LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS

Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

Departamento de GenéticaAvenida 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 MendozaOrientador: Prof. Dr. Claudio Lopes de Souza Júnior.

SUMÁRIO

Introdução

Gene Opaco2

Milho QPM

Considerações finais

Importância do milho no mundo

40° latitude S

58° latitude N

Paliwal R. L., 2001.

Importância do milho na alimentação

15% milho na alimentação humana, de forma direta o indireta

Paes D. M., 2006

O milho na alimentação humana

Evolução da área colhida e da produção de milho no mundo

Fonte: FAO STAT, 2009.

1980

1981

1983 19

84

1985 19

8619

87 1988

1989 19

9019

91 1992

1993 19

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1995 19

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97 1998

1999 20

00

2001 20

0220

03 2004

2005 20

06

1982

(Pro

duçã

o (M

ilhõe

s t)

(Áre

a (M

ilhõe

s ha

.)

y = 11,958x + 366,36R2= 0,87

y = 0,8113x + 123,38R2=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)

2007

Evolução da produtividade do milho no mundo

Fonte: FAO STAT, 2009.

Pro

dutiv

idad

e (t

/ha)

1980

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1983 19

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85 1986

1987 19

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89 1990

1991 19

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1993 19

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95 1996

1997 19

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1999 20

00

2001 20

0220

03 2004

2005 20

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1982

0

1

2

3

4

5

2007

y = 0,0641x + 3,035R2= 0,88

Anos

Principais países produtores de milho no mundo. Ano 2007

5,010791,795158,034Mundo

6,43553,3148,285União Européia

2,7927,1252,552África do sul

2,44018,9607,770Índia

5,853580,504(73,32%)

88,451 (55,97%)Sub-Total

7,66621,7552,838Argentina

3,20623,5137,333México

3,78552,11213,767Brasil

5,151151,94929,497China

9,458331,17535,015USA

Produtividade(t/ha)

Produção(Milhões t)

Área(Milhões ha)

Países

Fonte: FAOSTAT, 2009

Consumo médio de milho per capitã (kg /ano)

> de 100 kg /anoEntre 50 ate 99 kg /ano

██

██

██

██

██

Entre 19 e 49 kg /anoEntre 6 e 18 kg /ano< de 6 kg /ano

Consumo de energia alimentar

Lesoto

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

7,00,81,00,90,80,12Ponta

541,22,92,61,30,65Pericarpo

1269,378,42682,61,311Gérmen

28,917,97415,49882Endosperma

% da parte (Base seca)

FibrasAçúcaresMineraisProteínasLipídeosAmido% grãoFração

Fonte: Adaptado de Watson (2005)

Proporções da composição química do grão de milho

Amido ÓleoFibraVitaminas e minerais Proteínas

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 fortesSolúveis soluções alcalinas

Solúveis ÁguaSolúveis solução salina

O Gene Opaco2 (o2o2)

Fonte: Mertz et al., 1964. Science. 145: 279-280.

432

Opaco2 (o2)Floury2 (fl2)Milho normalMutante

Porcentagem de Lis na proteína de milho normal e nos mutantes fl2 e o2

Opaco 2 (o2/o2)

Cromossomo 7

Baixa a fração de zeínas (prolaminas)

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

Vasal, 1994.

Milho opaco2

Efeitos pleitrópicos

� Farináceo� Secado mais lento� Maior Incidência docências da

espiga� Baixa eficiência no acumulo de

matéria seca no grão

Vasal, 1994.

Genes modificadores da textura do grão

Paez et al. (1969).

Paez et al. (1969). Crop Sci. 9:251-252.

0,28Vítreo-Oh29

0,42Fração vítrea2

0,45Fração opaca2(Oh29/o2)S2

0,49Todo opaco1

Conteúdo Lis*FenótipoEspigaGenótipo

* Porcentagem de Lis baseado no grão total

Conteúdo de lisina em as frações vítreas e opacas

Grãos de milho o2 Fração 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: o2 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 o2.

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., 1982Poucos genes

Burnett and Larkins, 1999

Pollacsek, M., 1999Dominância

Dominância Parcial

Aditiva Vasal, 1994

Holding et al. 2008. Theor. Appl. Genet., 117:157-170

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: (su2o2)

� Combinação do Gen o2 e modificadores genéticosMilho 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 o2 modificadas)

c1

Recombinação de progênies o2parcialmente modificadas 250 progênies IG ou MI

Avaliação em poucos ambientes

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

C1-C5

Progênies 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 (O2o2) x Pai doador (o2o2)

F1= ½ O2o2 ½ o2o2

Ensaios de produçãoPrincipal atenção a planta e semente

Seleção e recombinação

População melhorada

RC1

Vasal, 2000

Espigas de diferentes tipos de milhos

A= duro B= dentado C= opaco2 D= QPM

Fonte: Krivanek et al. 2009.

Comparação da produtividade e outros caracteres de populações de milho normal e

sua versão QPM

4,03,1596212213191,25,906,47La Posta

3,72,3575611210094,95,085,35Ant. Rep. Dominicana

4,22,5586111511792,35,906,39Tuxpeño Caribe

3,22,5576111012597,75,235,35Amarillo Dentado

5,72,9585810610396,45,245,43Mezcla Amarilla

4,52,9586010510792,95,686,12Mix.1 Col. Gpo. 1 x Eto

5,42,2606111011199,46,156,19Tuxpeño-1

QPMNormalQPMNormalQPMNormaldo normalQPMNormal

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.

219980,19,82CML161 xCML165

207916,08,09CLQ3301 x CML193

Tropicais

223981,89,82Híbrido normal (Testemunha)

Subtropicais

228569,55,58Híbrido normal (Testemunha)

239555,76,28(CLQ6203 x CML150) x CML176

230564,36,39CML159 x CML144

242553,76,48CML142 x CML146

Altura de planta

(cm)

FF

(dias)

Espigas podres

(%)

Produção

(t/ha)

Pedigree

Fonte: Vasal, 2000

Germoplasma

DuroAPrecoceTropicalQPM amarelo Precoce Duro

61

DentadoAIntermediárioSub-Trop.QPM Temperado Amarelo Dentado

70

DuroAIntermediárioSub-Trop.QPM Temperado Amarelo

69

DentadoBIntermediárioSub-Trop.QPM Temperado Branco Dentado

68

DuroBIntermediárioSub-Trop.QPM Temperado Branco Cristalino

67

DentadoATardiaTropicalQPM Amarelo Dentado66

DuroATardiaTropicalQPM Amarelo Duro65

DentadoBTardiaTropicalQPM Branco Dentado-164

DentadoBTardiaTropicalQPM Branco Dentado-163

Duro – semi DuroBTardiaTropicalQPM branco Duro62

Texturagrão

Corgrão

MaturidadeAdaptaçãoNomePop.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.

Avaliação química e biológica da proteína de milho QPM

Resultados com milhos QPM e normal

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

43,2 c2,58 c8,4 eBR 136 (Milho comum)

58,2 b3,54 b20,8 dBR 451 (QPM branco)

55,5 b3,37 b21,3 cdBR 473 (QPM amarelo)

67,8 a4,16 a28,0 bcCaseína 7

57,4 b3,49 b34,4 bArroz - Feijão

65,9 a4,04 a45,7 aCaseína 10

NPUNPR(g)Tratamento

Índice biológicoGanho de pesoGrupo/

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 programasde combate à desnutrição no Brasil, em especial para crianças de baixa renda.

Resultados com milhos QPM e normal

Fonte: Krivanek et al. 2007. African Journal of Biotechnology, 6(4):312-324.

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 normalMilho QPMPropriedade

1,34 c2,50 a2,30 a1,84 bTaxa de eficiência protéica

70,5 c76,8 a75,0 a73,4 bVerdadeira

73,7 c78,4 a78,8 a76,1 bAparente

Digestibilidade da proteína

2,3 b4,2 a4,2 a4,3 aLisina disp. (g/100g de proteína)

10,88 c15,54 a9,06 d13,18 bFibra dietaria (%)

MASECAExtrusadoNixtamalizadoCru

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 crescimentoConsumo /kg-dDieta

2,6 ± 0,81,33 ± 0,26106 ±12Leite de vaca

2,63 ± 0,621,23 ± 0,24110 ±15Milho QPM

g/kg-dCm/30 diakcal

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

13 – 19 meses (Idade – altura= 5-15 meses; idade – peso= 3-11 meses)

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

HoraDia

Cozido e moído

25,4 g de milho + 10,8 g de queijo + 8 mL de leite + 6 ml de água.

3:00Qua

Tostado e moído

36,3 g de milho + 5,4 g de cação + 200 mL de água + AGFA.

3:00Ter

Cozido e moído

31,9 g de milho, 200 ml de água, açúcar granulado fortificada com vitamina A (AGFA).

9:00Seg

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

9:00Sex

Tostado e moído

9:00Qui

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.

1,2389,90 ±8,2188,68 ±8,602,0291,91 ±6,4589,88 ± 6,96Altura (cm)

-0,23-2,06 ±0,62-1,83 ±0,670,061,90 ±0,74-1,95 ±0,66Altura – Idade (Ponto Z)

-0,26-1,68 ±0,61-1,42 ±0,520,17-1,14 ±0,62-1,30 ±0,59Peso – Idade (ponto Z)

Milho NormalMilho QPMIndicador 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 DiferenciaFinalInicialcrescimento

0,1912,04 ±2,0612,39 ±11,8Peso (kg)

3,540,71 ±12,5739,83 ±11,8Idade, meses

0,71 ±0,84 -0,14-0,29 ±0,79Peso – 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 )}

Conclusão: QPM influiu positivamente no crescimento das crianças, porem não sua morbidade

QP

M

QP

M

QP

M

QPM

QP

M

QPM

QP

M

QP

MQ

PM

Gana

BurkiniaFaso

QP

M

QP

M

Guiné

BeninEtiópia

Quênia

Milho QPM no mundo

QP

M

QP

M

QP

M

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

Dra. Villegas E.

Dr. Vasal S. K.

Considerações finais

� No futuro, poderiam estar disponíveis técnicas mais sofisticadas, que permitam distinguir grãos o2 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, consequentemente, o incentivo para o seu cultivo.

GRACIASGRACIAS

OBRIGADOOBRIGADO

Referencias

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Referencias (continuação)

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Referencias (continuação)