Estudo genético dos mecanismos para eficiência no uso de fósforo em linhagens endogâmicas recombinantes de sorgo

Abstract

Devido à crescente expansão do cultivo de sorgo em solos intemperizados do Cerrado brasileiro, novos estudos vêm sendo desenvolvidos visando à diminuição nos custos de sua produção com aumento da produtividade. Características como baixa disponibilidade e alta fixação de fósforo (P), níveis tóxicos de alumínio nas camadas superficiais e inferiores, baixa fertilidade e baixo pH, são fatores limitantes para o cultivo nos solos desse bioma. Técnicas como calagem, para correção da acidez, ou adubação fosfatada, para aumentar a disponibilidade de fósforo, são muito empregadas na agricultura atual. No entanto, a calagem é economicamente viável somente em camadas superficiais do solo, não sendo efetiva para neutralizar a acidez em camadas mais profundas. Já grande parte do fósforo aplicado na forma de adubo não é absorvida pela planta, devido à rápida conversão do fósforo aplicado de disponível para não disponível. Nesse contexto, o presente trabalho buscou empregar técnicas de melhoramento vegetal, estatística e biologia molecular, parar elucidar o papel exercido por alterações na morfologia do sistema radicular na produção de grãos de sorgo sob baixa disponibilidade de P. Para essa finalidade, este estudo buscou: i) estimar a associação entre caracteres do sistema radicular de plântulas crescidas em solução nutritiva com estresse de fósforo com a eficiência de aquisição e utilização de P em linhagens endogâmicas recombinantes (Recombinant Inbred Lines, RILs), uma vez que o fósforo é um nutriente imóvel no solo, tendo a planta que desenvolver mecanismos que possibilitem explorar o solo na tentativa de encontrar pools de fósforo disponível, como alterações no sistema radicular; ii) identificar QTLs (Quantitative trait locus) para eficiência no uso de fósforo, utilizando um grupo de 396 RILs oriundas do cruzamento entre as linhagens BR007B (não eficiente, responsiva a adição de P e sensível ao alumínio tóxico) e SC283 (eficiente, não responsiva a adição de P e tolerante ao alumínio tóxico). Para tanto, as 396 RILs foram genotipadas por meio da técnica de genotipagem por sequenciamento (Genotyping-by-Sequencing – GBS) e caracterizadas quanto à morfologia do sistema radicular, em solução nutritiva com estresse de fósforo, e foram fenotipadas quanto à eficiência na aquisição e utilização de P em área experimental com baixa disponibilidade de P, na Embrapa Milho e Sorgo. As análises fenotípicas dos experimentos, realizadas com base em modelos mistos, revelaram a existênciaviii de variabilidade genética para todas as características avaliadas, tanto aquelas relacionadas à eficiência na aquisição, utilização e uso de P, bem como para morfologia do sistema radicular. Além disso, verificou-se a existência de correlação entre as características avaliadas em condições de campo e em solução nutritiva. Para o mapeamento de QTLs associados à eficiência no uso de P, e consequentemente, na produção de grãos, foi utilizado o método de mapeamento por múltiplos locos, o qual permitiu a identificação de um total de 57 QTLs para 20 características avaliadas em ensaios de campo e solução nutritiva. Ressalta-se que, apesar da pequena diferença, houve uma maior contribuição de alelos pelo genitor SC283 o qual apresentou maiores médias para produção de grãos, conteúdo de fósforo na planta, conteúdo de fósforo no grão, conteúdo de fósforo total, índice de colheita de fósforo, eficiência de aquisição, eficiência de utilização, eficiência de uso, diâmetro médio, área de superfície 2, massa seca da parte aérea, massa seca total e conteúdo de fósforo da parte aérea, quando comparado ao BR007B. Além disso, não foram encontrados QTLs co-localizados para produção de grãos e morfologia radicular, no entanto houve indícios de que há uma associação entre essas características, uma vez que foram mapeados QTLs para eficiência de aquisição e conteúdo de fósforo na raiz, características essas que, indiretamente, influenciam na produção de grãos e na morfologia do sistema radicular. Ressalta-se que, apesar de não significativos, foram detectados picos na região de homólogos do gene PSTOL1 no cromossomo 7 do sorgo, gene identificado em arroz que possibilita tolerância ao estresse de fósforo por meio de um maior crescimento das raízes iniciais e que, consequentemente, influencia na produção de grãos em condições de baixa disponibilidade do nutriente em questão.

Due to the increasing expansion of sorghum cultivation in highly weathered soils of the Brazilian Cerrado, studies have been conducted with the objective to reduce sorghum production costs as well as increase productivity. Features like low P availability and high P fixation, toxic levels of aluminum in the topsoil and subsoil, low fertility and low pH, are limiting factors for growing crops in soils of this biome. Techniques such as liming, for soil acidity correction, or phosphorus fertilization to increase phosphorus availability, are widely adopted in current crop production systems. However, in general, these practices are only economically viable in the surface layer (20-30 cm) of the soil, and not generally effective to neutralize the acidity in deeper layers (30-60 cm) of the soil. A large portion of the phosphorus applied as fertilizer is not absorbed by the plant due to the rapid conversion or fixing of labile phosphorus to non-labile. In this context, the present study sought to employ plant breeding techniques, modern experimental designs and statistics and molecular biology to elucidate the role played by changes in the morphology of the root system in the production of grain sorghum under low availability of P. The objective of this research was: i) estimate the association between characters of the root system seedling in nutrition solution system with low availability of P with the efficiency of acquisition and utilization of P in recombinant inbred lines (RILs), as phosphorus is an immobile nutrient in the soil, the plant has developed root system alterations allowing for greater exploration of the soil in an attempt to find available phosphorus pools; ii) identify QTLs (Quantitative trait locus) for phosphorus use efficiency using a group of 396 RILs derived from the cross between BR007B (low efficiency in low P soils, very responsive to the addition of P and sensitive to aluminum toxicity) and SC283 (efficient in low P soils, non-responsive to the addition of P and tolerant to aluminum toxicity). The 396 RILs were genotyped using genotyping by sequencing (GBS) and phenotyped for root system morphology in nutrient solution with P stress and in field conditions with low availability P at Embrapa Maize and Sorghum. Statistical analysis of the experiments using a mixed model revealed the existence of genetic variability for all phenotypic traits, including those related to efficiency of P acquisition, P use as well as morphology of the root system. In addition, there was a correlation between the characteristicsx evaluated in field conditions and in nutrient solution. The mapping method using multiple loci, allowed for the identification of a total of 57 QTLs for 20 traits evaluated in field trials and in nutrient solution. It is noteworthy that despite the small difference, there was a greater contribution of alleles by the SC283 parent which had higher averages for grain yield, plant P content, grain P content, total P content, P harvest index, P acquisition efficiency, P utilization efficiency, P use efficiency, average diameter, surface area 2, shoot dry weight, total dry weight and shoot P content, when compared to BR007B. In addition, there are no co-located QTLs for grain yield and root morphology. However, there was evidence of an association between these characteristics, as QTLs for P acquisition efficiency and root P content, characteristics that indirectly influence grain production and morphology of the root system. It is noteworthy that, although not significant, peaks were detected in regions close to the homologues of PSTOL1 gene on chromosome 7 of sorghum, identified gene in rice that confers tolerance to phosphorus stress by further growth of the initial roots and consequently influences grain yield under low nutrient availability in question.