Diversidade genética para tolerância ao alumínio em sorgo

Abstract

A toxidez causada pelo alumínio (Al) é um dos fatores que mais restringem o crescimento e o desenvolvimento das culturas em solos ácidos. Assim sendo, o entendimento acerca do controle genético que governa essa característica, bem como do nível de diversidade presente no germoplasma utilizado, são informações valiosas para programas de melhoramento que visam ao desenvolvimento de cultivares tolerantes a esse estresse abiótico. Marcadores moleculares fortemente ligados a Alt SB - um gene de efeito maior de tolerância ao Al previamente identificado em sorgo - em combinação com uma análise filogenética baseada em marcadores microssatélites, foram utilizados para abordar essa importante questão em um conjunto amplo de acessos de sorgo. Dessa maneira, o presente trabalho teve como objetivos estudar o controle genético da tolerância ao Al em 12 acessos de sorgo de origem diversa, identificar novas fontes de tolerância ao Al em sorgo que contenham genes distintos do gene de efeito maior Alt SB previamente identificado na linhagem padrão de tolerância SC283, e estudar as relações filogenéticas em um grupo expandido de acessos. O padrão de segregação para tolerância ao Al nas progênies derivadas dos cruzamentos entre a linhagem sensível BR012R e as demais linhagens tolerantes sugeriu um modelo de herança complexa ou herança influenciada por gene(s) de efeito(s) maior(es) para a característica. Variação alélica no loco Alt SB pode ter sido responsável por ao menos parte da tolerância na maioria das linhagens avaliadas. Notáveis exceções a esse padrão foram as linhagens 5DX-61-6-2 e SC112-14, que assim representam novas fontes de tolerância ao Al em relação àquelas que dependem do gene Alt SB para suportar níveis tóxicos do metal. Variação alélica no loco Alt SB responde também pela tolerância residual de BR012R, ainda que outros genes de efeito menor tenham contribuído para a herança complexa observada em alguns cruzamentos com essa linhagem. No estudo filogenético conduzido em um painel de 44 linhagens de sorgo, foi observada variabilidade fenotípica extensa para tolerância a {25} μM Al em solução nutritiva. Quando linhagens altamente tolerantes a {25} μM Al foram avaliadas a {37} μM Al, foram observados os mais altos níveis de tolerância nas linhagens SC283, CMSXS226R, SC566-14 e CMSXS227R, sendo que as linhagens SC566-14 e CMSXS227R mostraram níveis razoáveis de tolerância mesmo a {58} μM Al. Os dados de tolerância a {58} μM Al sugeriram a possível presença de um alelo no loco Alt SB que confere níveis de tolerância superiores ao de SC566-14 em comparação com o alelo presente em SC283. Os 15 locos SSR utilizados foram eficientes em detectar ampla diversidade genética entre os genótipos de sorgo, bem como as relações conhecidas de pedigree entre as linhagens. A análise de agrupamento evidenciou seis grupos coerentes com as informações disponíveis de pedigree e de origem geográfica. Linhagens cuja tolerância ao Al são ao menos em parte devida ao gene Alt SB mostraram-se bastante diversas, abrangendo três grupos observados na análise filogenética. Esses resultados demonstram a impossibilidade de se predizer a presença de alelos desse gene com base somente em medidas globais de diversidade genética.

Aluminum (Al) toxicity is one of the major factors impairing crop development and yield in acidic soils. Thus, understanding the genetic basis of this trait as well as the range of diversity for Al tolerance control in extant germplasm are invaluable to breeding programs aimed at developing sorghum cultivars with enhanced Al tolerance. Molecular markers tightly linked to Alt SB - a known major Al tolerance gene in sorghum - in combination with an SSR-based phylogenetic analysis, were used here to approach this important issue in a wide sorghum panel. Thus, the goals of this study were to investigate the Al tolerance genetic control in 12 sorghum accessions of diverse origins, identify new sources of Al tolerance in sorghum that harbor Al tolerance genes distinct to the major gene Alt SB , previously identified in the standard SC283, and establish the phylogenetic relationships of an expanded sorghum set to study patterns underlying the origin of highly Al tolerant sorghums. When progeny of individual crosses involving different Al tolerant lines and the common sensitive parent BR012R were subject to Al in nutrient solution, Al tolerance segregated either as a quantitative trait or the inheritance was influenced by major tolerance gene(s). However, allelic variation at the Alt SB locus may have been responsible for at least part of the variation in the majority of the sorghum lines but on 5DX-61-6-2 and SC112-14, which, by this reason, represent new sources of Al tolerance genes in sorghum. Allelic variation at Alt SB contributed also to some of the xresidual tolerance expressed by the sensitive line BR012R, but other Al tolerance genes with apparently minor effects in BR012R should be involved in the complex inheritance for Al tolerance observed in some BR012R crosses. In the phyologenetic study performed on an expanded panel of 44 sorghum lines, extensive phenotypic variation for Al tolerance was observed at {25} μM Al. When a subset comprising the most Al tolerant lines at {25} μM Al was assessed at {37} μM Al, the most Al tolerant lines were SC283, CMSXS226R, SC566-14 e CMSXS227R, and the lines SC566-14 and CMSXS227R remained tolerant even at {58} μM Al. In addition, results at {58} μM Al suggested the presence of a stronger Alt SB allele in SC566 when compared to that present in SC283. The 15- SSR set was efficient in detecting broad genetic diversity as well as the known pedigree relationships among sorghum lines. UPGMA analysis uncovered six groupings and nested minor sub-groupings that were consistent with both pedigree information and geographic origins. Some lines relying on Alt SB for their tolerance turned out to be highly diverse, comprising all 3 major groupings that were proposed based on phylogeny. These results explain the difficulties to predict the presence of Alt SB alleles based solely on global estimates of genetic diversity.