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Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

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(1)

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

(2)

SUMÁRIO

Introdução

Gene Opaco2

Milho QPM

(3)

Importância do milho no mundo

40° latitude S

58° latitude N

(4)

Importância do milho na alimentação

15% milho na alimentação humana, de forma direta

o indireta

(5)
(6)

Evolução da área colhida e da produção

de milho no mundo

Fonte: FAO STAT, 2009.

19

80

19

81

19

83

19

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19

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19

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04

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20

06

19

82

(P

ro

du

çã

o

(M

ilh

õe

s

t)

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

(7)

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

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86

19

87

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19

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0

1

2

3

4

5

20

07

y = 0,0641x + 3,035

R

2

= 0,88

Anos

(8)

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, 2009

(9)

Consumo 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

(10)

Consumo de energia alimentar

(11)

Estrutura interna do grão

Amido e

Glúten

Endosperma

(82%)

Amido

Ponta

(2%)

Pericarpo

ou casca (5%)

Gérmen

(11%)

Paes D. M., 2006

(12)

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

(13)

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

(14)

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

(15)

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

2

e o

2

Opaco 2

(o

2

/o

2

)

Cromossomo 7

Baixa a fração de zeínas (prolaminas)

Opaco2 (o2): fator de transcrição que regula a síntese de Zeínas.

(16)

Milho opaco2

Efeitos pleitrópicos

 Farináceo

 Secado mais lento

 Maior Incidência docências da

espiga

 Baixa eficiência no acumulo de

matéria seca no grão

(17)

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

2

0,49

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

2

Fração opaca

Fração vítrea

(18)

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

2

modificado (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.

(19)

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

(20)

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

2

o

2

)

 Combinação do Gen o

2

e modificadores genéticos

Milho QPM (Quality Protein Maize)

(21)

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

2

modificadas)

c

1

Recombinação de progênies o

2

parcialmente modificadas

250 progênies IG ou MI

(22)

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

5

Progênies de IG

Ensaios internacionais

de provas de progênies

Recombinação das 10

progênies superiores

Populações doadoras

(23)

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

2

o

2

) x Pai doador (o

2

o

2

)

F1= ½ O

2

o

2

½ o

2

o

2

Ensaios de produção

Principal atenção a planta e semente

Seleção e recombinação

População melhorada

RC1

(24)

Espigas de diferentes tipos de milhos

A= duro

B= dentado

C= opaco2

D= QPM

(25)

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. Dominicana

4,2 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

(26)

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

(27)

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

(28)

Germoplasma

13 Pool QPM

> 60 linhagens CML

CML140 – CML194

CML490 – CML493

CML524 – CML529

Fonte: http://www.cimmyt.org

(29)

Resultados com milhos QPM e normal

Naves et al. (2004) . Pesq. Agrop. Trop., 34(1): 1-8.

(30)

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

(31)

Resultados com milhos QPM e normal

(32)

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.

(33)

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

(34)

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

(35)

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 )}

(36)

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 M

Fonte: Sofi, 2009. Jour. Plant Breed. and Crop Sci., 1(6): 244-253

Dra. Villegas E.

(37)

Considerações finais

 No futuro, poderiam estar disponíveis técnicas mais sofisticadas, que

permitam distinguir grãos o

2

modificados 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,

(38)

GRACIAS

GRACIAS

OBRIGADO

(39)

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.

Darrigues A.; Lamkey K. R.; and Scott M. P. 2006. Breeding for grain acid composition in maize. In: Plant Breeding: The Arnel R. Hallauer International Symposium. Lamkey K. and Lee M. (Eds.). México City, México, 2003. 1st. Ed. Blackwell Publishing. P. 335-344.

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