Diversidade genética e distribuição geográfica: uma abordagem para a conservação on farm e ex situ e o uso sustentável dos recursos genéticos de milho do Oeste de Santa Catarina

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Agrárias. Programa de Pós-Graduação em Recursos Genéticos Vegetais.As variedades crioulas de milho apresentam grande importância econômica, social e cultural para os agricultores do Oeste de Santa Catarina. Em 2008, a Comissão Técnica Nacional de Biossegurança (CTNBio) aprovou a liberação comercial de milho transgênico no Brasil e estabeleceu 100 metros como norma de distância mínima entre lavouras de milho geneticamente modificado (GM) e milho não-GM. Conhecer o estado da diversidade desses recursos genéticos e sua possível contaminação com milho GM é fundamental para estabelecer estratégias de conservação in situ-on farm. O objetivo dessa pesquisa foi fornecer subsídios para a elaboração de estratégias de conservação e uso sustentável de variedades crioulas de Zea mays L. (comum, doce e pipoca) para o município de Anchieta, SC. O estudo foi desenvolvido mediante a realização de um Censo da Diversidade, conduzido em 876 estabelecimentos agrícolas desse município, distribuídos em 30 comunidades rurais, durante os meses de julho a dezembro de 2011. Foram realizadas entrevistas estruturadas, baseadas em grupos de perguntas organizadas em um único questionário. As análises espaciais foram realizadas utilizando o Sistema de Informação Geográfica (SIG) DIVA-GIS 7.5.0 e as análises de distâncias entre os bordos dos campos de milho foram realizadas por meio do software ArcGis. O Censo da Diversidade aliado às ferramentas de análise de SIG constituiu em uma metodologia inovadora no que diz respeito à identificação de populações de milho crioulo para diversos fins. Foram identificados 2.308 campos de milho, dos quais 309 são cultivares de milho GM, 743 são cultivares de milho NGM, 116 são cultivares melhoradas de milho-pipoca (PC), 207 são variedades crioulas de milho comum (MCL), 451 são variedades crioulas de milho-pipoca (MPL) e 21 são variedades crioulas de milho adocicado (MDL). Foram identificados 40, 35 e 9 nomes locais e, 16, 42 e 6 grupos morfológicos distintos para MCL, MPL e MDL, respectivamente. Foram observados 46 e 29 citações de valores de uso, adaptativos e agronômicos para MCL/MDL e MPL, respectivamente. Para MCL, o Índice de Shannon (H?) calculado para cor, tipo de grão e grupo morfológico foi de 1,21, 0,89 e 2,06, respectivamente e, para MDL, de 1,10, 0,52 e 1,28 para cor, tipo de grão e grupo morfológico, respectivamente. Para MPL, os valores de H?, calculados com base na cor, tamanho, formato do grão e grupo morfológico, foram de 1,37, 0,99, 0,85 e 2,99, respectivamente. A análise de agrupamento (Cluster Analysis) identificou a formação de 6 grupos de MCL, e 6 grupos de MPL, conforme as variáveis analisadas. O número de variedades crioulas, a riqueza de nomes locais, grupos morfológicos, valores de uso, adaptativos e agronômicos, a diversidade avaliada por meio dos valores de H? e a identificação de parentes silvestres de milho caracterizam a região como um relevante centro de cultivo e diversidade de milho, que deve ser preservado. A análise espacial da diversidade de grupos morfológicos indicou focos de diversidade no Oeste, Sudoeste, Noroeste e Centro do município para MCL e, Nordeste, Sudeste, Noroeste, Sudoeste e Centro para MPL. Essas regiões são indicadas como regiões relevantes para inclusão em estratégias de conservação in situ-on farm e coleta de germoplasma para atender programas de melhoramento participativo, produção orgânica e conservação ex situ. Entretanto, os resultados apontaram que 1.426,56 ha são cultivados por milho NGM, 819,13 ha por GM, 197,41 ha por MCL, 3,70 ha por MPL e 5,01 ha por MDL.Os contrastes quanto as proporções de áreas cultivadas por milho GM implicam em maiores riscos de contaminação por meio de fluxo gênico, uma vez que a quantidade de pólen está diretamente relacionado ao tamanho da área de cultivo, bem como ao número de plantas no campo. A análise de distâncias entre os bordos dos campos cultivados com GM em relação aos campos cultivados com milho NGM, MDL, MPL e MCL demonstrou que a classe 0 - 100 m apresentou o maior percentual relativo às lavouras do município, representando 46,03%, 47,62%, 37,92% e 33,82% das condições de cultivo, respectivamente; até 500 metros de distância, foram observados 77,25%, 73,46%, 72,46% e 71,43% de milhos NGM, MPL, MCL e MDL, nessa ordem. Pesquisas tem demonstrado que o pólen de milho pode percorrer distâncias superiores a 100 m de distância. Portanto, o risco de polinização cruzada, entre os campos de milho cultivados, é presente nesta região. Esta pesquisa sugere a inviabilidade de coexistência entre os sistemas de produção de milho GM, NGM e as variedades crioulas, no município de Anchieta, região que abriga grande diversidade de variedades crioulas de milho. Foram identificadas 351 áreas (campos) livres de cultivos GM, localizadas a 500 metros de distância dos campos de milho GM. Estas áreas estão sendo prioritariamente indicadas para inclusão em estratégias de conservação in situ-on farm e coleta de germoplasma para atender programas de melhoramento participativo, produção orgânica e conservação ex situ.<br

Genes, Genética e Determinismo: O Caso dos Transgênicos na Agricultura

Biotech proponents argue that transgenics crops are safer and developed under a more precise way than their conventional counterparts. This because modern biotechnology allows genes of interest to be “cut” from donors organisms and “pasted” in the recipient crop plants. Hence, from the epistemological point of view, it seems to be opportune to seek further understanding of what these terms borrowed from informatics actually mean and their capacity to unravel the nature of these new plants. Also, its potential implications to health and environment must be deepened. With this aim, the ideas of genes and its functions are briefly historicized, exploring both its biosafety implications and results after 20 years of commercial use of these plants. It is concluded that biotech industry upholds old fashioned concepts of genes and on it depends to justify biotechnological patents and lowered levels of regulations and risk assessments.Muito se argumenta que as culturas transgênicas são mais seguras e desenvolvidas de forma mais precisa que as demais sementes cultivadas. Isso porque as técnicas de biotecnologia moderna permitem que apenas genes de interesse sejam “recortados” dos organismos doadores e “colados” nas plantas receptoras. Sendo assim, a partir do ponto de vista epistemológico, buscar-se entender esses jargões emprestados da informática e sua capacidade de desvelar a dinâmica desses novos organismos e suas potenciais implicações para a saúde e o meio ambiente. Para tanto faz-se um breve histórico da evolução das ideias sobre os genes e suas funções, explorando suas implicações do ponto de vista da biossegurança e os resultados obtidos após 20 anos de uso comercial dessas plantas. Conclui-se que a indústria de sementes sustenta conceitos ultrapassados sobre genes e disso depende para justificar patentes biotecnológicas e níveis simplificados de regulação e de avaliações de risco

Pré‑melhoramento de milho quanto à resistência a enfezamentos

The objective of this work was to select maize families derived from backcrossing between the composite NAP Corn Stunt (donor parent) and inbreed lines (recurrent parents), as to grain yield and resistance to corn stunt, and to evaluate the efficiency of the use of molecular markers in the phenotypic evaluation for the selection of genotypes with high grain yield. One hundred genotypes were evaluated in five environmental conditions in the 2009/2010 crop season. We selected RC1F2 families, which combine high grain yield present in the recurrent parents to resistance to corn stunt present in the donor parent. The selected maize families for agronomic performance and resistance to corn stunt were: L228‑3‑324‑S, L228‑3‑237‑R, L228‑3‑109‑R, which were indicated for crosses with lines of the flint heterotic group; and L3‑422‑R and L3‑586‑R, which were indicated for crosses with lines of the dent heterotic group. For selecting genotypes with high grain yield, the molecular marker‑assisted selection is not efficient for the recovery of the recurrent parent genotype, when compared to the phenotypic evaluation.O objetivo deste trabalho foi selecionar famílias de milho derivadas do retrocruzamento entre o composto "NAP Corn Stunt" (genitor doador) e linhagens‑elite (genitores recorrentes), quanto à produtividade de grãos e à resistência a enfezamentos, e avaliar a eficiência do emprego de marcadores moleculares para avaliação fenotípica na seleção de genótipos com alta produtividade de grãos. Foram avaliados 100 genótipos, em cinco condições ambientais, na safra agrícola 2009/2010. Foram selecionadas famílias RC1F2, que aliam a alta produtividade dos genitores recorrentes à resistência aos enfezamentos, presente no genitor doador. As famílias selecionadas quanto ao desempenho agronômico e à resistência aos enfezamentos foram: L228‑3‑324‑S, L228‑3‑237‑R, L228‑3‑109‑R, que foram indicadas para cruzamentos com linhagens do grupo heterótico duro; e L3‑422‑R e L3‑586‑R, que foram indicadas para cruzamentos com linhagens do grupo heterótico dentado. Na seleção de genótipos de alta produtividade de grãos, a seleção assistida por marcadores moleculares não é eficiente para a recuperação do genótipo do pai recorrente, em comparação à avaliação fenotípica

Dispersion patterns and conservation of maize (Zea mays spp. mays) genetic diversity in the lowlands of South America

O conhecimento sobre a diversidade e estrutura genética de populações cultivadas é fundamental para entender a história evolutiva destas populações ao longo do processo de domesticação e dispersão. O milho (Zea mays ssp. mays) é uma espécie cultivada que apresenta grande variabilidade genética. A dispersão do milho para diferentes regiões permitiu o surgimento de centros de diversificação da espécie. A região das terras baixas da América do Sul é considerada centro secundário de diversidade do milho e evidências científicas sugerem que a espécie se dispersou do México e chegou nesta região em estado parcial de domesticação. O objetivo desta pesquisa foi estudar a diversidade genética e os padrões de dispersão do milho nas terras baixas da América do Sul, por meio de dados de genômica populacional, fenotípicos, etnobotânicos e registros históricos, os quais permitiram ampliar o conhecimento sobre a história do germoplasma da região. Estas informações poderão ser úteis para orientar futuras prospecções, esforços de conservação e valoração dos recursos genéticos do milho. Esta tese foi estruturada em diferentes capítulos. O primeiro estudo apresentou uma revisão bibliográfica sobre a origem, domesticação e dispersão do milho nas Américas. O segundo estudo discutiu as hipóteses de dispersão do milho nas terras baixas da América do Sul. Foram caracterizados 184 acessos de milho do Brasil e Uruguai por meio de 5.313 marcadores moleculares de polimorfismo de nucleotídeo único (SNPs), obtidos pela técnica de Diversity Arrays Technology (DArTseq). Os acessos também foram caracterizados quanto ao tipo de endosperma e associados às famílias linguísticas indígenas relacionadas às respectivas regiões de origem. Os grupos obtidos pela Análise Discriminante de Componentes Principais (DAPC) se estruturaram, principalmente, pela predominância de tipos de endosperma específicos. A análise de agrupamento pelo método de Neighbor-Joining e distância genética de Nei identificou padrões de conexão inter-regional, os quais sugeriram movimentos de dispersão. Os padrões genéticos regionais foram associados aos registros arqueológicos da espécie e às migrações humanas Arawak e Tupi, o que permitiu sugerir as hipóteses de dispersão do milho nas terras baixas da América do Sul. A pesquisa ainda sugeriu a hipótese de dois potenciais centros de diversificação do milho nas terras baixas da América do Sul, que envolvem o Sudoeste da Amazônia e as região do Pampa do Brasil e Uruguai. O terceiro estudo teve como objetivo identificar micro-centros de diversidade do milho nas terras baixas da América do Sul. Foram realizadas coletas de variedades locais e entrevistas com agricultores em cinco estados do Brasil (Mato Grosso do Sul, Minas Gerais, Paraíba, Rio Grande do Sul e Rondônia) e cinco departamentos do Uruguai (Canelones, Rocha, Treinta y Tres, Tacuarembó e Rivera), contemplando cinco biomas (Amazônia, Cerrado, Caatinga, Mata Atlântica e Pampa). Foram obtidos indicadores etnobotânicos, fenotípicos e moleculares os quais permitiram estimar índices de diversidade genética, como ferramenta metodológica para identificação e caracterização dos micro-centros de diversidade do milho. Os micro-centros de diversidade foram identificados considerando os seguintes critérios diagnosticados em cada região: i) riqueza e diversidade genética de variedades locais (a maior parte exclusiva) e raças de milho; ii) presença de variedades locais sob diversificação devido a ação humana corrente diagnosticada pelos aspectos socioculturais; e iii) diversidade genética diagnosticada por meio de índices etnobotânicos, fenotípicos e moleculares, os quais indicaram áreas de conservação e acumulação de germoplasma de milho, em escala geográfica microrregional. Estas regiões também são sugeridas como hotspots de agrobiodiversidade, por encontrarem-se em zonas vulneráveis à erosão genética. O quarto estudo prospectou o milho do Sudoeste da Amazônia, região indicada como centro de diversificação do milho, dentro da qual foi considerada a hipótese de que as raças localmente desenvolvidas foram extintas durante a colonização européia. Foram conduzidos estudos etnobotânicos in loco e caracterização fenotípica das variedades locais de milho farináceo cultivadas por agricultores locais e indígenas, nos estados de Rondônia e Acre. Foram identificados nomes indígenas e locais, usos gerais e específicos para a raça de milho amazônica Entrelaçado. As variedades locais coletadas na região foram caracterizadas e classificadas como Entrelaçado, confirmando a sua identificação e demonstrando que esta raça está conservada no Sudoeste da Amazônia. Esta pesquisa ampliou o conhecimento sobre a história evolutiva e a diversidade genética do milho nas terras baixas da América do Sul, envolvendo uma amostragem mais ampla. As informações geradas pela pesquisa poderão subsidiar políticas públicas e programas de conservação dos recursos genéticos do milho nas terras baixas da América do Sul.Knowledge about the diversity and genetic structure of cultivated populations is essential to understand the evolutionary history of these populations throughout the process of domestication and dispersal. Maize (Zea mays ssp. mays) is a cultivated species that presents high genetic variability. The dispersion of maize to different regions allowed the emergence of centers of diversification of the species. The lowlands of South America region is considered a secondary center of maize diversity and scientific evidence suggests that the species dispersed from Mexico and arrived in this region in a partial state of domestication. The objective of this research was to study the genetic diversity and dispersal patterns of maize in the lowlands of South America, using population genomics, phenotypic and ethnobotanical data, and historical records, allowing the expanding of knowledge about the history of this germplasm in the region. This information may be useful to guide future prospects, conservation efforts and the valorization of the genetic resources of maize. This thesis was structured in different chapters. The first study presented a literature review on the origin, domestication and dispersion of maize in the Americas. The second study discussed the hypotheses of maize dispersion in the lowlands of South America. A total of 184 maize accessions from Brazil and Uruguay were characterized using 5,313 single nucleotide polymorphisms (SNPs), obtained by the Diversity Arrays Technology technique (DArTseq). The accessions were also characterized as to the type of endosperm and association with indigenous language families related to the respective regions of origin. The groups obtained through the Discriminant Analysis of Principal Components (DAPC) were structured mainly according to the predominance of specific types of endosperm. The cluster analysis using Nei´s genetic distance and Neighbor-Joining method identified interregional connection patterns, which suggested dispersion movements. The regional genetic patterns were associated with the archaeological records of the species and with the Arawak and Tupi human migrations, suggesting the hypothesis of maize dispersion in the lowlands of South America. The research also suggested the hypothesis of two potential centers of diversification of the maize in the lowlands of South America, which involve the Southwest of the Amazon and the Pampa regions of Brazil and Uruguay. The third study aimed to identify microcenters of maize diversity in the lowlands of South America. Landraces were collected and interviews were conducted with farmers in five states in Brazil (Mato Grosso do Sul, Minas Gerais, Paraíba, Rio Grande do Sul and Rondônia) and five departments of Uruguay (Canelones, Rocha, Treinta y Tres, Tacuarembó and Rivera), covering five biomes (Amazon, Cerrado, Caatinga, Atlantic Forest and Pampa). Ethnobotanical, phenotypic and molecular indicators were obtained allowing the estimation of genetic diversity indices, as a methodological tool for the identification and characterization of the microcenters of maize diversity. The microcenters of diversity were identified considering the following criteria diagnosed in each region: i) richness and genetic diversity of maize landraces (mostly exclusive) and races; ii) presence of landraces under diversification due to current human action diagnosed by socio-cultural aspects; and iii) genetic diversity diagnosed by ethnobotanical, phenotypic and molecular indices, which indicated conservation areas and accumulation of maize germplasm, on a microregional geographic scale. These regions are also suggested as agrobiodiversity hotspots, as they are in areas vulnerable to genetic erosion. The fourth study prospected maize from the Southwest of the Amazon, a region indicated as a center of maize diversification, within which the hypothesis that locally developed races were extinct during European colonization was considered. On-site ethnobotanical studies and phenotypic characterization of floury maize landraces cultivated by local and indigenous farmers in the states of Rondônia and Acre were conducted. Indigenous and local names, general and specific uses for the Entrelaçado Amazonian maize race were identified. The local varieties collected in the region were characterized and classified as Entrelaçado, confirming its identification and demonstrating that this race is conserved in the Southwest of the Amazon. This research expanded knowledge about the evolutionary history and genetic diversity of maize in the lowlands of South America, involving a broader sampling. The information generated by this research may subsidize public policies and programs for the conservation of the genetic resources of maize in the lowlands of South America

Principal components of 15 quantitative morphological variables for five teosinte populations.

<p>Principal components of 15 quantitative morphological variables for five teosinte populations.</p

Presence of <i>Zea luxurians</i> (Durieu and Ascherson) Bird in Southern Brazil: Implications for the Conservation of Wild Relatives of Maize

<div><p>Records of the occurrence of wild relatives of maize in South American lowlands are unprecedented, especially in sympatric coexistence with landraces. This fact is relevant, because regions of occurrence of wild relatives of cultivated plants should be a priority for conservation, even if they do not correspond to the center of origin of the species. The aim of this study was to identify and characterize the wild relatives of maize in the Far West of Santa Catarina, southern Brazil. Therefore, phenotypic characterization was performed for five populations, based on 22 morphological traits deemed as fundamental for classifying the species of the genus <i>Zea</i>, and validated through the characterization of chromosomal knobs of two populations. The occurrence and distribution of teosinte populations were described through semi-structured interviews applied to a sample of 305 farmers. A total of 136 teosinte populations were identified; 75% of them occur spontaneously, 17% are cultivated populations, and 8% occur both ways, for the same farm. Populations that were characterized morphologically had trapezoidal fruits mostly, upright tassel branch (4–18), non-prominent main branch and glabrous glumes, with two protruding outer ribs and 8 inner ribs, on average. Cytogenetic analysis identified 10 pairs of homologous chromosomes (2n = 20) with 26 knobs, located in the terminal region of all chromosomes. The similarity of these results with the information reported in the literature indicates that the five populations of wild relatives of maize in this region of Santa Catarina belong to the botanical species <i>Zea luxurians</i>.</p></div

Location of the study area and geographic distribution of 136 teosinte populations.

<p>Map contour constructed from spatial data retrieved from <a href="http://www.diva-gis.org/gdata" target="_blank">http://www.diva-gis.org/gdata</a>.</p

Location of collection areas of five teosinte populations.

<p>Location of collection areas of five teosinte populations.</p