LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS

Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

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MELHORAMENTO VISANDO TOLERÂNCIA AO ESTRESSE HÍDRICO

Emiliano Fernandes Nassau CostaProf. 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

� Conclusões e recomendações

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

� Desenvolvimento de cultivares tolerantes a períodos de déficit hídrico

� Mapeamento mundial dos solos:FAO (1961)

- 10% solos aptos/favoráveis para agricultura;

- 90% solos limitantes para produção agrícola

25,4% - condições de déficit hídrico

Anomalias climáticas e eventos significantes em 2006

www.ncdc.noaa.gov

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;

ii. Tolerância 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

Estratégias das plantas sob condições de estresse hídrico

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

c) Adaptações

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)

Declínio na performance da planta

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.

Ocorre dentro de dias ou semanas.

Respostas das plantas à seca

c) Adaptações:

É a resposta evolucionária, resultante de mudanças genéticas em populações, que conduz para compensações morfológicas e fisiológicas

Similar a aclimatação, porém deve ocorrer após gerações.

Respostas das plantas à seca

� Redução do incremento do índice de área foliar

� Crescimento de raízes

� Redução da capacidade fotossintética

Formas de avaliação de tolerância ou resistência das plantas ao estresse hídrico

1- Tempo de sobrevivência 2- Produtividade

Res

pons

ivo

Não

Res

pons

ivo

Y_

Ineficiente EficienteX_

Sem estresse

Com estresse

Avaliação de Tolerância ao estresse hídrico

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 = iY.hY.σGY

CR = iX.hX.σGY.rG

iY = iXhX.rG > hY

h2X > h2

YrG ~ 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;σGY – desvio padrão genotípico para produtividade sob estresse; rG – correlação genotípica entre produtividade sob e sem estresse;rP – correlação fenotípica entre produtividade sob e sem estresse.

(ROSIELLE & HAMBLIN, 1981)

A seleção indireta serámais eficiente que a

direta apenas se: CRy/x>Ry

Resposta à seleção:

CORRELAÇÃO GENOTÍPICA h2

1 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.

(ROSIELLE & HAMBLIN, 1981)

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

Devine (1976)

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

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 fenotípicaindividual

�Intervalo entre florescimento feminino e masculino (IFMF)

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

� Medida escala de notas

� 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

Redução na produção de ácido indol-acético (AIA)

� Enrolamento de folha

� Herdabilidade: média a alta

� Seleção: para folhas não enroladas

� Tipo de estresse: estresse no florescimento

� Medida: escala de notas

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

� Fixação de nitrogênio em soja

� Stay green em sorgo

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 obtidas linhagens para produção de híbridos tolerantes ao estresse hídrico

� 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 S1 sob condições de seca.

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

(Bänzinger et al., 2000)

Conclusões e Recomendações INTERDROUGHT-II

Conclusões da conferência:

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

Obrigado!!!