ABSTRACT. The elucidation of the resistance mechanism of weeds to herbicides is important for management practices. The objective of this work was to investigate the resistance mechanism of glyphosate-resistant C. sumatrensis biotypes by determining the expression levels of the constitutive gene epsps and two ABC transport protein-coding genes designated m7 and m11 with RT-qPCR. Two biotypes of C. sumatrensis were evaluated: one resistant and one susceptible to glyphosate. The treatments consisted of the absence or application of two doses of glyphosate (1,080 and 8,640 g a.e. ha-1). Plant leaves were collected at 1 and 4 days after herbicide application. No difference was observed in epsps gene expression between the studied biotypes. The expression of the m7 and m11 genes revealed that both genes had higher relative expression in the resistant biotype with the application of glyphosate at both doses. The overexpression of the m7 and m11 genes in the resistant biotype treated with glyphosate reveals that these genes play a role in herbicide resistance. These genes may be involved in the sequestration of glyphosate into the vacuole lumen in the resistant C. sumatrensis biotype studied.

RESUMO: O empilhamento gênico se refere a introdução de dois ou mais transgenes de interesse agronômico na mesma planta. Os principais métodos de produção de plantas geneticamente modificadas com empilhamento gênico envolvem (i) a introdução simultânea, pelo processo de co-transformação, e (ii) a introdução sequencial de genes, pelos processos de re-transformação ou por cruzamento entre eventos transgênicos. Em geral, a escolha do melhor método varia de acordo com a espécie de interesse e a disponibilidade de construções genéticas e eventos transgênicos preexistentes. Também é apresentado aqui o uso da tecnologia de minicromossomos como tecnologia potencial de empilhamento gênico. O objetivo desta revisão é discutir aspectos relacionados à metodologia para o empilhamento de genes a combinação de características (obtida via empilhamento de genes de interesse agronômico) via engenharia genética. Além de discutir, é apresentado uma lista de culturas e genes aprovados comercialmente que tem sido usado em estratégias de empilhamento e uma discussão sobre normas regulatórias. Um número maior de eventos com empilhamento de genes foi aprovado e liberado no mercado na última década. Inicialmente, a combinação das características de tolerância a herbicidas e resistência a insetos era a mais popular, principalmente em soja e milho. Recentemente, estas características combinadas com tolerância a seca nessas culturas foram liberadas comercialmente. Novas características combinadas estão entrando na lavoura, incluindo aumento da qualidade, resistência a doenças e aumento do valor nutricional. Em outras palavras, o empilhamento gênico está crescendo como tecnologia para contribuir para a segurança alimentar e sustentabilidade.

ABSTRACT: Gene stacking refers to the introduction of two or more transgenes of agronomic interest in the same plant. The main methods for genetically engineering plants with gene stacking involve (i) the simultaneous introduction, by the co-transformation process, and (ii) the sequential introduction of genes using the re-transformation processes or the sexual crossing between separate transgenic events. In general, the choice of the best method varies according to the species of interest and the availability of genetic constructions and preexisting transgenic events. We also present here the use of minichromosome technology as a potential future gene stacking technology. The purpose of this review was to discuss aspects related to the methodology for gene stacking and trait stacking (a gene stacking strategy to combine characteristics of agronomical importance) by genetic engineering. In addition, we presented a list of crops and genes approved commercially that have been used in stacking strategies for combined characteristics and a discussion about the regulatory standards. An increased number of approved and released gene stacking events reached the market in the last decade. Initially, the most common combined characteristics were herbicide tolerance and insect resistance in soybean and maize. Recently, commercially available varieties were released combining these traits with drought tolerance in these commodities. New traits combinations are reaching the farmer’s fields, including higher quality, disease resistant and nutritional value improved. In other words, gene stacking is growing as a strategy to contribute to food safety and sustainability.

RESUMO. A engenharia genética ampliou as possibilidades do melhoramento genético vegetal, apoiando ideais de sustentabilidade. A Agrobacterium tumefaciens é o sistema de transformação preferido, uma vez que permite a produção de plantas transgênicas com maior estabilidade na expressão gênica e na herdabilidade. A Agrobactéria e o tecido vegetal devem ser co-cultivados em condições que permitam a transferência de genes. Este estudo teve como objetivo avaliar como o tempo e a temperatura durante o co-cultivo afetam a transformação de embriões imaturos de milho do híbrido Hi-II (genótipo modelo) e da variedade brasileira BR 451 com A. tumefaciens EHA101:pTF102. O plasmídeo pTF102 carrega o gene repórter uidA permitindo que a transformação transiente seja prontamente verificada pelo ensaio histoquímico de GUS. O aumento do período de co-cultivo de três para cinco dias a 20°C resultou num maior número de embriões GUS positivos e maior número de pontos azuis por embrião na variedade brasileira BR 451, indicando uma melhor transferência do T-DNA da bactéria para as células do explante alvo. Esta condição elevou o nível de resposta da BR 451 chegando a coincidir com o nível de resposta do controle Hi-II, indicando que esta variedade brasileira é adequada para transformação genética.

ABSTRACT. Genetic engineering has amplified the possibilities of crop breeding and supported sustainability ideals. Agrobacterium tumefaciens is the preferred transformation system, since it produces transgenic plants with more stable transgene expression and inheritance. The agrobacteria and plant tissue must be co-cultivated in conditions that allow gene transfer. This study aimed to evaluate how co-cultivation time and temperature affect the transformation of immature maize embryos of the Hi-II hybrid (model genotype) and the Brazilian BR 451 variety with A. tumefaciens EHA101:pTF102. The pTF102 plasmid carries a uidA reporter gene that enables transient transformation to be quickly verified by GUS histochemical assays. Increasing the co-cultivation period from three to five days at 20°C resulted in a higher number of GUS positive embryos and blue spots per embryo in the BR 451 Brazilian variety, indicating better bacterial T-DNA transfer into the target explant cells. This condition raised the BR 451 response level to match the response level of the Hi-II control genotype, indicating that this Brazilian variety is suitable for genetic transformation.

RESUMO: A introdução de genes de forma assexual por meio da engenharia genética tem ampliado as possibilidades do melhoramento genético vegetal. No entanto, devido principalmente a baixa resposta in vitro, a transformação genética tem se limitado a poucos genótipos das espécies de interesse agronômico. Visando estabelecer protocolo de transformação genética da variedade de milho BR 451 via Agrobacterium tumefaciens, foi estudada a capacidade de regeneração de plantas in vitro a partir de calos embriogênicos cultivados em três meios de regeneração contendo diferentes reguladores de crescimento. Também foi avaliado o efeito do estresse de temperatura na transformação de embriões imaturos com a A. tumefaciens EHA 101portadora do plasmídeo pTF102 que contém os genes uidA e bar. Para tal, três tratamentos foram aplicados aos embriões da variedade BR 451 e do híbrido Hi-II (controle) durante a infecção com a agrobactéria: (a) infecção em 25oC; (b) infecção a 40oC; (c) pré-tratamento de 40oC por cinco segundos seguido por infecção em 25oC. A transformação foi avaliada mediante a expressão do gene uidA e a formação de calos resistentes ao herbicida Bialaphos®. A infecção de embriões a 40oC aumentou a transformação genética em Hi-II, mas não em BR 451. A adição de reguladores de crescimento no meio de regeneração não incrementou o número de plantas regeneradas.

ABSTRACT: The asexually gene introduction by genetic engineering has brought enormous possibilities to innovate plant breeding. However, principally because of the low in vitro response, genetic transformation has been restricted to only certain genotypes of agronomically significant species. With the objective of establishing a protocol for genetically transforming the Brazilian BR 451 maize variety through Agrobacterium tumefaciens, it was studied the capacity of plant regeneration in vitro from embryogenic calli cultivated in three regeneration media, each having different growth regulators. It was also evaluated the temperature stress effect on the transformation of the immature embryos with A. tumefaciens EHA 101 containing the plasmid pTF102 with uidA and bar genes. The BR 451 variety embryos and those of the Hi-II hybrid (control) were exposed to three treatments applied as they were being infected with the agrobacteria (a) infection at 25°C; (b) infection at 40°C; (c) pretreatment at 40°C for 5 seconds followed by infection at 25°C. Transformation was determined by uidA gene expression and through the callus resistant to the herbicide Bialaphos® formation. Embryos infected at 40°C showed a higher degree of genetic transformation in the Hi-II, although the same was not noted in BR 451. When growth regulators were added to the culture medium the number of regenerated BR 451 plants showed no increase.