LGN 5799 - SEMINÁRIOS EM
GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS
Programa de Pós-Graduação em
Genética e Melhoramento de Plantas
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
MELHORAMENTO GENÉTICO DE MILHO PARA AUMENTAR A
QUALIDADE DE PROTEÍNA NO GRÃO
Aluno: Pedro José García Mendoza
SUMÁRIO
Introdução
Gene Opaco2
Milho QPM
Importância do milho no mundo
40° latitude S
58° latitude N
Importância do milho na alimentação
15% milho na alimentação humana, de forma direta
o indireta
Evolução da área colhida e da produção
de milho no mundo
Fonte: FAO STAT, 2009.
19
80
19
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19
82
(P
ro
du
çã
o
(M
ilh
õe
s
t)
(Á
re
a
(M
ilh
õe
s
ha
.)
y = 11,958x + 366,36
R2= 0,87
y = 0,8113x + 123,38
R2=0.7234
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Área (Milhões ha)
Produção (Milhões t)
20
Evolução da produtividade do
milho no mundo
Fonte: FAO STAT, 2009.
P
ro
du
tiv
id
ad
e
(t
/h
a)
19
80
19
81
19
83
19
84
19
85
19
86
19
87
19
88
19
89
19
90
19
91
19
92
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94
19
95
19
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0
1
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3
4
5
20
07
y = 0,0641x + 3,035
R
2= 0,88
Anos
Principais países produtores de milho
no mundo. Ano 2007
5,010
791,795
158,034
Mundo
6,435
53,314
8,285
União Européia
2,792
7,125
2,552
África do sul
2,440
18,960
7,770
Índia
5,853
580,504
(73,32%)
88,451 (55,97%)
Sub-Total
7,666
21,755
2,838
Argentina
3,206
23,513
7,333
México
3,785
52,112
13,767
Brasil
5,151
151,949
29,497
China
9,458
331,175
35,015
USA
Produtividade
(t/ha)
Produção
(Milhões t)
Área
(Milhões ha)
Países
Fonte: FAOSTAT, 2009Consumo médio de milho per capitã
(kg /ano)
> de 100 kg /ano
Entre 50 ate 99 kg /ano
██ ██ ██ ████
Entre 19 e 49 kg /ano
Entre 6 e 18 kg /ano
< de 6 kg /ano
Consumo de energia alimentar
Estrutura interna do grão
Amido e
Glúten
Endosperma
(82%)
Amido
Ponta
(2%)
Pericarpo
ou casca (5%)
Gérmen
(11%)
Paes D. M., 2006
Percentagem do constituinte total indicado nas
estruturas físicas específicas do grão de milho
7,0
0,8
1,0
0,9
0,8
0,1
2
Ponta
54
1,2
2,9
2,6
1,3
0,6
5
Pericarpo
12
69,3
78,4
26
82,6
1,3
11
Gérmen
28,9
17,9
74
15,4
98
82
Endosperma
% da parte (Base seca)
Fibras
Açúcares
Minerais
Proteínas
Lipídeos
Amido
% grão
Fração
Proporções da composição
química do grão de milho
Amido
Proteínas
Vitaminas e minerais
Fibra
Óleo
72,5%
9,5%
5,5%
9%
4%
Paes D. M., 2006
Proporção da fração de proteína no
grão de milho
Fonte: Darrigues et al. 2006
Proteína de baixa qualidade: Lis, trp
e Leu
60%
34%
3%
3%
Prolaminas
Glutelinas
Albuminas
Globulinas
Solúveis em Álcoois relativamente fortes
Solúveis soluções alcalinas
O Gene Opaco2 (o
2
o
2
)
Fonte: Mertz et al., 1964. Science. 145: 279-280.
4
3
2
Opaco2 (o
2)
Floury2 (fl
2)
Milho normal
Mutante
Porcentagem de Lis na proteína de milho normal e nos mutantes fl
2e o
2Opaco 2
(o
2/o
2)
Cromossomo 7
Baixa a fração de zeínas (prolaminas)
Opaco2 (o2): fator de transcrição que regula a síntese de Zeínas.
Milho opaco2
Efeitos pleitrópicos
Farináceo
Secado mais lento
Maior Incidência docências da
espiga
Baixa eficiência no acumulo de
matéria seca no grão
Genes modificadores da textura do grão
Paez et al. (1969).
Paez et al. (1969). Crop Sci. 9:251-252.
0,28
Vítreo
-Oh29
0,42
Fração vítrea
2
0,45
Fração opaca
2
(Oh29/o
2)S
20,49
Todo opaco
1
Conteúdo Lis*
Fenótipo
Espiga
Genótipo
* Porcentagem de Lis baseado no grão total
Conteúdo de lisina em as frações vítreas e opacas
Grãos de milho o
2Fração opaca
Fração vítrea
Genes modificadores da textura do grão
Vasal, 1994
São uma série de genes que aparentemente não tem nenhum efeito
próprio, porém interagem e modificam a expressão dos mutantes.
Lócus: o
2modificado (Opm)
Holding et al. 2008. Os genes que controlam o fenótipo do endosperma são muito complexo,
porem efetivos em melhorar as características negativas do grão o
2.
Correlação negativa entre Qualidade
de Proteína e vitreosidade.
Exceções ocorrem quando a proteína
das amostras é monitorada.
Herança dos modificadores
Informação é limitada (
No., Localização e mecanismos de ação
)
Hall, M., 1982
Poucos genes
Burnett and Larkins, 1999
Pollacsek, M., 1999
Dominância
Dominância Parcial
Aditiva
Vasal, 1994
Estratégias de melhoramento para o
desenvolvimento de grãos duros
Novos mutantes
Vasal, 2000
Alteração da relação Gérmen - Endosperma
Seleção Recorrente para explorar a variação de Lis em Pop. de milho
Combinação de mutantes duplos: (su
2o
2)
Combinação do Gen o
2e modificadores genéticos
Milho QPM (Quality Protein Maize)
Desenvolvimento do milho
QPM (Quality Protein Maize)
Fase 1. Desenvolvimento de doadores QPM (Pai não Recorrente)
a. Seleção Intrapopulacional.
Recombinações adicionais com seleção
melhorar a performance.
Pais doadores e melhoramento por Seleção Recorrente Intrapopulacional (SRI)
Vasal, 2000
(5 População alta freqüência espigas o
2modificadas)
c
1Recombinação de progênies o
2parcialmente modificadas
250 progênies IG ou MI
Desenvolvimento do milho QPM
Fase 2. Desenvolvimento de Germoplasma QPM.
a. Seleção Recorrente em germoplasma QPM.
SRIG utilizando provas de progênies internacionais (IPTT) (2 á 5 ciclos)
Recombinação 10 melhores progênies em cada local
Variedades locais.
Recombinação 10 melhores progênies em todos os locais
Variedades gerais.
Vasal, 2000
C
1-C
5Progênies de IG
Ensaios internacionais
de provas de progênies
Recombinação das 10
progênies superiores
Populações doadoras
Desenvolvimento do milho QPM
Fase 2. Desenvolvimento de Germoplasma QPM.
b. Retrocruzamento com Seleção Recorrente.
Converter germoplasma potencialmente útil á opaco 2 duro
Pai Recorrente (O
2o
2) x Pai doador (o
2o
2)
F1= ½ O
2o
2½ o
2o
2Ensaios de produção
Principal atenção a planta e semente
Seleção e recombinação
População melhorada
RC1
Espigas de diferentes tipos de milhos
A= duro
B= dentado
C= opaco2
D= QPM
Comparação da produtividade e outros
caracteres de populações de milho normal e
sua versão QPM
4,0 3,1 59 62 122 131 91,2 5,90 6,47 La Posta 3,7 2,3 57 56 112 100 94,9 5,08 5,35 Ant. Rep. Dominicana4,2 2,5 58 61 115 117 92,3 5,90 6,39 Tuxpeño Caribe 3,2 2,5 57 61 110 125 97,7 5,23 5,35 Amarillo Dentado 5,7 2,9 58 58 106 103 96,4 5,24 5,43 Mezcla Amarilla 4,5 2,9 58 60 105 107 92,9 5,68 6,12 Mix.1 Col. Gpo. 1 x Eto
5,4 2,2 60 61 110 111 99,4 6,15 6,19 Tuxpeño-1 QPM Normal QPM Normal QPM Normal do normal QPM Normal Espigas podres (%) Floração (dias) Altura Espiga (cm) QPM em relação Produção (t /ha) Material
Fonte: Vasal, 1994
Comparação da produtividade e outros caracteres
de híbridos de milho QPM em 15 locais do El
Salvador, Guatemala e México, 1998.
219 98 0,1 9,82 CML161 xCML165 207 91 6,0 8,09 CLQ3301 x CML193 Tropicais 223 98 1,8 9,82
Híbrido normal (Testemunha)
Subtropicais
228 56
9,5 5,58
Híbrido normal (Testemunha)
239 55 5,7 6,28 (CLQ6203 x CML150) x CML176 230 56 4,3 6,39 CML159 x CML144 242 55 3,7 6,48 CML142 x CML146 Altura de planta (cm) FF (dias) Espigas podres (%) Produção (t/ha) Pedigree
Fonte: Vasal, 2000
Germoplasma
Duro
A
Precoce
Tropical
QPM amarelo Precoce
Duro
61
Dentado
A
Intermediário
Sub-Trop.
QPM Temperado
Amarelo Dentado
70
Duro
A
Intermediário
Sub-Trop.
QPM Temperado
Amarelo
69
Dentado
B
Intermediário
Sub-Trop.
QPM Temperado Branco
Dentado
68
Duro
B
Intermediário
Sub-Trop.
QPM Temperado Branco
Cristalino
67
Dentado
A
Tardia
Tropical
QPM Amarelo Dentado
66
Duro
A
Tardia
Tropical
QPM Amarelo Duro
65
Dentado
B
Tardia
Tropical
QPM Branco Dentado-1
64
Dentado
B
Tardia
Tropical
QPM Branco Dentado-1
63
Duro – semi Duro
B
Tardia
Tropical
QPM branco Duro
62
Textura
grão
Cor
grão
Maturidade
Adaptação
Nome
Pop.
No
Fonte: http://www.cimmyt.org
Germoplasma
13 Pool QPM
> 60 linhagens CML
CML140 – CML194
CML490 – CML493
CML524 – CML529
Fonte: http://www.cimmyt.org
Resultados com milhos QPM e normal
Naves et al. (2004) . Pesq. Agrop. Trop., 34(1): 1-8.
Resultados com milhos QPM e normal
Naves et al. (2004) . Pesq. Agrop. Trop., 34(1): 1-8.
43,2 c
2,58 c
8,4 e
BR 136 (Milho comum)
58,2 b
3,54 b
20,8 d
BR 451 (QPM branco)
55,5 b
3,37 b
21,3 cd
BR 473 (QPM amarelo)
67,8 a
4,16 a
28,0 bc
Caseína 7
57,4 b
3,49 b
34,4 b
Arroz - Feijão
65,9 a
4,04 a
45,7 a
Caseína 10
NPU
NPR
(g)
Tratamento
Índice biológico
Ganho de peso
Grupo/
Ganho de peso corpóreo e índices biológicos de ratos Wistar mantidos durante dez
dias ingerindo rações com diferentes fontes e teores de proteína
NPR: Net Protein Ratio (Ração protéica líquida); NPU: Net Protein Utilization (Utilização protéica líquida).
Em uma mesma coluna, médias com letras iguais não apresentam diferenças significativas a 5 % de probabilidade pelo teste de Tukey.
Conclusão:Os milhos QPM constituem alimentos promissores para uso em programas
Resultados com milhos QPM e normal
Resultados com milhos QPM e normal
Gutierrez et al. 2008. Cereal Chem. 85(6):808–816
Propriedades tecnológicas e nutricionais em farinhas e Tortillas feitas
com milho QPM nixtamalizado e extrusão
Milho normal
Milho QPM
Propriedade
1,34 c
2,50 a
2,30 a
1,84 b
Taxa de eficiência protéica
70,5 c
76,8 a
75,0 a
73,4 b
Verdadeira
73,7 c
78,4 a
78,8 a
76,1 b
Aparente
Digestibilidade da proteína
2,3 b
4,2 a
4,2 a
4,3 a
Lisina disp. (g/100g de proteína)
10,88 c
15,54 a
9,06 d
13,18 b
Fibra dietaria (%)
MASECA
Extrusado
Nixtamalizado
Cru
Conclusão: O uso do QPM para a preparação de farinhas e tortillas pode ter um efeito
positivo sobre o estado nutricional de pessoas de países onde esses produtos são
amplamente consumidos.
Resultados com milhos QPM
Graham et al. 1990. Pediatric. 85(1):85–91
QPM como a única fonte de proteína e gordura para o crescimento de
crianças
338 ± 38
421 ± 65
mg de N
Medição do crescimento
Consumo /kg-d
Dieta
2,6 ± 0,8
1,33 ± 0,26
106 ±12
Leite de vaca
2,63 ± 0,62
1,23 ± 0,24
110 ±15
Milho QPM
g/kg-d
Cm/30 dia
kcal
Conclusão: Taxas iguais de crescimentos em os dois tipos de dietas, indicam que o
milho QPM oferece um grande potencial para as crianças em países em vias de
desenvolvimento e desenvolvido.
10 crianças recebendo 90% da sua dieta energética e 100% de proteínas do milho QPM.
10 crianças recebendo sua dieta energética baseada numa formula de leite de vaca
Resultados com milhos QPM e normal
Ortega et al. 2008. Archivos Latinoamericanos de Nutrición 58(4):377–385
Efeito do milho QPM vs milho normal no crescimento e morbidade de
crianças da Nicarágua.
Atol de maíz
Tibio com leche
Pupusa de queso
Refrigerante de
pinolillo
Pozol
Forma de
complemento
Preparação do
milho
Quantidade de milho e outros ingredientes em
complemento dado a cada criança
Hora
Dia
Cozido e
moído
25,4 g de milho + 10,8 g de queijo + 8 mL de
leite + 6 ml de água.
3:00
Qua
Tostado e
moído
36,3 g de milho + 5,4 g de cação + 200 mL de
água + AGFA.
3:00
Ter
Cozido e
moído
31,9 g de milho, 200 ml de água, açúcar
granulado fortificada com vitamina A (AGFA).
9:00
Seg
21,8 g de milho + 32 ml de leite em pó
reconstituída + 168 ml água + AGFA
36,3 g de milho + 150 ml de leite em pó
reconstituída + AGFA
Moer e depois
cozer
9:00
Sex
Tostado e
moído
9:00
Qui
48 crianças desnutridas de Nicarágua (CDI)
1 a 5 anos de idade / 3,5 meses
Ortega et al. 2008. Archivos Latinoamericanos de Nutrición 58(4):377–385
Efeito do milho QPM vs milho normal no crescimento e morbidade de
crianças da Nicarágua.
1,23
89,90 ±8,21
88,68 ±8,60
2,02
91,91 ±6,45
89,88 ± 6,96
Altura (cm)
-0,23
-2,06 ±0,62
-1,83 ±0,67
0,06
1,90 ±0,74
-1,95 ±0,66
Altura – Idade (Ponto Z)
-0,26
-1,68 ±0,61
-1,42 ±0,52
0,17
-1,14 ±0,62
-1,30 ±0,59
Peso – Idade (ponto Z)
Milho Normal
Milho QPM
Indicador de
-0,57 ±0,75
11,85 ±1,80
37,20 ±12,57
Inicial
0,24
0,80
3,5
Diferencia
-0,05 ±0,86
13,20 ±1,58
43,33 ±11,81
Final
Final
Diferencia
Inicial
crescimento
0,19
12,04 ±2,06
12,39 ±11,8
Peso (kg)
3,5
40,71 ±12,57
39,83 ±11,8
Idade, meses
0,71 ±0,84
-0,14
-0,29 ±0,79
Peso – Altura (Ponto Z)
Segundo as curvas de crescimento da OMS (2006), ao inicio do estudo:
4 crianças= severamente desnutridos (altura- idade Z <-3).
A maioria das crianças= desnutrição leve {segundo os três índices (-2< Z<-1)}.
Número intermediário= moderadamente desnutridos {segundo os três índices (-2 < Z> -3 )}
Q P M Q P M Q P M QPM Q P M QP M Q P M Q P M Q P M Gana Burkinia Faso Q P M Q P M Guiné Benin Etiópia Quênia
Milho QPM no mundo
Q P M Q P M Q P MFonte: Sofi, 2009. Jour. Plant Breed. and Crop Sci., 1(6): 244-253
Dra. Villegas E.
Considerações finais
No futuro, poderiam estar disponíveis técnicas mais sofisticadas, que
permitam distinguir grãos o
2modificados de grãos vítreos normais, o
que facilitaria o processo de seleção neste tipo de milhos.
O desenvolvimento de milho QPM depende da integração de uma
equipe multidisciplinar e multiinstitucional.
Para acelerar a produção de novos cultivares QPM competitivos, os
mecanismos que controlam a modificação do endosperma e o papel
desempenhado pelas zeínas precisam ser mais estudados.
informações sobre os benefícios do consumo de milho QPM podem
incentivar a exigência de consumidores por este genótipo e,
GRACIAS
GRACIAS
OBRIGADO
Referencias
CIMMYT (Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo). 2000. World Maize Facts and Trends. Disponível em:
http://www.cimmyt.org/Research/Economics/map/facts_trends/maizeft9900/pdfs/maizeft9900_Part1a.pdf. Acesso em: 20 set. 2009.
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