Phenotypic and molecular characterization of the brazilian panel of sugarcane genotypes

Abstract

Sugarcane is a renewable source of energy and has potential for expansion. The economic importance of sugarcane is due to its use as raw material, mainly for the sugar and ethanol production and, more recently for the electricity generation from lignocellulosic residues. The genetic improvement of sugarcane is responsible for releasing more productive and resistant cultivars but, however, is a long process with high cost. Furthermore, the sugarcane is polyploid and often presents aneuploid, which makes the work of breeding programs even more hampered. Thus, the phenotypic and molecular knowledge of the access that are commonly used for the crosses to obtain segregating populations or that are part of genebanks of breeding programs is of extreme importance, because this knowledge may drive the improvement process and increases the chances of selecting superior cultivars that meet the demand of the sugarcane industry. In this work, a panel of 242 genotypes of sugarcane, which compose the Brazilian Panel of Sugarcane Genotypes (PBGCA), was planted in the Agricultural Sciences Center of the Federal University of São Carlos, at Araras-SP, in a completely randomized block design with four replications. We evakuated eight phenotypic traits of economic importance: stalk height (m), stalk diameter (mm), stalk number, total weight (kg), soluble solids content (ºBrix), juice sucrose content (POL%Caldo), cane sucrose content (POL%Cana) and fiber content (FIB%); and also the incidence of brown rust (Puccínia melanocephala) at field and the presence of the resistance gene of this disease (Bru1). The estimate of variance, genotypic correlation analysis and principal component analysis showed the genetic diversity of PBGCA, which has, for example, contrasting genotypes for sucrose content and fiber content. In addition, from all resistant accessions on the field to brown rust, 72.30% present the Bru1 gene, which is strongly associated with resistance. Phenotypic and molecular characterization of PBGCA showed to be an efficiently important guide for the breeding strategies and enables future studies of association between traits of economic importance and molecular markers in order to perform assisted selection in sugarcane.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)A cana-de-açúcar é uma fonte renovável de energia que possui potencial para expansão. A importância econômica da cana-de-açúcar é devido a sua utilização como matéria-prima, principalmente, para produção de açúcar e etanol e, mais recentemente, geração de energia elétrica a partir dos resíduos lignocelulósicos. O melhoramento genético da cana-de-açúcar é responsável por liberar variedades mais produtivas e resistentes as doenças, mas, no entanto, é um processo longo e de elevado custo. Além disso, a Cana-de-açúcar é poliplóide e com frequente aneuploidia, o que torna o trabalho dos programas de melhoramento ainda mais oneroso. Desta forma, o conhecimento fenotípico e molecular dos acessos que são utilizados em cruzamentos para obtenção de populações segregantes ou que fazem parte de bancos de germoplasma dos programas de melhoramento é de extrema importância, visto que este conhecimento pode direcionar o processo de melhoramento e aumentar as chances de seleção de variedades superiores que atendam a demanda do setor sucroenergético. Assim, neste trabalho, um conjunto de 242 genótipos de cana-de-açúcar, os quais compõem o Painel Brasileiro de Genótipos de Cana-de-açúcar (PBGCA), foi plantado no Centro de Ciências Agrárias da Universidade Federal de São Carlos, em Araras-SP, em delineamento experimental em blocos casualizados com quatro repetições. Foram avaliadas oito caracteristicas fenotipicas de importância econômica: altura de colmos (m), diâmetro de colmos (mm), número de colmos, peso total de parcela (kg), sólidos solúveis (°Brix), teor de sacarose do caldo (Pol%Caldo), teor de sacarose da cana (Pol%Cana) e teor de fibra (%); além disso avaliou-se a incidência de ferrugem marrom (Puccinia melanocephala) a campo e a presença do gene de resistência a esta doença (Bru1). A estimativa de variâncias, a análise de correlação genotípica e a análise de componentes principais evidenciaram a diversidade genética do PBGCA, o qual possui, por exemplo, genótipos contrastantes para teor de açúcar e teor de fibra. Em adição, do total de acessos fenotipicamente resistentes à ferrugem marrom, 72,30% apresentaram o gene Bru1, o qual é fortemente associado com a resistência a esta doença. A caracterização fenotípica e molecular do PBGCA mostrou ser importante para guiar eficientemente as estratégias de melhoramento genético, possibilitando, ainda, estudos futuros de associação entre as características de importância econômica e marcadores moleculares com a finalidade de realizar seleção assistida em cana-de-açúcar