Melhoramento genético de arroz para tolerância ao frio

(1)

Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

LGN 5799 – SEMINÁRIOS EM GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS

Melhoramento genético de arroz para

tolerância ao frio

Melhoramento gen

é

tico de arroz para

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

(2)

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.

–

Introdu

(3)

Objetivos 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 frioTolerância ao frio.

Introdu

(4)

Origem tropical; Faixa de cultivo: latitude: 50ºN a 40ºS; altitude: 0 a 3000 m; Temperatura ótima: 25 a 30ºC. Introdu

(5)

Transição física de um estado flexível líquido-cristalino a uma fase de gel líquido;

Atividade do cloroplasto;

Funcionamento celular;

Relações hídricas;

Crescimento;

Introdu

Introduççãoão

FRIO

(6)

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

Introdu

FRIO

(7)

Temperatura crítica Estádio de desenvolvimento

Ótima Baixa Efeito da temperatura baixa

Germinação 20-35 10 Inibição, atraso e diminuição _{do % de germinação} Emergência e estabelecimento da plântula 25-30 12-13 Atraso e diminuição do _{número de plantas emergidas} Desenvolvimento da raiz 25-28 16 Poucas raízes e pequenas Alongamento da folha 31 7-12 Raquitismo e amarelecimento _{das folhas} Perfilhamento 25-31 9-16 Diminuição do número de perfilhos e da taxa de

crescimento

Iniciação do primórdio floral 25-30 15 Inibição da formação do grão _{de pólen e das espiguetas} Emergência da panícula 25-28 15-20 Má exerção da panícula

Antese 30-33 22 Retardamento da abertura das flores e esterilidade das espiguetas

Maturação 20-25 12-18 Alongamento da fase de enchimento do grão e manchado do grão

Tabela 1. Temperatura ótima e efeito da temperatura baixa (ºC) sobre o crescimento e desenvolvimento da planta de arroz.

Introdu

Germinação 20-35 10

Antese 30-33

Emergência 25-30 12-13

(8)

Germina

Germinaççãoão

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.

Est

Estáádios de desenvolvimento mais dios de desenvolvimento mais sens

(9)

Desenvolvimento inicial de plântula

Desenvolvimento inicial de plântula Atraso no desenvolvimento;

Redução na altura;

Amarelecimento das folhas; Perfilhamento é baixo e lento.

Est

(10)

Reprodutivo

Má exerção da panícula;

Esterilidade das espiguetas:

Inviabilidade do pólen (frio na microsporogênese)

Indeiscência das anteras (frio na antese);

Manchas nas espiguetas.

Est

(11)

INDICA

Cultivadas nos trópicos

JAPÔNICA

Regiões temperadas Grupos cultivados

(12)

Califórnia América do Sul Europa Austrália Sul e Sudeste da Ásia Japão Filipinas

(13)

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.

Perdas

(14)

Difícil controle a nível de manejo;

Tolerância genética das cultivares;

Existe variabilidade genética.

Temperatura

(15)

Melhoramento de arroz para tolerância ao frio

(16)

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)

An

Anáálise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz lise econômica do desenvolvimento de cultivares de arroz tolerantes ao frio na Austr

(17)

Ano _{observada (t/ha)}Produtividade _{simulada (t/ha)}Produtividade _{condições ótimas (t/ha)}Produtividade em 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)

Tabela 2. Produtividade de grãos observada e simulada para a cultivar Amaroo, 1987 a 1999

Singh et al (2005)

An

(18)

Tabela 3. Probabilidade de perdas devido ao frio em diferentes temperaturas mínimas críticas

Perdas (t/ha) Probabilidade de perdas a temperatura mínima crítica Atual Atual – 1ºC Atual – 2ºC Atual – 3ºC

Maior que 2.5 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

Probabilidade de ser um ano com ocorrência de frio

0.73 0.64 0.40 0.27 Fonte: Estimativa de dados de R. Williams

Singh et al (2005)

An

(19)

Perdas Perdas a temperatura mínima crítica

Atual Atual – 1ºC Atual – 2ºC Atual – 3ºC

Perda média (t/ha/ano) 0.72 0.34 0.14 0.04 Valor da perda média ($/ha/ano) 150 71 29 8 Área com arroz (000ha) 154.6 154.6 154.6 154.6 Valor total de perdas (milhões$/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

Tabela 4. Perdas devido ao frio, de 1955 a 2000.

Singh et al (2005)

An

(20)

Singh et al (2005)

An

tolerantes ao frio na Austráálialia

Uso de N

Redu

Reduçção ão de perdas

de perdas

Diminui

Diminuiçção noão no ganho de ganho de produtividade produtividade Custo da Custo da inclusão inclusão Benef

(21)

-Pressuposi

Pressuposiçções assumidas:ões 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)

An

(22)

Indicador Valor

Relação Benefício-custo 17 Taxa interna de retorno 22%

Tabela 5. Resultados da análise de benefício-custo para projeto de tolerância ao frio

Singh et al (2005)

!

An

tolerantes ao frio na Austráálialia

(23)

Sele

ç

ão a campo X condi

ç

ões controladas

Condições de campo

Condições controladas

Estrat

(24)

Na Germina

Na Germinaççãoão

10 a 25º C por 3 a 35 dias Porcentagem de germinação; Velocidade de germinação; Comprimento do coleóptilo; Comprimento da radícula. Metodologias

(25)

Tolerância ao frio no estádio de germinação em arroz: métodos de avaliação e caracterização de genótipos

Cruz & Milach (2004)

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.

Metodologias

(26)

Metodologias

Metodologias de de avaliaavaliaççãoão

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.

(27)

Classificação REDCOL COLREG % mm Altamente tolerante ≤ 25 ≥ 20 ≤ 25 > 8 e <20 Tolerante > 25 e < 50 ≥ 20 > 25 e < 50 > 8 e <20 Intermediária ≤ 25 ≤ 8 ≥ 50 ≥ 20 Sensível ≥ 50 > 8 e <20 > 25 e < 50 ≤ 8 Altamente sensível ≥ 50 ≤ 8

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).

Cruz & Milach (2004)

Metodologias

Altamente tolerante ≤ 25

≥ 50

≥ 20

(28)

No est

No estáádio de plântuladio de plântula

10 a 20º C por 3 a 22 dias Índice de emergência;

Porcentagem de sobrevivência; Altura;

Grau de descoloração foliar.

Metodologias

(29)

Tolerante 1 3 5 7 9 Suscetível _Tolerante_{1 3} _{5 7} ₉ _Suscetível

a) b)

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

(30)

Est

Estáádio reprodutivodio reprodutivo

15 a 20º C por 3 a 10 dias

Porcentagem de fertilidade ou esterilidade das espiguetas;

Exerção da panícula.

Metodologias

(31)

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)

Metodologias

(32)

Cruz et al (2006a)

(33)

Genótipo Microsporogênese 3 dias 5 dias 7 dias 10 dias

Quilla64117 0 cB - 50 bA 55 bA Quilla66304 14 bA* - 9 bA* 24 bA* Diamante 0 cB* 9 bB* 32 bAB* 80 bA* IR 8 168 aC* 332 aB* 443 aAB 540 aA* IRGA 417 5 cB* 3 bB* 7 bB* 45 bA* BRS 7 7 cB* 17 bB* 47 bAB* 91 bA*

Genótipo Antese 3 dias 5 dias 7 dias 10 dias

Quilla64117 0 cdA - 0 dA 0 dA Quilla66304 64 cA 95 bA 123 bcA 148 bcA Diamante 127 bcAB 97 bB 176 bcA 190 bcA IR 8 509 aB 616 aA 653 aA 718 aA IRGA 417 130 bcA 117 bA 117 bA 129 cA BRS 7 202 bA 208 bA 243 bA 276 bA

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.

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

T S

(34)

Genótipo Microsporogênese 3 dias 5 dias 7 dias 10 dias

Quilla64117 0 aC - 14 cB 27 bA* Quilla66304 18 bA - 2 cB * 19 cA* Diamante 1 dA* 2 aA* 7 cA* 6 cA* IR 8 21 cC 37 bB* 83 abA 89 aA* IRGA 417 42 cdC 48 bC* 70 bB* 93 aA* BRS 7 72 dB 92 cA* 95 aA 99 aA

Genótipo Antese 3 dias 5 dias 7 dias 10 dias

Quilla64117 5 aA - 11 dA 7 cA Quilla66304 7 bC 55 bB 51 cB 80 bA Diamante 16 cC 27 aC 48 cB 80 bA IR 8 18 cD 66 bcC 87 bB 100 aA IRGA 417 44 cdC 76 cB 99 aA 100 aA BRS 7 66 dB 96 dA 99 aA 100 aA

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.

Cruz et al (2006a)

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.

Metodologias

(35)

Há fontes de variabilidade;

Identificação pelas metodologias de avaliação;

Genótipos com tolerância ao frio:

Introdução direta

Doadores

Gen

(36)

Tolerância em diferentes estádios de desenvolvimento;

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.

Gen

(37)

Germina

ç

ão

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).

Gen

(38)

Mapeamento de

Mapeamento de QTLsQTLs::

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).

(39)

Est

Estáádio de Plântuladio 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)

Gen

(40)

Mapeamento de QTL

Mapeamento de QTL’’s: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

(41)

Est

á

dio 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).

Gen

(42)

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).

(43)

Cruzamentos Indica x

Cruzamentos Indica x JapônicaJapônica

Alto grau de esterilidade de híbridos;

Introdução de caracteres indesejáveis.

Heran

Herançça gena genééticatica

Quantitativa no estádio reprodutivo.

Dificuldades

(44)

Metodologia de sele

Metodologia de seleççãoão

Impraticável a utilização de equipamentos para seleção nas gerações segregantes;

Caracteres de avaliação trabalhosa, demorada e subjetiva.

Correla

Correlaçção nos diferentes estão nos diferentes estáádiosdios

Falta de correlação entre a tolerância ao frio entre um estádio e outro.

Dificuldades

(45)

Utiliza

ç

ão 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

(46)

Cultura de anteras

Perspectivas

(47)

Varia

ç

ão

somaclonal

e sele

ç

ão

“

in

vitro

”

Perspectivas

(48)

Transforma

ç

ão gen

é

tica

Xiang et al (2007)

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.

Perspectivas Perspectivas SO BRE VI VÊ NCIA ( % )

(49)

Plantas mais tolerantes

ao frio ao frio Transformação genética Perspectivas Perspectivas

Genes de tolerância Acúmulo de genes de tolerância ao

frio através do desenvolvimento e uso de marcadores moleculares

Identificação e isolamento de genes que aumentam a tolerância ao frio