Os desafios do melhoramento genético da cana-de-açúcar

Por Michael Keith Butterfield, geneticista e gerente de melhoramento genético do CTC.

De todas as principais culturas plantadas, a cana-de-açúcar tem, sem dúvida, o genoma mais complexo, o que traz desafios especiais para o melhoramento genético. Além do genoma complexo, a cana-de-açúcar também é propagada vegetativamente e não por sementes, o que traz mais restrições ao processo de melhoramento. Por causa desses fatores, algumas das ferramentas e métodos mais empregados no melhoramento genético de culturas como milho, arroz e soja não podem ser usadas, e soluções criativas devem ser encontradas para serem aplicadas no melhoramento genético da cana-de-açúcar. Este artigo explora alguns dos desafios e oportunidades no desenvolvimento de novas variedades de cana-de-açúcar com maior produtividade e resistência a estresses bióticos e abióticos.

A genoma de cana-de-açúcar

As variedades modernas de cana-de-açúcar são híbridas entre duas espécies ancestrais, Saccharum officinarum e Saccharum spontaneum. Ambas as espécies são poliploides, tendo múltiplas cópias de cada cromossomo, mas possuem diferentes números básicos de cromossomos: S. officinarum tem 10, enquanto S. spontaneum tem 8. O S. officinarum é um octaplóide, tendo 8 cópias de cada um dos 10 cromossomos. S. spontaneum tem várias formas de ploidia, mas as formas mais comuns que aparecem nos pedigrees da cana-de-açúcar modernos têm 64 cromossomos (octópodes, com 8 cópias dos 8 cromossomos) ou 112 cromossomos (14 cópias dos 8 cromossomos). Por causa da diferença no número básico de cromossomos, após a primeira hibridização interespecífica, o pareamento entre os cromossomos das duas espécies será desigual no híbrido, levando a anormalidades no pareamento cromossômico e subsequente perda de alguns cromossomos. Os cultivares modernos têm complexos genomas poliploides, híbridos e aneuplóides com 100-130 cromossomos, dos quais 10% a 20% são de origem S. spontaneum e o restante de S. officinarum. Em contraste, o genoma do milho tem 20 cromossomos, com 2 cópias dos 10 cromossomos de número básico, e o arroz tem 24 cromossomos com 2 cópias dos 12 cromossomos de número básico.

O alto nível de ploidia (múltiplos cromossomos), aneuploidia (o fato de diferentes variedades terem diferentes números de cromossomos), a natureza híbrida (cromossomos derivados de diferentes espécies) e alguns outros fatores da biologia têm ampla consequência para o melhoramento genético de cana-de-açúcar, impactando desde o cruzamento de pais selecionados até o arcabouço teórico das estratégias de melhoramento e seleção.

Cruzamentos

O melhoramento genético começa com a criação de novas combinações genéticas por meio da polinização cruzada de pais selecionados. A cana-de-açúcar requer condições específicas de fotoperíodo para florescer, e de temperatura para produzir sementes férteis. Se as temperaturas durante a estação de florescimento caírem abaixo de 20oC, o pólen se torna infértil e os cruzamentos não podem ser feitos. No Brasil, isso restringe aos cruzamentos da cana-de-açúcar à região costeira do Nordeste, de Bahia a Pernambuco.

A flor da cana-de-açúcar é uma panícula típica de gramínea, com partes masculinas e femininas na mesma flor. Muitas variedades, no entanto, possivelmente como resultado da aneuploidia, são macho-estéreis e não produzem pólen fértil. O resultado prático disso é que os cruzamentos entre variedades macho-estéreis não são possíveis, o que limita as combinações possíveis para cruzamentos com esses indivíduos.

O período de florescimento também é controlado geneticamente. No Nordeste do Brasil, a cana-de-açúcar normalmente floresce por um período de 10 semanas, do final de abril ao final de junho. Dentro deste período, cada variedade terá uma janela específica de florescimento de 2 a 3 semanas; ou seja, alguns genótipos sempre florescerão no início de maio, outros sempre no final de junho. O pólen da cana é altamente sensível: é viável por apenas 30 minutos e não pode ser armazenado em condições controladas. Portanto, os cruzamentos só podem ser feitos entre os pais que florescem na mesma janela de tempo. Algumas práticas de manejo, como interromper a noite com tratamentos de luz ou controlar o fotoperíodo usando grandes câmaras de crescimento, podem ser usadas para alterar a janela de florescimento, mas nem sempre é possível sincronizar o florescimento entre todos os pais selecionados.

Na estação de cruzamentos do CTC em Camamu, Bahia, temos investido muito no desenvolvimento de formas de manejo do germoplasma para garantir o florescimento sincronizado dos genitores em cruzamentos desejáveis. O resultado disso é que, na maioria dos anos, somos capazes de fazer mais de 90% das melhores combinações de cruzamentos, planejadas entre pais selecionados, aumentando a chance de ter progênie superior dentro da população dos novos clones para seleção.

Efeitos genéticos aditivos e não-aditivos

A teoria genética é usada para projetar estratégias de melhoramento e melhorar a eficiência do desenvolvimento de novas variedades. Um conceito muito básico, mas importante, diz respeito ao quanto que o fenótipo da progênie pode ser previsto a partir do fenótipo dos pais. O fenótipo de um indivíduo é composto de efeitos genéticos e ambientais, e os efeitos genéticos podem ser divididos em efeitos aditivos e não-aditivos. Se os efeitos genéticos são principalmente aditivos, o fenótipo pode ser facilmente previsto. Por exemplo, se a altura de planta for controlada por efeitos genéticos aditivos, a progênie de um cruzamento entre dois pais terá altura igual à média destes pais. A progênie de um cruzamento entre dois pais altos será então mais alta do que a progênie de um cruzamento entre dois pais baixos. Se os efeitos genéticos não são aditivos, significa que o fenótipo é controlado por interações gênicas que não podem ser previstas. Se a altura da planta for de natureza não aditiva, um cruzamento entre dois pais altos pode resultar em uma progênie baixa, ou um cruzamento entre pais baixos pode resultar em uma progênie alta. Conhecer a proporção relativa dos efeitos genéticos aditivos e não-aditivos é, portanto, muito importante na concepção de estratégias de melhoramento.

O complexo genoma da cana-de-açúcar, com múltiplos cromossomos, cromossomos de espécies diferentes e número variável de cromossomos em cada variedade, significa que os efeitos genéticos não-aditivos são grandes. Para as características mais importantes, como produtividade de cana, produção de açúcar e resistência a doenças, a porção aditiva dos efeitos genéticos é da ordem de 30% – 40%. Na prática, significa que é difícil prever o desempenho da progênie a partir do desempenho de seus pais. Isso reduz a eficiência do processo de melhoramento genético, no sentido de que muitos cruzamentos são necessários para capturar interações genéticas não aditivas imprevisíveis, que podem resultar em fenótipos desejáveis, e um grande número de progênie por cruzamento precisa ser testado.

Obter um bom equilíbrio entre número de cruzamentos e número de progênie por cruzamento para entrar na seleção de campo é uma questão importante para a eficiência dos programas de melhoramento. Se o número de cruzamentos e progênies for muito grande, a logística da seleção de campo torna-se complexa e a eficiência da seleção de clones diminui, enquanto os custos aumentam. Se a população de cruzamentos e mudas for muito pequena, a probabilidade de haver clones melhores do que as melhores variedades comerciais da população diminui. No programa de melhoramento do CTC, desenvolvemos algoritmos de simulação estatística baseados na teoria de genética de populações, que nos permite modelar in sílico diferentes configurações do programa de melhoramento, para projetar o programa de melhoramento com uma probabilidade ótima de sucesso no desenvolvimento de novos clones superiores às variedades comerciais atuais.

Endogamia e introgressão

O desenvolvimento de linhagens endogâmicas para fixar genes desejáveis e a produção de sementes comerciais a partir do cruzamento de duas linhagens têm sido fundamentais para o sucesso no melhoramento genético do milho. Em culturas diploides, as linhagens endogâmicas podem ser criadas realizando sete gerações de autopolinização, em três ou quatro anos, ou com tecnologia mais recente, por meio de linhagens duplo-haploides, em um ano. Em poliploides, no entanto, as linhagens endogâmicas demoram muito mais para serem desenvolvidas, dependendo do nível de polida. Para octópodes, seriam necessárias mais de 60 gerações de autopolinização para criar uma linhagem endogâmica – um longo período que torna isso impraticável. Na cana-de-açúcar, embora tenham sido feitas tentativas de criar linhagens por meio da endogamia, os clones se tornam estéreis após 3 ou 4 gerações de autofecundação. Por essas razões, o desenvolvimento e a utilização de linhagens não é uma ferramenta disponível no melhoramento da cana-de-açúcar.

Uma situação semelhante existe para a introgressão de genes específicos e para marcadores moleculares ligados a características desejáveis (loci associados a características quantitativas, ou QTL). Em culturas diploides, a introgressão em linhagens de genes para resistência a doenças de espécies selvagens ou de germoplasma não comercial é uma maneira eficiente de trazer novas variantes genéticas desejáveis para o germoplasma comercial. Por retrocruzamento do germoplasma doador original, utilizando repetidamente uma linhagem elite, o gene desejável ou QTL pode ser introduzido no germoplasma elite, e o resto do genoma da linhagem doadora não adaptado é, assim, eliminado. Em poliploides como a cana-de-açúcar, é muito grande o número de gerações de retrocruzamento com germoplasma de elite necessário para eliminar o genoma do doador, inviabilizando ser usado na prática e, portanto, métodos alternativos de melhoramento são necessários.

Seleção genômica

Na ausência de ferramentas como linhagens endogâmicas para fixar genes desejáveis e retrocruzamento de QTLs em germoplasma elite, o melhoramento da cana-de-açúcar precisa usar estratégias alternativas. A Seleção Genômica (GS) é um método relativamente novo que estende o uso de marcadores moleculares, de tal modo que, no lugar da identificação de QTLs individuais associados a uma característica, emprega-se milhares de marcadores distribuídos por todo o genoma para a predição de fenótipos complexos, como produtividade de sacarose e produtividade de cana. A seleção genômica foi desenvolvida para o melhoramento animal pois, em animais, como em cana-de-açúcar, as ferramentas de desenvolvimento de linhagens endogâmicas e introgressão por retrocruzamento também não são aplicáveis. Tem sido utilizada com sucesso há vários anos para o melhoramento genético de diferentes espécies pecuárias, e agora está sendo cada vez mais aplicada ao melhoramento de plantas.

O grande e complexo genoma da cana-de-açúcar tem algumas implicações na logística do uso da seleção genômica, mas a metodologia é a mesma usada em culturas mais simples, como o milho. O pequeno genoma do milho, com apenas 20 cromossomos, significa que o número de marcadores moleculares, ou regiões genômicas, necessários para uma boa predição do fenótipo pode ser relativamente baixo – na ordem de 1.000 a 2.000. O grande genoma da cana-de-açúcar, com mais de 100 cromossomos, significa que mais marcadores – da ordem de 10.000 a 20.000 – são necessários. Isso torna a genotipagem mais cara, porém, com exceção disso, a aplicação dos dados de marcadores para predição de fenótipos é realizada usando métodos bem estabelecidos.

O CTC iniciou estudos para desenvolver GS para cana-de-açúcar em 2011, intensificando esforços e investimentos nos últimos 5 anos. Agora temos uma plataforma de genotipagem estabelecida capaz de analisar rotineiramente 20.000 marcadores moleculares em todo o genoma.

Palavras finais

O genoma grande (mais de 100 cromossomos), híbrido e aneuplóide da cana-de-açúcar apresenta alguns desafios específicos para o melhoramento genético da cana-de-açúcar, em comparação com muitas outras culturas. O primeiro passo para desenvolver um programa de melhoramento eficaz é entender esses desafios não como obstáculos, mas desenvolver estratégias e ferramentas para superá-los. O gerenciamento de germoplasma para superar barreiras para cruzamentos, a simulação in silico para projetar estratégias ótimas e o uso de novas tecnologias de genotipagem são ferramentas importantes para atender às demandas da indústria na produção de uma nova geração de variedades comerciais de alto rendimento.