Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

LGN 5799 - SEMINÁRIOS EM

GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS

Programa de Pós-Graduação em

Genética e Melhoramento de Plantas

Departamento de Genética

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MELHORAMENTO VISANDO TOLERÂNCIA

AO ESTRESSE HÍDRICO

Emiliano Fernandes Nassau Costa

Prof. Dr. Cláudio Lopes de Souza Júnior

Importância

Estratégias das plantas sob condições estresse hídrico

Respostas das plantas ao estresse hídrico

Formas de avaliação da tolerância

Métodos de melhoramento

Importância

Ocorrência de veranicos
Aquecimento Global

Aumento dos períodos de déficit hídrico

Redução significativa dos rendimentos das lavouras

Restrição de latitudes e solos onde espécies comercialmente importantes

possam ser cultivadas

Mapeamento mundial dos solos:

FAO (1961)

- 10% solos aptos/favoráveis para

agricultura;

- 90% solos limitantes para produção

agrícola

Anomalias climáticas e eventos significantes em 2006

Estratégias das plantas sob condições de estresse hídrico

Escape ao estresse hídrico:

Curtos ciclos de vida

Tolerância ao estresse hídrico:

Tolerância ao estresse, com ou sem redução da

performance.

i.

Escape a dessecação;

Tolerância ao estresse hídrico

i-

Escape a dessecação:

- profundidade de distribuição do sistema radicular

- alta resistência interna do transporte de água

- redução da transpiração

- abscissão foliar

- espessura de cutícula

- adequado controle estomático

ii-

Tolerância a dessecação:

- ajustamento osmótico

Respostas das plantas ao estresse hírico

Os processos ocorrem em curtos prazos ou em escalas de

tempo evolucionárias:

Lambers et al. (1998)

a)

Resposta ao estresse

b)

Aclimatação

Respostas das plantas ao estresse hídrico

a)

Resposta ao estresse:

É o efeito imediato detrimental de um estresse em um processo

na planta.

Ocorre em um curto prazo de tempo (horas ou dias)

Respostas das plantas ao estresse hídrico

b)

Aclimatação:

É o ajustamento morfológico e fisiológico da planta visando

compensar o declínio em performance que é seguido da exposição

ao estresse.

Respostas das plantas à seca

c)

Adaptações:

É a resposta evolucionária, resultante de mudanças genéticas em

populações, que conduz para compensações morfológicas e

fisiológicas

Respostas das plantas à seca

 Redução do incremento do índice de área foliar  Crescimento de raízes

Formas de avaliação de tolerância ou resistência das plantas

ao estresse hídrico

R es po ns iv o N ão R es po ns iv o Y _ Ineficiente _X_ Eficiente Sem estresse Com estresse

Métodos de melhoramento genético

Seleção para produtividade : Tipos de seleção:

Direta (sob estresse) produção sob estresse (Y) Indireta (sem estresse) produção na ausência de

estresse (X) Combinada (sob e sem estresse)

Resposta à seleção:

Direta:

Indireta:

R = i

_Y

.h

_Y

.σ

_GY

CR = i

_X

.h

_X

.σ

_GY

.r

_G

i

_Y

= i

_X

h

_X

.r

_G

> h

_Y

h

2 X

> h

2Y r_G ~ 1,0

CR>R

i – diferencial de seleção sob (Y) e sem (X) estresse;

h – raiz quadrada da hedabilidade sob (Y) e sem (X) estresse;

σ_GY – desvio padrão genotípico para produtividade sob estresse; r_G – correlação genotípica entre produtividade sob e sem estresse;

r_P – correlação fenotípica entre produtividade sob e sem estresse.

(ROSIELLE & HAMBLIN, 1981)

A seleção indireta será mais eficiente que a

direta apenas se:

Resposta à seleção:

CORRELAÇÃO GENOTÍPICA h21 h22 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 30 30 100 101 104 109 115 124 30 50 100 100 101 103 105 109 30 80 100 100 100 100 101 101 50 30 100 102 107 115 126 140 50 50 100 101 102 105 109 116 50 80 100 100 100 100 101 102 80 30 100 103 110 123 141 165 80 50 100 101 103 108 116 129 80 80 100 100 100 100 101 105 SEM COM

Eficiência (%) do índice de seleção relativo para seleção direta para produtividade sob estresse.

Para se obter resultados satisfatórios em um programa de

melhoramento para estresse hídrico:

Existência de técnicas de seleção para identificar a tolerância

Existência de variabilidade genética na espécie estudada

Não devem existir correlações genotípicas altamente negativas entre

tolerância e características agronomicamente importantes Opção: utilização de índice de seleção

Uso de Caracteres Secundários

A melhoramento para produção sob estresse hídrico, quando comparada com o melhoramento sob condições normais de umidade, tem sido considerado menos eficiente em função de elevados problemas experimentais, elevando o CV% experimental e com consequente redução do coeficiente de herdabilidade

Diversos programas de melhoramento têm utilizado a avaliação de caracteres secundários que possam ser utilizados em experimentos com baixo ou sem estresse hídrico para auxiliar nas avaliações

O uso de caracteres secundários pode melhorar a eficiência da seleção nestas condições desde que:

 Possuam claro valor adaptativo ao estresse  Alta herdabilidade

 Correlação alta e significativa com a produtividade  Sejam facilmente mensurados

 Custo acessível para a mensuração

 Não acarretar desvantagens sob condições favoráveis

 Não ser associado a efeitos pleiotrópicos negativos para outro caráter ou

atributo econômico importante.

(Richards, 2006)

Uso de Caracteres Secundários

(Bänzinger et al., 2000)

Porque utilizar caracteres secundários? Estes poderiam:

i. Melhorar a precisão com as quais genótipos tolerantes são identificados

ii. Serem utilizados para selecionar parentais acelerando o processo de melhoramento

Caracteres secundários relacionados à tolerância ao

estresse hídrico em milho

Características correlacionadas com produtividade em milho em condições de estresse hídrico:

 Prolificidade

 Intervalo entre florescimento feminino e masculino (IFMF)  Senescência foliar

 Tamanho de pendão  Enrolamento de folha



Prolificidade

 Herdabilidade alta

 Seleção para mais espigas por planta

 Tipo de estresse medido sob estresse de seca no florescimento

 A prolificidade é positivamente

correlacionada com a produtividade

 É um dos componentes de produção de

grãos

 Pode ser realizada seleção fenotípica



Intervalo entre florescimento feminino e masculino (IFMF)

FF= data em que 50% das plantas apresentem estilo-estigmas

FM= data em que 50% das plantas apresentem as anteras extrusadas

 Herdabilidade média a alta

Medida IFMF= FF - FM

 Seleção para reduzido IFMF

 Tipo de estresse medido sob estresse hídrica no

florescimento

 IFMF é negativamente correlacionado com produtividade  A emissão de estilo-estigmas é sensível ao déficit hídrico



Stay green

 Herdabilidade média

 Seleção para atrasada senescência de

folhas e colmo

 Tipo de estresse estresse no enchimento de

grãos



Ramificações do

pendão

 Herdabilidade: média para alta

 Seleção: para um menor pendão com poucas

ramificações

 Tipo de estresse: pode ser avaliada sob condições

bem irrigadas,

 Medida: número de ramificações do pendão

Quebra da dominância apical



Enrolamento de folha

 Herdabilidade: média a alta

 Seleção: para folhas não enroladas

 Tipo de estresse: estresse no florescimento

Outros caracteres secundários que vêm sendo utilizados com sucesso no desenvolvimento de cultivares tolerantes ao estresse hídrico são:

 Fixação de nitrogênio em soja

Seleção Recorrente no Melhoramento para Tolerância ao

estresse Hídrico

 Estratégia para explorar os efeitos condicionados por poligenes com

efeitos pequenos e cumulativos

 Estabelece diferentes combinações entre alelos múltiplos

 Promove diversas combinações epistáticas entre os poligenes envolvidos

no caráter

 Forma de desenvolvimento de populações melhoradas das quais são

 O objetivo do trabalho foi o de verificar mudanças diretas e correlacionadas

em caracteres secundários avaliando ciclos de seleção recorrente.

 Avaliaram: Produção de grãos, prolificidade, intervalo de florescimento,

tamanho do pendão, stay green, entre outros.

Demonstraram através deste trabalho que a seleção recorrente é um método

adequado para a obtenção de materiais tolerantes ao estresse hídrico.

-5,9% Tamanho do Pendão -22,6% IFMF 8,9% Prolificidade 12,6% Produção de grãos

Ganho por ciclo de seleção recorrente com progênies

Melhoramento Assistido por Marcadores Moleculares

 O fato das características morfo-fisiológicas que afetam a tolerância das

plantas ao déficit hídrico serem de herança quantitativa, o mapeamento de QTLs torna-se importante para o melhoramento via seleção assistida por marcadores

 Os QTLs com efeitos pronunciados para os caracteres que condicionam para

tolerância ao estresse hídrico podem ser utilizados no desenvolvimento de cultivares altamente tolerantes através da seleção assistida por marcadores moleculares

Melhoramento Assistido por Marcadores Moleculares

A seleção assistida por marcadores será uma forma efetiva de economizar

tempo se:

 A herdabilidade do caráter for alta e sua avaliação for cara ou

simplesmente não puder ser realizada no local

 A seleção clássica for cara ou lenta, ou as condições de seleção estarem

presente somente ocasionalmente (seleção para seca em períodos de chuva)

 Se for necessário introduzir

um gene em uma linhagem com recuperação do genoma desta linhagem de forma mais rápida

Melhoramento Assistido por Marcadores Moleculares

 Devido à grande importância do IFMF em milho o CIMMYT tentou identificar

QTLs para IFMF e para componentes de produção em milho.

 6 QTLs foram identificados nos cromossomos 1, 2, 5, 6, 8 e 10 que explicaram

juntos 50% da variabilidade fenotípica para IFMF

 Se mostraram estáveis através dos anos e níveis de estresse, em contraste,

todos com a exceção de dois QTLs para produção se mostraram inconsistentes em suas posições no genoma em diferentes níveis de estresse

 Em uma região genômica o alelo que contribuía com redução do IFMF também

contribuiu para redução da produção

 A estratégia de SAM do CIMMYT para tolerância ao estresse hídrico hoje é

baseada num índice de QTLs com efeitos mais pronunciados para ambos IFMF e produtividade

Conclusões e Recomendações INTERDROUGHT-II

Conclusões da conferência:

 A água disponível para irrigação está se tornando escassa, e esta tendência é

aumentar drasticamente. O custo da água deve aumentar. A tendência é que a irrigação seja reservada para culturas de alto valor, enquanto cereais sejam cada vez mais cultivados em condições de ausência de irrigação

 A pesquisa não está preparada para lidar com estes fatores devido:

1) Há um aumento dos fundos de pesquisa para a biotecnologia enquanto se verifica um decréscimo de investimentos para o melhoramento de plantas, agronomia e fisiologia

2) A pesquisa em biotecnologia aumentou, porém a colaboração com o melhoramento de plantas tem se mostrado insuficiente. Tem havido um crescimento exponencial de conhecimentos em genômica com uma taxa mínima de aplicação para a solução dos problemas

Conclusões e Recomendações INTERDROUGHT-II

 Ao mesmo tempo o melhoramento genético de plantas tem atingido bons

resultados

 Embora tenha havido progresso na capacidade de identificação e clonagem de

QTLs, a contribuição de SAM não atingiu as expectativas originais. Esforços adicionais para que ocorra uma SAM mais eficaz devem ser incentivados e realizados com foco em ambientes alvo e na procura de diversidade alélica