Apresentação - Esalq

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:
ƒ Alto potencial produtivo
ƒ Estabilidade na produção
ƒ Resistência a doenças
ƒ Qualidade de grãos
Específicos:
ƒ Tolerância à salinidade, à seca, à toxidade
por ferro e Tolerância ao frio.
frio
Introdução
Origem tropical;
Faixa de cultivo:
ƒ latitude: 50ºN a 40ºS;
ƒ 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;
ƒ Atividade do cloroplasto;
ƒ Funcionamento celular;
ƒ Relações hídricas;
ƒ Crescimento;
Introdução
FRIO
MEMBRANA CELULAR
Nas cultivares menos suscetíveis:
ƒ 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
ƒ 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:
ƒ Inviabilidade do pólen (frio na microsporogênese)
ƒ Indeiscência das anteras (frio na antese);
Manchas nas espiguetas.
Grupos cultivados
INDICA
ƒ Cultivadas nos trópicos
JAPÔNICA
ƒ 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:
ƒ Modelo de simulação de rendimento;
ƒ 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:
ƒ Introdução direta
ƒ 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
ƒ (7 dias a 17ºC) h2 =0,74 a 0,87 (Shapit & Witcombre, 1998)
Porcentagem de redução no comprimento do coleóptilo
Crescimento do coleóptilo
ƒ (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
ƒ (7 dias a 17ºC) h2 =0,69 a 0,73 (Shapit & Witcombre, 1998)
ƒ (12ºC por 10 dias) h2 = 0,99 (Kaw, 1991)
ƒ (10º C por 30 dias ) - Gene dominante determinando o
não amarelecimento de folhas (Shahi & Khush, 1986, citado por
Cruz & Milach, 2000).
Altura de plântula
ƒ (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.
ƒ No cromossomo 12, qCTS12a foi associado
com necrose e murcha e foi responsável por
41% da variação fenotípica (Andaya & Mackill, 2003).
ƒ Identificação de possíveis genes candidatos de
qCTS12 (Andaya &Tai, 2006).
Genética da tolerância ao frio
Estádio Reprodutivo
Exerção da panícula
ƒ Herança monogênica - Gene
dominante (Pandey & Gupta, 1993).
Porcentagem de fertilidade de
espiguetas
ƒ 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
ƒ Alto grau de esterilidade de híbridos;
ƒ Introdução de caracteres indesejáveis.
Herança genética
ƒ Quantitativa no estádio reprodutivo.
Dificuldades
Metodologia de seleção
ƒ Impraticável a utilização de equipamentos para
seleção nas gerações segregantes;
ƒ Caracteres de avaliação trabalhosa, demorada e
subjetiva.
Correlação nos diferentes estádios
ƒ Falta de correlação entre a tolerância ao frio entre
um estádio e outro.
Perspectivas
Utilização da fluorescência de clorofila
ƒ Baseada no conhecimento de que a
atividade do cloroplasto é afetada
diretamente pelo frio;
ƒ 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!