimento da radícula. Metodologias de avaliação Tolerância ao frio no estádio de germinação em arroz: métodos de avaliação e caracterização de genótipos 13ºC por 28 dias e 28ºC por 7 dias Índice de germinação; Porcentagem de sementes com coleóptilo superior a 5mm; Porcentagem de redução no comprimento do coleóptilo. Cruz & Milach (2004) Metodologias de avaliação Tolerância ao frio no estádio de germinação em arroz: métodos de avaliação e caracterização de genótipos 28ºC por 72 hs, 13ºC por 96 hs, e 28ºC por 72 hs Recrescimento do coleóptilo após o período de frio. Cruz & Milach (2004) Metodologias de avaliação Tabela 6. Critério proposto para caracterização da tolerância ao frio de genótipos de arroz na germinação avaliada pela porcentagem de redução no comprimento do coleóptilo (REDCOL) e recrescimento do coleóptilo (COLREG). Classificação Altamente tolerante Altamente tolerante Tolerante Intermediária Sensível Altamente sensível sensível Altamente REDCOL % ≤ 25 ≤ 25 COLREG mm ≥≥20 20 ≤ 25 > 8 e <20 > 25 e < 50 ≥ 20 > 25 e < 50 > 8 e <20 ≤ 25 ≤8 ≥ 50 ≥ 20 ≥ 50 > 8 e <20 > 25 e < 50 ≤8 ≥≥ 50 50 ≤≤ 88 Cruz & Milach (2004) Metodologias de avaliação No estádio de plântula 10 a 20º C por 3 a 22 dias Índice de emergência; Porcentagem de sobrevivência; Altura; Grau de descoloração foliar. b) a) Tolerante 1 3 5 7 9 Suscetível Tolerante 1 3 5 7 9 Suscetível Exemplo de escala usada para avaliar a tolerância ao frio pelo grau de descoloração foliar. a) Plantas submetidas a temperatura diurna de 25ºC e noturna de 9ºC por 30 dias. b) Plantas submetidas a temperatura constante de 9ºC por 18 dias (Andaya & Mackill, 2003). Metodologias de avaliação Estádio reprodutivo 15 a 20º C por 3 a 10 dias Porcentagem de fertilidade ou esterilidade das espiguetas; Exerção da panícula. Metodologias de avaliação Tolerância ao frio do arroz no estádio reprodutivo sob condições controladas 17ºC por 3, 5, 7 e 10 dias na microsporogênese e na antese Porcentagem de redução na exerção da panícula; Porcentagem de redução na fertilidade das espiguetas. Cruz et al (2006a) Microsporogênese Antese Cruz et al (2006a) Metodologias de avaliação Tabela 7. Médias para porcentagem de redução na exerção da panícula de seis genótipos de arroz submetidos a quatro períodos de frio (17º) em dois estádios do período reprodutivo. Genótipo T S Quilla64117 Quilla66304 Diamante IR 8 IRGA 417 BRS 7 Genótipo Quilla64117 Quilla66304 Diamante IR 8 IRGA 417 BRS 7 3 dias 0 cB 14 bA* 0 cB* 168 aC* 5 cB* 7 cB* 3 dias 0 cdA 64 cA 127 bcAB 509 aB 130 bcA 202 bA Microsporogênese 5 dias 7 dias 50 bA 9 bA* 9 bB* 32 bAB* 332 aB* 443 aAB 3 bB* 7 bB* 17 bB* 47 bAB* Antese 5 dias 7 dias 0 dA 95 bA 123 bcA 97 bB 176 bcA 616 aA 653 aA 117 bA 117 bA 208 bA 243 bA 10 dias 55 bA 24 bA* 80 bA* 540 aA* 45 bA* 91 bA* 10 dias 0 dA 148 bcA 190 bcA 718 aA 129 cA 276 bA Letras minúsculas comparam genótipos por estádio e duração do frio. Letras maiúsculas comparam duração do frio por genótipo e estádio. * indicam diferenças entre estádios por genótipo e duração do frio. Cruz et al (2006a) Metodologias de avaliação Tabela 8. Médias para porcentagem de redução na fertilidade de espiguetas de seis genótipos de arroz submetidos a quatro períodos de frio (17º) em dois estádios do período reprodutivo. Genótipo Quilla64117 Quilla66304 Diamante IR 8 IRGA 417 BRS 7 Genótipo Quilla64117 Quilla66304 Diamante IR 8 IRGA 417 BRS 7 3 dias 0 aC 18 bA 1 dA* 21 cC 42 cdC 72 dB 3 dias 5 aA 7 bC 16 cC 18 cD 44 cdC 66 dB Microsporogênese 5 dias 7 dias 14 cB 2 cB * 2 aA* 7 cA* 37 bB* 83 abA 48 bC* 70 bB* 92 cA* 95 aA Antese 5 dias 7 dias 11 dA 55 bB 51 cB 27 aC 48 cB 66 bcC 87 bB 76 cB 99 aA 96 dA 99 aA 10 dias 27 bA* 19 cA* 6 cA* 89 aA* 93 aA* 99 aA 10 dias 7 cA 80 bA 80 bA 100 aA 100 aA 100 aA Letras minúsculas comparam genótipos por estádio e duração do frio. Letras maiúsculas comparam duração do frio por genótipo e estádio. * indicam diferenças entre estádios por genótipo e duração do frio. Cruz et al (2006a) Há fontes de variabilidade; Identificação pelas metodologias de avaliação; Genótipos com tolerância ao frio: Introdução direta Doadores Genética da tolerância ao frio Genética da tolerância ao frio Tolerância em diferentes desenvolvimento; estádios de Estudos em cada estádio separadamente, em condições controladas e tolerância medida de várias formas; O tipo de herança encontrado em cada estudo é válido somente para o caráter avaliado, o material genético utilizado e o grau de estresse empregado. Genética da tolerância ao frio Germinação Porcentagem e taxa de germinação (7 dias a 17ºC) h2 =0,74 a 0,87 (Shapit & Witcombre, 1998) Porcentagem de redução no comprimento do coleóptilo Crescimento do coleóptilo (28ºC por 2 dias; 13ºC por 3 dias e 28ºC por 2 dias) h2 = 0,59 a 0,79 - Foram envolvidas ação gênica aditiva e não aditiva (Cruz et al., 2006). Mapeamento de QTLs: 13 QTL’s atuando no controle genético de comprimentos das raízes, do coleóptilo e do mesocótilo, relacionados com vigor de plântula (Redoña & Mackill, 1996). 3 QTL’s para tolerância ao frio na fase de germinação, 2 no cromossomo 3 e 1 no cromossomo 4 (Fujino et al.,2004). Genética da tolerância ao frio Estádio de Plântula Amarelecimento de folhas (7 dias a 17ºC) h2 =0,69 a 0,73 (Shapit & Witcombre, 1998) (12ºC por 10 dias) h2 = 0,99 (Kaw, 1991) (10º C por 30 dias ) - Gene dominante determinando o não amarelecimento de folhas (Shahi & Khush, 1986, citado por Cruz & Milach, 2000). Altura de plântula (18ºC por 14 dias) - 4 a 5 genes com efeitos aditivos e de dominância envolvidas no caráter (Li & Rutger, 1980) Mapeamento de QTL’s: 15 QTLs associados com tolerância ao frio no estádio vegetativo. No cromossomo 12, qCTS12a foi associado com necrose e murcha e foi responsável por 41% da variação fenotípica (Andaya & Mackill, 2003). Identificação de possíveis genes candidatos de qCTS12 (Andaya &Tai, 2006). Genética da tolerância ao frio Estádio Reprodutivo Exerção da panícula Herança monogênica - Gene dominante (Pandey & Gupta, 1993). Porcentagem de fertilidade de espiguetas Herança poligênica - h2 0,35 a 0,45 (Khan et al., 1986). Mapeamento de QTLs 2 QTL’s (Ctb 1 e 2) relacionados com o comprimento da antera no cromossomo 4 (Saito et al., 2001) e identificação de genes candidatos de Ctb 1 (Saito et al., 2004). 9 QTL’s para tolerância ao frio no período reprodutivo nos cromossomos 1, 2, 3, 5, 6, 7, 9 e 12 (Andaya & Mackill, 2003). Dificuldades Cruzamentos Indica x Japônica Alto grau de esterilidade de híbridos; Introdução de caracteres indesejáveis. Herança genética Quantitativa no estádio reprodutivo. Dificuldades Metodologia de seleção Impraticável a utilização de equipamentos para seleção nas gerações segregantes; Caracteres de avaliação trabalhosa, demorada e subjetiva. Correlação nos diferentes estádios Falta de correlação entre a tolerância ao frio entre um estádio e outro. Perspectivas Utilização da fluorescência de clorofila Baseada no conhecimento de que a atividade do cloroplasto é afetada diretamente pelo frio; Quanto maior a fluorescência emitida, menor é o dano ao aparelho fotossintético e à molécula de clorofila. Perspectivas Cultura de anteras Perspectivas Variação somaclonal e seleção “in vitro” Perspectivas SOBREVIVÊNCIA (%) Transformação genética Identificação e tolerância ao frio de plantas super expressando o gene OsCIPK03. A: Análise gel-blot de RNA. B e C:Plantas transformadas (T10 e T24) e não transformadas (WT) antes e depois do frio (4ºC por 4 dias) e recuperação (25ºC por 5 dias). D: Porcentagem de sobrevivência. Xiang et al (2007) Perspectivas Grupo de ligação 4 Genes de tolerância Acúmulo de genes de tolerância ao frio através do desenvolvimento e uso de marcadores moleculares Transformação genética Identificação e isolamento de genes que aumentam a tolerância ao frio Plantas mais tolerantes ao frio Considerações finais Melhoramento de arroz para tolerância ao frio não é uma tarefa fácil, mas viável economicamente. Inicia-se na identificação de fontes de tolerância - Avaliação de germoplasma. OBRIGADA PELA ATENÇÃO!
