Nome do Projeto
Obtenção de genótipos mutantes de arroz com tolerância a estresses abióticos nos estádios iniciais
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
01/06/2021 - 31/05/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Agrárias
Resumo
O arroz é uma das principais culturas alimentares para grande parte da população brasileira e mundial, estando diretamente associado com a segurança alimentar. A ocorrência de estresses abióticos tem causado perdas significativas na produtividade da cultura. Dentre os estresses que impactam a espécie pode-se destacar a toxidez por excesso de ferro (Fe), que é comum no cultivo irrigado, principal sistema de produção de arroz utilizado no Brasil. A salinidade do solo também afeta a produtividade de arroz, e no Sul do Brasil essa condição tem sido recorrente devido principalmente à salinização da água utilizada para irrigação. Ainda, a ocorrência de baixas temperaturas é outro entrave na produtividade do arroz cultivado no Sul do Brasil. O arroz apresenta resposta diferente frente a condições adversas de acordo com o estádio de desenvolvimento. A germinação é afetada pela ocorrência de baixas temperaturas, e no estádio de plântula a espécie é sensível a toxidez por excesso de Fe e salinidade do solo. A utilização de genótipos tolerantes a esses estresses nos estádios iniciais de desenvolvimento é uma estratégia para manutenção da produtividade do arroz, já que é nesse momento que ocorre o estabelecimento da lavoura. No entanto, o desenvolvimento de novas variedades só é possível na presença de variabilidade genética, que parece ter sofrido um estreitamente ao longo dos últimos anos dentre os genótipos elite. A indução de mutações por agentes químicos e físicos, que possibilitam a criação de novos alelos tem sido uma ferramenta potencial utilizada nos programas de melhoramento. Dentro desse contexto, essa proposta visa o desenvolvimento de genótipos de arroz mutantes tolerantes aos estresses ocasionados pela toxidez por excesso de Fe, baixas temperaturas e salinidade do solo nos estádios iniciais de desenvolvimento. Esses genótipos poderão ser lançados como novas cultivares (essencialmente derivadas) ou utilizados em programas de melhoramento como genitores em blocos de cruzamento.

Objetivo Geral

Desenvolver genótipos de arroz mutantes tolerantes aos estresses ocasionados pela toxidez por excesso de Fe, baixas temperaturas e salinidade do solo em estádios iniciais de desenvolvimento.

Justificativa

É amplamente conhecido que o arroz (Oryza sativa L.) é uma das principais culturas alimentares para mais de 3,5 milhões de pessoas em todo mundo, estando diretamente associado com a segurança alimentar (Li et al., 2018). No Brasil a situação não é diferente, onde quase 95% dos brasileiros consomem arroz, dos quais mais da metade ingerem esse alimento no mínimo uma vez ao dia (Oliveira Neto, 2015).
O cenário atual prevê um aumento na demanda de arroz, decorrente do constante crescimento da população, assim um dos principais objetivos dos programas de melhoramento no mundo é o aumento da produtividade. No entanto, a ocorrência de estresses abióticos tem causado perdas significativas na produtividade, fazendo com que a tolerância às condições ambientais adversas também seja uma característica alvo dos melhoristas de arroz.
No Brasil, diferentes estresses abióticos impactam negativamente a produtividade do arroz, sendo a toxidez por excesso de Fe uma condição adversa comum, principalmente em áreas de cultivo irrigado. Essa condição também impacta outros países, como os localizados no Oeste da África e no Sudeste da Ásia (Liu et al., 2016). A ocorrência de baixas temperaturas é outro entrave na produtividade do arroz cultivado no Sul do Brasil, o que também pode ser observado em outros locais do mundo, como Austrália, Japão e Coréia (Cruz et al., 2013). Ainda, a cultura é impactada pela presença de salinidade no solo, condição que ocorre especialmente no Sul do Brasil (Fraga et al., 2010), e em outras regiões do mundo como Sul e Sudeste da Ásia (Reddy et al., 2017).
De acordo com o estádio de desenvolvimento, o arroz apresenta resposta diferente frente a condições adversas. A germinação do arroz é afetada pela ocorrência de baixas temperaturas, e no estádio de plântula, a espécie é sensível a toxidez por excesso de Fe e salinidade do solo. Considerando que é nesses momentos que ocorre o estabelecimento da lavoura, o que vai influenciar diretamente a produtividade, é importante direcionar estudos nessa fase. Por isso, o desenvolvimento de genótipos tolerantes a estresses abióticos nos estádios iniciais de desenvolvimento, é uma estratégia para manutenção da produtividade das lavouras de arroz. Cabe destacar aqui, que esses estresses também afetam outros estádios de desenvolvimento, principalmente o reprodutivo.
O desenvolvimento de novas variedades só é possível na presença de variabilidade genética para genes e alelos que controlam características de interesse agronômico, como a tolerância a estresses abióticos. Para suprir a demanda de alimentos nos países em desenvolvimento, tanto os agricultores quanto os programas de melhoramento têm dado preferência para a utilização de genótipos de arroz com alto rendimento. O uso intenso desses genótipos conseguiu atender a demanda de alimentos, porém resultou no estreitamento da variabilidade genética. Como consequência, observou-se que o progresso genético no melhoramento do arroz diminuiu de forma constante nas últimas décadas em vários países, e esse comportamento é atribuído à estreita base genética dos acessos usados nos cruzamentos (Busanello et al., 2020). A utilização de genótipos silvestres, cultivares obsoletas e tradicionais poderiam ser utilizadas em cruzamentos com genótipos elite para a ampliação da variabilidade genética. No entanto, nesse caso, ocorre a recombinação de caracteres desejáveis (provenientes de elites) e indesejáveis (provenientes de genótipos menos melhorados), sendo necessários muitos anos para a recuperação dos genótipos elite.
Dentre as alternativas para reduzir o estreitamento da variabilidade genética, mantendo a superioridade dos genótipos elite, está a indução de mutações por agentes químicos e físicos, que levam a ruptura no DNA criando novos alelos. A indução de mutações em arroz é vantajosa devido ao reduzido tamanho do genoma, o que permite a utilização de uma população pequena. Mutações aleatórias causadas por agentes físicos e químicos já vem sendo utilizadas para criar variabilidade genética em arroz (Viana et al., 2019).
Dentro desse contexto, essa proposta visa o desenvolvimento de genótipos de arroz mutantes tolerantes aos estresses ocasionados pela toxidez por excesso de Fe, baixas temperaturas e salinidade do solo nos estádios iniciais de desenvolvimento. Esses genótipos poderão ser lançados como novas cultivares (essencialmente derivadas) ou utilizados em programas de melhoramento como genitores em blocos de cruzamento. Nesse sentido, abaixo será apresentado o estado da arte dos estresses abióticos alvo, assim como, a utilização de mutações no melhoramento genético.

Metodologia

Experimento 1
Nesse estudo será utilizada a cultivar BRS Pampa, que apresenta alta demanda pelos agricultores devido à alta produtividade e alta qualidade de grãos, porém com sensibilidade a baixas temperaturas e salinidade, além de ser afetada pela toxidez por Fe, já que é apenas moderadamente tolerante a essa condição. Serão utilizadas 250g de sementes para indução de mutação através de radiação gama (Cobalto 60), na dose de 250Gy. Para o tratamento as sementes serão enviadas para o Centro de Energia Nuclear na Agricultura – CENA, da Universidade de São Paulo.
As sementes irradiadas serão semeadas no campo, semente por semente, para obtenção de plantas M1. Na colheita será selecionado três panículas de cada planta M1, e cinco sementes de cada panícula serão utilizadas para semeadura no campo visando a obtenção de plantas M2. Após a colheita de plantas M2, uma panícula de cada planta será selecionada, e cinco sementes de cada panícula serão semeadas no campo para obtenção de plantas M3. Esse processo será feito até obtenção de linhas homogêneas (M6). As sementes remanescentes, colhidas das plantas M2, serão utilizadas para obtenção de plântulas M3, que serão caracterizadas quanto a resposta a toxidez por Fe, baixas temperaturas e salinidade, em ensaios em laboratório.
Para os ensaios de caracterização quanto a resposta a estresses abióticos, as sementes remanescentes de cada planta M2 (que vão originar plântulas M3) serão divididas em cinco partes, sendo cada parte utilizada para um dos tratamentos (controle 1, controle 2, toxidez por Fe, salinidade e baixas temperaturas). Juntamente com as plântulas M3 serão utilizadas cultivares testemunhas. As cultivares Epagri 108 e BRS IRGA 409 serão utilizadas como testemunhas tolerante e sensível a toxidez por excesso de Fe, respectivamente, além da cultivar BRS Pampa, que é moderadamente tolerante a essa condição. As cultivares BRS Bojuru e BRS Pampa serão utilizadas como testemunhas tolerante e sensível a salinidade, respectivamente. Para a condição de baixas temperaturas, serão utilizadas as mesmas testemunhas da condição de salinidade, sendo BRS Bojuru tolerante e BRS Pampa sensível a baixas temperaturas.
Inicialmente as sementes de cada planta serão desinfestadas e germinadas em condições controladas (25ºC e fotoperíodo de 16h de luz), utilizando câmara de germinação e papel germitest, embebido com água 2,5x o peso do papel, durante 7 dias. Posteriormente, as plântulas M3 serão transferidas para recipientes com capacidade de 700mL, contendo solução hidropônica (Yoshida et al., 1976), com tela adaptada na parte superior para fixação das plântulas. As plântulas serão mantidas nessa condição durante três dias para adaptação. Posteriormente, as plântulas do tratamento controle 1 serão transferidas para uma nova solução hidropônica padrão. As plântulas do tratamento toxidez por excesso de Fe serão transferidas para solução hidropônica acrescida de 300mg L-1 de Fe (FeSO4⋅7H2O), concentração indicada para triagem de cultivares tolerantes (Elec et al., 2013), permanecendo nestas condições durante dez dias. As plântulas do tratamento salinidade serão transferidas para solução hidropônica acrescida de 40 mM de NaCl, concentração indicada para causar estresse no estádio de plântula (Khan et al., 1997), durante 10 dias. As plântulas serão mantidas em sala de crescimento (16h de luz e 25ºC).
A caracterização quanto a baixas temperaturas será feita durante a germinação. Para isso, as sementes serão desinfestadas, acondicionadas em papel germitest embebido com água 2,5x o peso do papel. Os rolos correspondentes ao controle 2 serão transferidos para câmara de crescimento a 25ºC, enquanto que os rolos correspondentes ao tratamento baixa temperatura serão transferidos para câmara de crescimento a 13ºC (Cruz et al., 2004). Será fornecido água quando necessário. Ambas câmaras serão mantidas com 16 h de luz, durante 14 dias.
Em todos os ensaios, para auxiliar no processo de seleção, serão mensurados comprimento de parte aérea e comprimento de raiz. Plântulas superiores, que apresentaram tolerância aos estresses, serão selecionadas e transplantadas em vasos para obtenção de plantas M4.

Experimento 2
O grupo de pesquisa dispõe de três coleções de linhas mutantes de arroz. Duas coleções, proveniente da irradiação da cultivar BRS Pampeira, utilizando as doses de radiação gama 250 e 300 Gy. Plantas M4 foram colhidas em 2021. As sementes obtidas serão utilizadas para obtenção de plântulas M5, que serão caraterizadas quanto a tolerância a toxidez por Fe, salinidade e baixas temperaturas.
Outra coleção é proveniente da cultivar BRS Querência, que foi submetida a indução de mutação utilizando o agente químico etil metano sulfonato (EMS) a 1.5% (v/v) (0.15 M). Essa coleção está na geração M7. As sementes foram multiplicadas na safra 2020/2021. Após multiplicação, plântulas das linhas mutantes serão caracterizadas quanto a salinidade. A caracterização para baixas temperaturas e toxidez por excesso de ferro já foi feita.
As condições experimentais (salinidade) e forma de seleção serão as mesmas utilizadas no experimento 1.

Indicadores, Metas e Resultados

Com a execução dessa proposta espera-se obter genótipos de arroz com tolerância a toxidez por Fe ou salinidade nos estádios de plântula, ou tolerância a baixas temperaturas durante a germinação. Após avanços de geração, esses genótipos poderão ser utilizados em blocos de cruzamento com genótipos elite para transferência das características ou ser lançados como novas cultivares (essencialmente derivadas).
Ainda, espera-se um aumento da variabilidade genética dentro da espécie, que pode ser explorada para outras características, como tolerância aos estresses alvo em outros estádios, tolerância a outros estresses, produtividade e conteúdo mineral no grão.
A coleção de genótipos desenvolvida também poderá ser utilizada em estudos moleculares, visando a identificação de genes associados com caracteres de interesse agronômico, assim como, a elucidação dos mecanismos envolvidos na formação desses caracteres.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
ANTONIO COSTA DE OLIVEIRA1
ANTONIO DE AZEVEDO PERLEBERG
CAMILA PEGORARO2
EDUARDO VENSKE
JULIA PRESTES CARDOSO
LATÓIA EDUARDA MALTZAHN
LUCIANO CARLOS DA MAIA1
LUIS HERMINIO CHAIREZ TEJEDA
RAYMOND JOSEPH
VICTORIA FREITAS DE OLIVEIRA
VIVIANE KOPP DA LUZ

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