Divergência genética em acessos de quiabeiro com base em marcadores morfológicos

Genetic divergency of okra accessions based on morphological characteristics

PESQUISA

Divergência genética em acessos de quiabeiro com base em marcadores morfológicos

Genetic divergency of okra accessions based on morphological characteristics

Gilmar Efrem Martinello; Nilton R. Leal; Antônio T. Amaral Júnior; Messias G. Pereira; Rogério F. Daher

UENF–CCTA, Av. Alberto Lamego, 2000, Horto, 28.015-620, Campos dos Goytacazes, RJ

^{Endereço para correspondência}

RESUMO

Vinte e sete caracteres morfoagronômicos, 13 quantitativos e 14 qualitativos, foram utilizados para a avaliação da diversidade genética em 39 acessos do gênero Abelmoschus, por meio das análises de agrupamento hierárquico do vizinho mais próximo e de componentes principais, utilizando-se a distância Euclidiana média padronizada como medida de dissimilaridade. As plantas foram cultivadas em condições de campo na Universidade Estadual do Norte Fluminense, em Campos dos Goytacazes, utilizando-se o delineamento experimental em blocos ao acaso com quatro repetições. A formação dos grupos de acessos, com base no método hierárquico do vizinho mais próximo, revelou resultados semelhantes aos obtidos pela análise em componentes principais, já que ambos os métodos reuniram os acessos de A. esculentus e A. caillei. O método hierárquico agrupou os genótipos de forma idêntica tanto para os 27 descritores quantitativos e qualitativos quanto para os 13 descritores quantitativos separadamente, demonstrando que os descritores qualitativos tiveram pouca influência na discriminação genotípica. Por outro lado, os descritores qualitativos foram capazes de classificar corretamente as espécies, porém mascararam a variabilidade genética no germoplasma, não possibilitando um rastreamento mais abrangente dos genomas. Os descritores que menos contribuíram para a discriminação dos acessos foram, largura do epicálice, peso de 100 sementes, número de segmentos do estigma, altura da planta, comprimento da folha, largura da folha, nó do primeiro florescimento e comprimento do fruto.

Palavras-chave:Abelmoschus spp., diversidade genética, análise multivariada, distância genética, descritores morfológicos.

ABSTRACT

Twenty-seven morphological characteristics (13 quantitative and 14 qualitative) were used to evaluate the genetic diversity of 39 Abelmoschus accessions by hierarchic method of single linkage and principal component analysis for the grouping of the genotypes. Standardized average Euclidean distance was used as dissimilarity measure. Plants were grown in field conditions at the Universidade Estadual do Norte Fluminense, in Campos dos Goytacazes, Brazil, using randomized complete blocks design with four replications. The accessions groups formation based on the hierarchic method of single linkage showed similar results to those obtained by principal components analysis since both methods grouped A. esculentus and A. caillei accessions. The hierarchic method has grouped the genotypes in the same way as for the 27 descriptors (quantitative and qualitative) as for the 13 quantitative descriptors, demonstrating that qualitative descriptors had a little influence on the genotypic discrimination. Qualitative descriptors were able to correctly classify species, although they masked the genetic variability at the germplasm, not allowing a comprehensive survey of the genomes. The characters that less contributed for the genotypes discriminations were the epicalyx length, 100 seeds weight, number of stigma segments, plant height, leaf width, first flowering node and fruit length.

Keywords:Abelmoschus spp., genetic diversity, multivariate analysis, genetic distance, morphological descriptors.

O manejo eficiente de germoplasma vegetal é de vital importância para o pesquisador, pois este precisa de germoplasma geneticamente puro e bem caracterizado, para utilizá-lo em suas pesquisas e para o melhoramento. Neste contexto, os marcadores genéticos têm uma aplicação muito importante na administração de recursos genéticos, além de proporcionarem dados básicos que são necessários ao melhoramento de plantas ou para o mapeamento de genes. Os marcadores mais antigos e amplamente difundidos, são os que têm como base características morfológicas. Estes ainda continuam sendo aplicados com eficiência para certos tipos de germoplasma. Suas principais vantagens residem no fato de serem simples, rápidos e com baixo custo de análise (Bretting & Widrlechener, 1995). Um dos empregos mais importantes dos marcadores genéticos é a determinação das relações citogenéticas que, por sua vez, é o ponto crítico para a organização da diversidade/divergência genética (Crawford, 1990).

A falta de entendimento das relações sistemáticas põe em risco a proteção in situ do germoplasma. Os marcadores genéticos também podem auxiliar na identificação correta de acessos do germoplasma (Bohac et al., 1993), pois o realinhamento taxonômico servirá para saber como se proceder na administração e uso deste germoplasma no futuro. Os marcadores genéticos podem revelar, ainda, os perfis genéticos populacionais de germoplasma recém adquiridos, como um prelúdio para uma administração ex situ, per se (Brown & Clegg, 1983). Para tanto, é necessário a avaliação e interpretação simultânea de um conjunto de caracteres para a determinação daqueles que efetivamente contribuem na discriminação genotípica (Cruz, 1990).

Bisht et al. (1997) utilizaram dados de 49 acessos de Abelmoschus tuberculatus para estudar a diversidade genética de características mofológicas quantitativas e qualitativas, por meio de técnicas de análises estatísticas multivariadas. Ariyo (1993) utilizou a análise de componentes principais e canônica, para estudar a variabilidade em 30 acessos de A. caillei. A partir destes resultados, ficou esclarecido que a pigmentação e características do fruto foram os descritores mais importantes na variação entre os acessos. A análise canônica, entretanto, forneceu uma visão diferente da importância relativa das várias características. Nesta, as características número de frutos por planta e peso dos frutos foram as que mais contribuíram para a variação total.

Hamon & van Sloten (1989) relataram que uma única lista de descritores, proposta inicialmente para todo o gênero Abelmoschus, não considera o polimorfismo morfo-fenológico das formas africanas. A. esculentus e A. caillei são duas espécies cultivadas que coexistem com vários ciclos e estruturas diferentes e que isso revela as limitações de uma única lista de descritores na caracterização de diversas formas de espécies cultivadas, a qual é menos válida ainda, quando se considera as formas silvestres.

As técnicas de estatística multivariadada que permitem a quantificação da dissimilaridade pela distância genética, assim como análises de agrupamentos, constituem-se em instrumentos adequados para a avaliação de acessos em bancos de germoplasma, onde o número de genótipos é elevado e vários descritores são utilizados (Pereira, 1989; Cruz, 1990).

Este trabalho teve por objetivo estimar a diversidade genética, bem como discriminar os caracteres morfoagronômicos de maior importância na caracterização da variabilidade de acessos do gênero Abelmoschus. Para tanto, utilizou-se técnicas de análise estatística multivariada, quais sejam, as análises de agrupamento hierárquico do vizinho mais próximo e componentes principais, com base na distância Euclidiana média padronizada.

MATERIAL E MÉTODOS

Para o estudo da divergência genética com base em marcadores morfológicos, utilizaram-se 39 acessos do gênero Abelmoschus, sendo quinze pertencentes à espécie A. esculentus, quinze A. caillei, sete A. moschatus, um A. ficulneus e um A. tetraphyllus. Estes acessos foram cedidos pela Estação Regional da Geórgia do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA), os quais foram solicitados com a intervenção da Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia, seguindo-se a legislação para importação de germoplasma. Atualmente, os acessos estão sendo mantidos pelo Banco de Germoplasma da UENF. Os genótipos incluem espécies cultivadas e silvestres de diversas origens (Tabela 1).

As plantas foram cultivadas na Unidade de Apoio a Pesquisa da UENF, em Campos dos Goytacazes, no periodo de agosto de 1998 a janeiro de 1999. O espaçamento utilizado foi 1,0 m entre fileiras e 0,5 m entre plantas. Utilizou-se o delineamento experimental em blocos ao acaso, com 4 repetições e 5 plantas por parcela. Na caracterização do germoplasma utilizou-se 13 descritores quantitativos: número de segmentos do epicálice, comprimento do epicálice (mm), largura do epicálice (mm), comprimento do pedúnculo (cm), peso de 100 sementes (g), número de segmentos do estigma, altura de planta (cm), número de internós, comprimento da folha (cm), largura da folha (cm), nó do primeiro florescimento, nós produzindo frutos na haste principal, comprimento do fruto (cm) e 14 descritores qualitativos: tipo de fruto (1:quinado, 2:intermediário, 3:roliço); hábito de crescimento (1:ereto, 2:intermediário, 3:prostrado); presença de ramificação (1:baixa, 2:abundante); pubescência do caule (1:altamente piloso, 2:medianamente piloso, 3:notável); cor do caule (1:verde, 2:verde com manchas vermelhas, 3:vermelho); cor da folha (1:verde, 2:verde com nervuras vermelhas, 3:vermelha) forma do epicálice (1:linear, 2:lanceolado, 3:triangular); persistência dos segmentos do epicálice [1:não persistente até sete dias do florescimento, 2:parcialmente persistente (após sete dias), 3:persistente]; cor da pétala (1:amarela, 2:branca); coloração vermelha na base da pétala (1:apenas internamente, 2:ambos os lados); posição do fruto na haste principal (1:ereto, 2:horizontal, 3:pendular); cor do fruto imaturo (1:verde, 2:verde-escuro, 3:verde com manchas vermelhas, 4:vermelho, 5:vermelho-escuro); pubescência do fruto (1:pelos macios, 2:ásperos, 3:espinhosos); tipo do estigma (1:aberto, 2:semi-aberto, 3:fechado).

A caracterização foi efetuada de acordo com a lista de descritores do "International Plant Genetic Resources Institute" (IPGRI) elaborada por Charrier (1984). A análise estatística foi efetuada com base na distância Euclidiana média padronizada e componentes principais, utilizando-se os recursos computacionais do Programa Genes I (Cruz, 1997).

A Distância Euclidiana Média Padronizada é expressa por:

onde n = número de variáveis avaliadas; e X_ij = a observação no acesso i em referência à característica j.

Para a padronização utilizou-se a relação:

em que S (X_j) é o desvio-padrão dos dados do j-ésimo caráter (Cruz & Regazzi, 1994).

Na obtenção dos componentes principais, as seguintes propriedades foram consideradas:

a) Se Y_ij é um componente principal, então:

b) Se y_ij' é outro componente principal, então:

ou seja, os componentes são não correlacionados.

c) Entre os componentes principais, y_i1 apresenta a maior variância, y_i2 o segundo maior e, assim, sucessivamente.

As estimativas desses parâmetros são obtidas pela solução do sistema de equação:

(R - l_jI) a_j = 0, em que l_j são as raízes características ou autovalores da matriz de correlações entre as variáveis originais ou de covariâncias entre variáveis padronizadas. Existem p autovalores correspondentes às variâncias de cada um dos p componentes principais; a_j = vetor característico ou também chamado autovetor, representa o conjunto de transformações ortogonais nas quais as variáveis originais padronizadas devem ser multiplicadas, para produzir as variáveis transformadas; I é a matriz identidade de dimensão p x p; e R é matriz de correlações fenotípicas entre pares de variáveis originais.

A importância relativa de cada componente (Ir_j) foi avaliada pela porcentagem da variância total que ele explica, ou seja:

sendo: V(Y_i1) + V(Y_i2) + .... + V(Y_ip) = Traço de R.

Adotou-se o critério de descartar a variável de maior coeficiente em cada componente, com autovalor acumulado maior que 0,70, de acordo com as proposições de Jolliffer (1973) e Pereira (1989).

Posteriormente, adotou-se o método hierárquico do vizinho mais próximo para o agrupamento. No procedimento analítico, partindo-se da matriz de distâncias genéticas, procedeu-se a sucessivas identificações dos genótipos mais próximos, a partir do par mais semelhante, até que se estabeleceu um diagrama de árvore. A distância entre um acesso k e um grupo formado pelos acessos i e j, é dada por: D²_(ij)k = min (D²_ik; D²_jk), em que D²_(ij)k é a distância entre o grupo ij e o acesso k, e min (D²_ik; D²_jk) é a menor distância entre os grupos de acessos ik e jk (Cruz & Regazzi, 1994).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Com base nas médias dos dados morfológicos obtidas a partir dos acessos, obtiveram-se três matrizes de distâncias Euclidianas, que foram analisadas pelo método hierárquico do vizinho mais próximo e de componentes principais.

Com base na matriz de distâncias Euclidianas médias, geraram-se três dendrogramas (Figuras 1, 2, e ³). Fazendo-se um corte vertical a uma distância de ligação de 17,5 no agrupamento hierárquico dos acessos com base nas características avaliadas (Figura 1), observa-se que houve a formação de seis grupos. O grupo 1 reúne os acessos de A. esculentus e A. caillei. O segundo grupo reúne 5 dos 7 acessos de A. moschatus estudados. O grupo 3 reúne os acessos 1317 e 1320 de A. moschatus e os representantes de A. tetraphyllus e A. ficulneus. Os grupos 4, 5 e 6 foram compostos pelos acessos 1324 (A. caillei), 1297 (A. manihot) e 1373 (A. manihot), respectivamente.

O método hierárquico agrupou os acessos de forma idêntica tanto para os 27 descritores (Figura 1) quanto para os 13 descritores quantitativos (Figura 2). Isto indica que os descritores qualitativos não afetaram o perfil da distribuição dos acessos no dendrograma, não interferindo, de forma determinante, no estudo da variabilidade entre genótipos de quiabeiro, com base em dados morfológicos. Os descritores quantitativos foram eficientes na discriminação dos acessos, porém, não foram capazes de classificar corretamente as espécies. Um dos motivos para isso, pode ser o fato de que estas características são controladas por muitos genes, sendo muito afetadas por fatores ambientais.

O agrupamento hierárquico, com base em características morfológicas qualitativas, reuniu os acessos conforme a espécie botânica, quando fez-se um corte vertical a uma distância de 2,5 (^{Figura 3}). Isto ocorreu, provavelmente, pelo fato destas características serem controladas por poucos genes e, portanto, serem pouco afetadas pelo ambiente. Outrossim, é que a taxonomia clássica normalmente utiliza destas características para classificar as espécies. O dendrograma mostrou um baixo potencial em diferenciar os acessos dentro dos vários grupos formados, denotando uma reduzida variabilidade genética no germoplasma. Isto pode ser explicado pelo fato de que estas características, sendo controladas por poucos genes, não possibilitam um rastreamento muito abrangente dos genomas. Observou-se ainda, que não houve uma associação entre a diversidade genética e ecogeográfica entre os acessos.

O resultado da análise de componentes principais, obtido a partir de 13 caracteres morfológicos quantitativos (Tabela 2), mostra que foram necessários quatro componentes, para que a variância por eles explicada atingisse um mínimo de 80%. Isso indica uma dispersão, de forma mais equitativa, da variância total, nos caracteres avaliados.

A técnica de análise multivariada de componentes principais tem a vantagem em relação aos métodos de análise univariada de avaliar a importância de cada característica estudada sobre a variação total disponível entre os acessos avaliados, possibilitando o descarte dos caracteres menos discriminantes, por já estarem correlacionados com outras variáveis redundantes ou pela sua invariância.

Com base nos resultados deste trabalho, foram descartados os caracteres: largura do epicálice, peso de 100 sementes, número de segmentos do estigma, altura da planta, comprimento da folha, largura da folha, nó do primeiro florescimento e comprimento do fruto. Porém o procedimento de descarte de variáveis pela técnica de componentes principais, pela possibilidade de eliminar variáveis que possuem pesos consideráveis nos primeiros componentes, principalmente quando estes acumulam grande fração da variância total (Morais, 1992).

A análise de componentes principais reduziu os treze descritores em três componentes principais, que explicaram 76,7% da variância total (Tabela 2). O componente 1, que explicou 35,8% da variância total, está associado a um contraste entre dois grupos de variáveis. Dentre as variáveis de maior peso neste componente pode-se citar: comprimento do epicálice, comprimento do pedúnculo, número de segmentos do estigma, largura da folha e nós produzindo frutos na haste principal. O componente 2, que explicou 22,7% está associado aos seguintes descritores: comprimento do epicálice, largura do epicálice, altura da planta, números de internós, largura da folha e nós produzindo frutos na haste principal. No componente 3, que sozinho explicou 18,1% da variância total, os descritores de maior peso foram: comprimento do epicálice, largura do epicálice, número de internós, comprimento da folha e nós produzindo frutos na haste principal.

A representação gráfica dos escores dos três primeiros componentes principais demonstra que houve a formação de quatro grupos (Figura 4). O primeiro e o maior deles é composto pelos acessos de A. esculentus e A. caillei, confirmando, desta forma, a aglomeração produzida pelos métodos já analisados. O segundo grupo é formado apenas pelos acessos de A. moschatus. O terceiro, reune três acessos de A. esculentus e apenas um de A. manihot. Por fim, o grupo quatro é composto pelos acessos de A. tetraphyllus e A. ficulneus, além de um acesso de A. manihot. Verifica-se, ainda, que ocorreu uma separação dos acessos de A. manihot. Estes acessos diferem, basicamente, pela variável altura da planta. Este fato não concorda com o método de agrupamento hierárquico com base nos descritores qualitativos, que revelaram os dois acessos de A. manihot como pertencentes ao mesmo grupo. Porém, está de acordo com os agrupamentos hierárquicos (Figuras 1 e 2).

Pode-se considerar que, de um modo geral, os dois métodos de aglomeração fundamentados em dados morfológicos, foram coerentes na formação dos grupos entre acessos de quiabeiro. Martinello et al. (1996), numa análise por componentes principais aplicada a características morfológicas em quiabeiro, verificaram que A. caillei foi a única das espécies silvestres que fez parte do grupo em que todos os outros acessos eram A. esculentus. Estes autores verificaram ainda que hibridações interespecíficas entre A. caillei (2n= 185-189) e A. esculentus (2n= 72-144), foram eficientes e que, os híbridos F₁ se mostraram férteis e produziram grandes quantidades de sementes viáveis, apesar da diferença do número de cromossomos entre os parentais. Isto indica uma grande afinidade entre os genomas, que podem fazer parte de um mesmo complexo gênico. Estas constatações denotam que, no processo de evolução, estas espécies divergiram ou bifurcaram mais recentemente. Outra hipótese, proposta por Baum & Gupta (1996), sugere que A. caillei tenha se diferenciado a partir de A. esculentus, ou vice-versa, por um processo evolucionário reticulado, isto é, anfiploidização, poliploidização, hibridação ou outro sistema genético. Convém salientar que este tipo de situação envolvendo evolução reticulada para as plantas superiores, ainda é pouco estudada. Siemonsma (1982) hipotetizou que A. caillei é um anfiplóide natural de A. esculentus (2n= 130-140) e A. manihot (2n= 60-68), concordando com os resultados obtidos por esta pesquisa. Porém, para se entender plenamente como estas espécies evoluíram, deve-se recorrer às técnicas de citogenética molecular como, por exemplo, hibridização genômica in situ, uma vez que se trata de alopoliplóides.

Verificou-se ainda, que as técnicas estatísticas empregadas neste trabalho foram capazes de estabelecer padrões e classificações da diversidade genética, identificando claramente os grupos. As informações resultantes são úteis no entendimento da diversidade dentro da coleção e como está estruturada. As características morfométricas delineiam estes grupos auxiliando na pesquisa de novas cultivares e busca de espécies silvestres requeridas como base genética para programas de melhoramento da cultura.

LITERATURA CITADA

Aceito para publicação em 14 de novembro de 2.001

• ARIYO, O.J. Genetic diversity in West African okra (Abelmoschus caillei) (A. chev.) Stels - Multivariate analysis of morphological and agronomic characteristics. Genetic Resources and Crop Evolution, v. 40, p. 25-32, 1993.
• BAUM, B.R.; GUPTA, P.K. Numerical taxonomy and genome analysis. In: JAUHAR, P.P., ed. Methods of genome analysis in plants North Dakota: CRC Press, 1996. p. 345-356.
• BISHT, I.S.; PATEL, D.P.; NAHAJAN, R.K. Classification of genetic diversity in Abelmoschus tuberculatus germplasm collection using morphometric data. Annual Applied Biology, v. 130, p. 325-335, 1997.
• BOHAC, J.R.; AUSTIN, D.F.; JONES, A. Discovery of wild tetraploid sweetpotatoes. Economical Botany, v. 47, p. 193-201, 1993.
• BRETTING, P.K.; WIDRLECHENER, M.P. Genetic markers and horticultural germplasm management. HortScience, v. 30, n. 7, p. 1349-1355, 1995.
• BROWN, A.H.D.; CLEGG, M.T. Isozyme assessment of plant genetic resources. In: BATTAZI, M.C.; SCANDALIUS, J.G.; WHITT, G.S., eds. Isozymes: Current topics in biological and medical research New York: A.R. Liss, 1983. p. 285-295.
• CHARRIER, A. Genetic Resources of Abelmoschus (okra). Rome: IBPGR, 1984. 64 p.
• CRAWFORD, D.J. 1990. Plant molecular systematics: macromolecular approaches New York: Wiley, 1990. 388 p.
• CRUZ, C.D. Programa Genes: aplicativo computacional em genética e estatística Viçosa: Editora UFV, 1997. 394 p.
• CRUZ, C.D.; REGAZZI, A.J. Modelos biométricos aplicados ao melhoramento genético Viçosa: UFV - Imprensa Universitária, 1994. 390 p.
• CRUZ, C.D. Aplicação de algumas técnicas multivariadas no melhoramento de plantas Piracicaba: USP/ESALQ, 1990. 188 p. (Tese doutorado).
• HAMON, S.; VAN SLOTEN, D.H. Characterization and evaluation of okra. In: BROWN, A.H.D.; FRANKEL, O; MARSHALL, D.R. ; WILLIAMS, J.T., eds. The use of plant genetic resources Cambridge: Cambridge University Press, 1989. p. 173-196.
• JOLLIFFER, I.T. Discarding variables in a principal component analysis, II. Real data. Applied Statistics, v. 22, p. 21-31, 1973.
• MARTINELLO, G.E.; ABBOUD, A.C.S.; LEAL, N.R. Análise em componentes principais e de agrupamentos aplicada a características morfológicas e agronômicas em quiabeiro. Horticultura Brasileira, v. 14, n. 2, p. 200-203, 1996.
• MORAIS, O.P. Análise multivariada da divergência genética dos progenitores, índices de seleção e seleção combinada numa população de arroz oriunda de intercruzamentos usando macho-esterilidade Viçosa: UFV-Imprensa Universitária, 1992. 251 p. (Tese doutorado).
• PEREIRA, A.V. Utilização de análise multivariada na caracterização de germoplasma de mandioca (Manihot esculenta Crantz). Piracicaba: USP/ESALQ, 1989. 108 p. (Tese doutorado).
• SIEMONSMA, J.S. West-African okra morphological and cytogenetical indications for the existence of a natural amphidiploid of Abelmoschus esculentus (L.) Moench and A. manihot (L.) Medikus. Euphytica, v. 31, n. 1, p. 241-252, 1982.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  18 Nov 2003
• Data do Fascículo
  Mar 2002

Histórico

• Aceito
  14 Nov 2001