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Heterose e distâncias genéticas moleculares para a produção de grãos em soja

Heterosis and molecular genetic distances for grain yield in soybeans

Resumos

Em soja, tem sido relatada a ocorrência de heterose para a produção de grãos, e embora a utilização de cultivares híbridas não seja ainda uma realidade nesta espécie, o conhecimento da heterose é importante para uma pré-seleção de cruzamentos, visto que cruzamentos mais heteróticos estão associados a uma maior divergência entre os genitores. Entretanto, a obtenção de sementes F1 em quantidade suficiente para a avaliação experimental em parcelas é muito difícil e, assim, outros indicadores da ocorrência da heterose poderiam ser muito úteis. Objetivou-se, neste trabalho a avaliação da heterose para a produção de grãos em soja e as suas relações com as distâncias genéticas (DG), obtidas com o marcador molecular AFLP. Seis híbridos F1 oriundos de cruzamentos com diferentes distâncias genéticas (DG) e os respectivos genitores foram avaliados em experimentos com quatro repetições, empregando o delineamento em blocos ao acaso. Foi observada uma grande variação entre os cruzamentos quanto às heteroses, isso é, de 6,29 a 56,50% em relação à média dos genitores ( h mg) e de -0,34 a 51,30% em relação ao genitor superior (h gs). As correlações entre as distâncias genéticas (DG) e as heteroses foram elevadas (r = 0,83 e 0,60, respectivamente, para h mg e h gs), indicando que as distâncias genéticas podem ser utilizadas como indicativas de cruzamentos mais divergentes e, consequentemente, como um dos auxiliares na seleção de genitores mais divergentes em soja.

Glycine max; heterose; distância genética; marcadores AFLP


Heterosis has been reported for grain yield in soybeans, and despite the fact that hybrid cultivars have not been used yet, the knowledge of heterosis magnitude is very important for a previous selection of crosses, since heterosis is related to parental divergence. However, the obtention of enough F1 seeds for experimental evaluation in plots is a time-consuming task, and thus, other indicators of the occurrence of heterosis could be very useful. The objective of this work was to evaluate heterosis and its relationship with AFLP molecular genetic distance (DG). Six F1 hybrids, derived from parents with different levels of genetic distances (DG) and their respective parents, were evaluated in completely randomized block designs, with four replications. Heterosis estimates were very different among different crosses, varying from 6.29 to 56.50% for mid-parent heterosis (h mg) and from -0.34 to 51.30% for high-parent heterosis (h gs). Besides, the correlation between heterosis and genetic distances (DG) were very high (0.83 and 0.60,respectively, for h mg and h gs), which indicates that DG can be used as indicative of more divergent crosses, and thus, as one criterion for selection of more divergent parents.

Glycine max; heterosis; genetic distance; AFLP marker


CIÊNCIAS AGRÁRIAS

Heterose e distâncias genéticas moleculares para a produção de grãos em soja

Heterosis and molecular genetic distances for grain yield in soybeans

José Manoel Colombari FilhoI; Isaias Olívio GeraldiII; Marco Antonio Acevedo BaronaIII

IEmpresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária - EMBRAPA Arroz e Feijão - Goiânia, GO

IIEscola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz/ESALQ/USP - Departamento de Genética - Cx. P. 83 - 13.400-970 - Piracicaba, SP - iogerald@esalq.usp.br

IIIInstituto Nacional de Investigaciones Agrícola/INIA - Calagozo - Guárico - Venezuela

RESUMO

Em soja, tem sido relatada a ocorrência de heterose para a produção de grãos, e embora a utilização de cultivares híbridas não seja ainda uma realidade nesta espécie, o conhecimento da heterose é importante para uma pré-seleção de cruzamentos, visto que cruzamentos mais heteróticos estão associados a uma maior divergência entre os genitores. Entretanto, a obtenção de sementes F1 em quantidade suficiente para a avaliação experimental em parcelas é muito difícil e, assim, outros indicadores da ocorrência da heterose poderiam ser muito úteis. Objetivou-se, neste trabalho a avaliação da heterose para a produção de grãos em soja e as suas relações com as distâncias genéticas (DG), obtidas com o marcador molecular AFLP. Seis híbridos F1 oriundos de cruzamentos com diferentes distâncias genéticas (DG) e os respectivos genitores foram avaliados em experimentos com quatro repetições, empregando o delineamento em blocos ao acaso. Foi observada uma grande variação entre os cruzamentos quanto às heteroses, isso é, de 6,29 a 56,50% em relação à média dos genitores ( hmg) e de -0,34 a 51,30% em relação ao genitor superior (hgs). As correlações entre as distâncias genéticas (DG) e as heteroses foram elevadas (r = 0,83 e 0,60, respectivamente, para hmg e hgs), indicando que as distâncias genéticas podem ser utilizadas como indicativas de cruzamentos mais divergentes e, consequentemente, como um dos auxiliares na seleção de genitores mais divergentes em soja.

Termos para indexação:Glycine max, heterose, distância genética, marcadores AFLP.

ABSTRACT

Heterosis has been reported for grain yield in soybeans, and despite the fact that hybrid cultivars have not been used yet, the knowledge of heterosis magnitude is very important for a previous selection of crosses, since heterosis is related to parental divergence. However, the obtention of enough F1 seeds for experimental evaluation in plots is a time-consuming task, and thus, other indicators of the occurrence of heterosis could be very useful. The objective of this work was to evaluate heterosis and its relationship with AFLP molecular genetic distance (DG). Six F1 hybrids, derived from parents with different levels of genetic distances (DG) and their respective parents, were evaluated in completely randomized block designs, with four replications. Heterosis estimates were very different among different crosses, varying from 6.29 to 56.50% for mid-parent heterosis (hmg) and from -0.34 to 51.30% for high-parent heterosis (hgs). Besides, the correlation between heterosis and genetic distances (DG) were very high (0.83 and 0.60,respectively, for hmg and hgs), which indicates that DG can be used as indicative of more divergent crosses, and thus, as one criterion for selection of more divergent parents.

Index terms: Glycine max, heterosis, genetic distance, AFLP marker.

INTRODUÇÃO

Em soja [Glycine max (L.) Merrill], o vigor híbrido tem sido relatado em diversos caracteres de importância econômica (Paschal & Wilcox, 1975; Nelson & Bernard, 1984). Os valores de heterose para produção de grãos, obtidos através da avaliação de plantas individuais F1 (g.planta-1), variaram de 14 a 46% em relação à média dos genitores e de 4 a 34%, em relação ao genitor superior (Janick, 2001).

Apesar de cultivares híbridas não serem ainda utilizadas em soja, a heterose é um indicador da divergência entre os genitores e, consequentemente, da variação genética liberada nos cruzamentos. Assim, com base no conhecimento da heterose, os pesquisadores poderiam fazer uma prévia seleção dos cruzamentos e concentrar esforços somente naqueles mais promissores, resultando em redução de trabalho e custo (Galanopoulou-Sendouca & Roupakias, 1999; Kumar, 1999). A obtenção de estimativas precisas de heterose não é fácil em soja, devido à dificuldade para a obtenção de um número adequado de sementes F1. Entretanto, com o advento dos marcadores moleculares surgiu a possibilidade da predição da heterose, com base nas distâncias genéticas moleculares (Charcosset & Moreau, 2004).

Alguns estudos em diversas espécies têm revelado uma significativa correlação entre distâncias genéticas por marcadores moleculares e expressão da heterose, como em Brassica napus L. (Riaz et al., 2008) e em milho (Betrán et al., 2003). No entanto, em outros estudos têm sido encontradas baixas correlações, como em milho (Ajmone-Marsan et al., 1998; Bechimol et al., 2000), em arroz japonica (Kwon et al., 2002), em trigo (Martin et al., 1995; Lorencetti et al., 2006) e em girassol (Cheres et al., 2000).

Manjarrez-Sandoval et al. (1997) avaliando 24 populações F2 derivadas de cruzamentos biparentais em soja, observaram correlações negativas e significativas entre os coeficientes de similaridade genética obtidos com RFLP e as heteroses, para os caracteres peso de 100 sementes e altura das plantas, enquanto que para o caráter produção de grãos a correlação dependeu do local e do ano em que as avaliações foram realizadas. Cerna et al. (1997), avaliando 48 híbridos F1, observaram correlações não significativas entre a distância genética por RFLP e a heterose para o caráter produção de grãos em soja.

De acordo com Bernardo (1992), a heterozigosidade observada através dos marcadores moleculares somente será útil para a predição do desempenho de híbridos em espécies cultivadas quando, pelo menos, 30 a 50% dos QTL's (quantitative traits loci) que afetam o caráter estiverem ligados aos marcadores moleculares e não mais que 20 a 30% dos marcadores moleculares estiverem dispersos, aleatoriamente, no genoma ou não ligados a algum QTL.

Objetivou-se, neste trabalho, (i) avaliar a heterose para produção de grãos (PG) em seis cruzamentos de soja com diferentes distâncias genéticas moleculares (DG), obtidas com AFLP e (ii) investigar o potencial das distâncias genéticas para a predição da heterose e, consequentemente, para a seleção de genitores para cruzamentos.

MATERIAL E MÉTODOS

Para realização deste trabalho, foram utilizados híbridos F1 provenientes de seis cruzamentos entre genitores com diferentes graus de distâncias genéticas obtidas com o marcador molecular AFLP (DG). Inicialmente foi realizada uma pré-seleção das cultivares ainda recomendadas para o estado de São Paulo (Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária - Embrapa, 2005), no sentido de assegurar que os possíveis genitores fossem adaptados às condições edafoclimáticas da área experimental deste estudo. Em seguida, a seleção dos genitores foi feita com base nas distâncias genéticas (DG), calculadas a partir dos dados de coeficientes de similaridade genética por AFLP entre 317 cultivares de soja liberados no Brasil, no período de 1962 a 1998 (Bonato et al., 2006). Desse modo foram selecionadas nove cultivares, que foram empregadas como genitores em seis diferentes cruzamentos: três com baixa distância genética; uma com distância genética mediana, e duas com distância genética alta. Os pares de genitores foram escolhidos de modo a garantir um bom intervalo de variação (0,128 a 0,656), quanto às distâncias genéticas (Tabela 1).

As hibridações foram realizadas em casa de vegetação, no ano agrícola 2005/06, nas dependências do Departamento de Genética da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz", da Universidade de São Paulo (ESALQ/USP). Foram obtidas cerca de 250 sementes por cruzamento e, para isso, o plantio dos genitores foi escalonado no tempo. No ano agrícola 2007/08, foram realizadas as avaliações experimentais na Estação Experimental Anhembi da ESALQ/USP, localizada no município de Piracicaba, SP. Foram realizados seis experimentos (um por cruzamento), em blocos ao acaso com quatro repetições, contendo cada um três tratamentos, isso é, os dois genitores e o híbrido F1. As parcelas experimentais foram constituídas de linhas de 2,0 m de comprimento espaçadas de 0,5 m, contendo 30 plantas. Na semeadura, foi adotada a densidade de 30 sementes por metro linear, com desbaste para 15 plantas por metro linear no estádio V3 a V4 da escala de Fehr & Caviness (1977), ou seja, plantas com duas a três folhas trifolioladas abertas. Os tratos culturais foram realizados conforme as recomendações técnicas para a cultura e quando necessário, realizou-se irrigação para assegurar as exigências hídricas.

Avaliou-se o caráter de maior relevância para o melhoramento de soja, isto é, a produção de grãos (PG), através da pesagem dos grãos colhidos na parcela, corrigido para umidade padrão de 13%. A heterose, em porcentagem, foi calculada em relação à média dos genitores; e em relação ao genitor superior , em que é a média do híbrido F1, é a média dos genitores, es é a média do genitor superior (Fehr, 1987a).

A associação entre a heterose e as distâncias genéticas por AFLP (DG) foi avaliada através do coeficiente de correlação de Spearman (Steel et al, 1997). A eficiência da predição da heterose (EP%) foi calculada como a probabilidade de se identificar os três cruzamentos com as maiores heteroses, através da seleção dos três cruzamentos com as maiores distâncias genéticas (DG), o que corresponde a 50% do número de cruzamentos deste estudo, ou seja, uma taxa de seleção de cruzamentos de 50%.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Na Tabela 2 estão apresentados para todos os cruzamentos, os graus de liberdade e os quadrados médios com suas respectivas significâncias, obtidos das análises de variância para o caráter produção de grãos (PG), assim como a média do híbrido F1 (), a média do genitor superior (), a média do genitor inferior (s) e o coeficiente de variação experimental (CV%). O coeficiente de variação experimental (CV%) variou de 12,80 (C4) a 16,63% (C2), evidenciando uma ótima precisão experimental, visto que foram bem inferiores àqueles obtidos por outros autores para este mesmo tipo de parcela (Silva, 2005; Barona, 2007).

Não se detectaram diferenças significativas entre tratamentos, pelo teste F nos cruzamentos C1, C2 e C3. No entanto, houve diferenças altamente significativas (p<0,01), entre tratamentos nos cruzamentos C4, C5 e C6, as quais foram corroboradas pelas diferenças significativas pelo teste de Tukey entre a média do híbrido F1 () e a média de, pelo menos, um dos respectivos genitores (Tabela 2).

A média do híbrido F1 (), entre todos os cruzamentos, variou de 468,18 (C1) a 806,61 g.m-2 (C6), o que corresponde a produtividades elevadas, de aproximadamente 4,7 a 8,1 t.ha-1 (Tabela 2). Através da análise comparativa das médias pelo teste de Tukey, pôde-se notar, partindo do cruzamento C1 em direção ao cruzamento C6, que a diferença da média do híbrido F1 em relação à média dos genitores (s e ) ampliou-se gradativamente. Assim, nos cruzamentos C1, C2 e C3a média do híbrido Fnão diferiu significativamente da média dos genitores (s e ); no cruzamento C3 a média do híbrido F1 diferiu significativamente da média do genitor inferior (); e nos cruzamentos C5 e C6 a média do híbrido F1 diferiu significativamente da média de ambos os genitores (s e ).

Na Tabela 3, estão apresentadas as heteroses, para todos os cruzamentos, as correlações entre heteroses e distâncias genéticas [r(DG,h)] e a eficiência da predição da heterose (EP%). Entre os diferentes cruzamentos, houve uma considerável variação nos valores da heterose, variando de 6,29 (C2) a 56,50% (C6) em relação à média dos genitores ( hmg ) e de -0,34 (C) a 51,30% (C6) em relação ao genitor superior ( hgs), indicando a ocorrência de grandes diferenças quanto à divergência genética entre os genitores. Esses valores, além de revelarem a ocorrência de um elevado vigor híbrido, são coerentes com aqueles encontrados em outros estudos, porém obtidos através da avaliação de plantas individuais F1 (g.planta-1), isto é, de 14 a 46% para ( hmg) e de 4 a 34% para ( hgs)(Janick, 2001). Por outro lado, Burton & Brownie (2006), avaliando plantas F1 em parcelas lineares de 5,8 m de comprimento e espaçadas de 0,96 m, encontraram valores de heterose de 5% e 16%, em relação ao genitor superior e, portanto, inferiores às do presente trabalho.

Uma vez que a heterose é resultante da divergência genética entre os genitores e da ocorrência de efeitos de dominância (gmd>0), espera-se que uma maior distância genética entre os genitores resulte em um maior vigor híbrido na geração F1. Neste estudo, foram encontradas correlações positivas e elevadas entre as distâncias genéticas (DG) e a heterose para o caráter PG (r = 0,83 e 0,60 para hmg e hgs , respectivamente), indicando uma tendência do aumento do vigor híbrido no mesmo sentido do aumento da distância genética entre os genitores (Tabela 3). Desse modo, as distâncias genéticas por AFLP (DG), podem ser consideradas como bons indicadores da heterose para o caráter PG em soja, tanto em relação à média dos genitores (hmg), como em relação ao genitor superior (hgs). Tais evidências foram corroboradas pela eficiência da precisão da heterose (EP%), que em relação à média dos genitores (hmg) e em relação ao genitor superior ( hgs), foram iguais a 100 e 66,67%, respectivamente.

Para testar se a seleção através das distâncias genéticas por AFLP poderia gerar cruzamentos com maior heterose, subdividiram-se os cruzamentos em dois grupos, ou seja: (i) os três cruzamentos com os menores valores de DG (C1, C2 e C3); e (ii) os três cruzamentos com os maiores valores de DG (C4, C5 e C6). Com isso, pode-se verificar que a média das heteroses em relação à média dos genitores ( hmg) no grupo dos cruzamentos com maiores DG foi 3,8 vezes maior que a do grupo de cruzamentos com menores DG e, também, que a média das heteroses em relação ao genitor superior ( hgs ) no grupo dos cruzamentos com maiores DG foi 3,6 vezes maior que a do grupo de cruzamentos com menores DG.

Os resultados encontrados neste estudo diferem daqueles relatados em outros trabalhos em soja que tiveram o mesmo objetivo, porém utilizando marcadores moleculares diferentes. Manjarrez-Sandoval et al. (1997) utilizando três conjuntos de populações F2 em soja encontram heteroses em relação à média dos genitores, inferiores ou com magnitudes semelhantes às obtidas no presente estudo, as quais foram iguais a 7,9, 4,5 e 7,9%, para o caráter produção de grãos. Além disso, as correlações entre as estimativas de similaridade genética a partir de RFLP e a heterose para o caráter produção de grãos variaram com o local e o ano de avaliação. Cerna et al. (1997) avaliando dois conjuntos de 24 híbridos F1 em soja, divididos por grupo de maturação (Grupo II e III), observaram correlações baixas e não significativas entre as distâncias genéticas por RFLP e a heterose para o caráter produção de grãos, tanto em relação à média dos genitores (0,08) como em relação ao genitor superior (-0,18). Em ambos os trabalhos os autores concluíram que a divergência observada por marcadores RFLP não está associada com a expressão da heterose do caráter produção de grãos em soja.

Cabe ressaltar que, em soja, existe uma dificuldade em se obter uma quantidade expressiva de sementes F1, visto que são obtidas poucas sementes por cruzamento, sendo esse um dos principais motivos da não existência de muitos estudos sobre heterose utilizando-se sementes F1 e com parcelas maiores, que não seja plantas individuais (Janick, 2001). Neste trabalho, por haver uma quantidade razoável de sementes F1, as avaliações das plantas F1 foram realizadas em parcelas experimentais, o que possibilitou avaliar a produção de grãos com densidade populacional e arranjo espacial adequados, e semelhante ao plantio em escala comercial.

Existem diversas explicações para a ocorrência de correlações positivas e elevadas entre as distâncias genéticas por AFLP (DG) e a heterose para PG. Uma possível explicação, segundo Bernardo (1992), está relacionada com o real desequilíbrio de ligação existente entre os QTL's (quantitative traits loci) que contribuem para a variância genética do caráter e os locos do marcador utilizado para estimação das distâncias genéticas entre os genitores. Assim, parte dos locos amostrados pelos marcadores, para obtenção das distâncias genéticas por AFLP, podem estar ligados a alguns QTL's que afetam o caráter PG, assim como parte dos QTL's que contribuem para a heterose desse caráter podem estar ligados a certos locos do marcador. Em ambos os casos, isso promove o aumento da associação entre a distância genética e o desempenho do híbrido. Uma outra explicação, conforme Charcosset & Essioux (1994), está relacionada com a variação das magnitudes dos efeitos gênicos dos diferentes QTL's que afetam o caráter, ou seja, é provável que os diferentes QTL's que controlam um determinado caráter apresentem efeitos diferentes e/ou que existem QTL's em desequilíbrio de ligação, fazendo com que as regiões do genoma possuam diferentes pesos na expressão do caráter. Portanto, pode-se considerar, com relação a essas explicações, haver um número significativo de QTL's e/ou mesmo poucos QTL's com maior peso na expressão do caráter, em desequilíbrio de ligação com os locos do marcador molecular utilizado neste estudo, ou seja, a maioria desses locos estaria localizada em regiões do genoma importantes para expressão do caráter PG.

Com base nos resultados do presente estudo, parece adequado o uso destas distâncias genéticas por marcadores AFLP (DG), para predizer a heterose para a produção de grãos em soja e, consequentemente, como um dos critérios para a seleção de genitores, visto que as mesmas não dependem da realização de experimentos de campo e das condições climáticas. Embora o uso de cultivares híbridos não seja ainda uma realidade em soja, a magnitude da heterose é um indicativo da divergência genética entre possíveis genitores para cruzamentos. Assim, a partir do conhecimento das distâncias genéticas por AFLP seria possível a redução do número de cruzamentos a ser realizado, isso é uma seleção entre cruzamentos, resultando em redução de custo e trabalho dos programas de melhoramento.

Finalmente, é importante considerar ainda a questão do uso de cultivares híbridas em soja. Até o momento, isso somente seria possível com o uso de macho-esterilidade, mas a relação custo/benefício da semente híbrida inviabilizaria o processo, visto que plantas macho-estéreis produzem um número reduzido de sementes. De acordo com Fehr (1987b), esse processo poderia ser viabilizado com a indução de apomixia em plantas de soja híbridas. Considerando que os resultados de heterose obtidos neste trabalho (acima de 50%) são alentadores, seria importante que pesquisadores da área de biologia molecular conduzissem estudos visando à transferência de genes que controlam a apomixia de outras espécies para a soja cultivada, ou de algum outro processo que viabilizasse a produção comercial de sementes híbridas.

CONCLUSÕES

Os resultados do presente trabalho permitem apontar as seguintes conclusões:

• A heterose para a produção de grãos em soja está correlacionada com as distâncias genéticas obtidas com marcadores moleculares AFLP;

• É possível uma seleção entre cruzamentos a partir das distâncias genéticas moleculares entre os genitores.

AGRADECIMENTOS

Ao CNPq, pela bolsa de doutorado concedida a J.M.C.F; e por I.O.G ser bolsista em Produtividade e Pesquisa do CNPq.

(Recebido em 3 de fevereiro de 2009 e aprovado em 2 de fevereiro de 2010)

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Datas de Publicação

  • Publicação nesta coleção
    27 Ago 2010
  • Data do Fascículo
    Ago 2010

Histórico

  • Recebido
    03 Fev 2009
  • Aceito
    02 Fev 2010
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