Caracterização molecular e fenotípica de populações de Coffea arabica em seleção recorrente

Abstract

Os principais problemas fitossanitários nas lavouras de café arábica são a ferrugem causada pelo fungo Hemileia vastatrix e Coffee Berry Disease (CBD) causada pelo fungo Colletotrichum kahawae, sendo uns dos principais responsáveis pela redução da produtividade do cafeeiro e qualidade de bebida. Uma forma socioambiental eficiente para o controle dessas doenças é o uso de cultivares resistentes obtidas por meio de melhoramento genético. No entanto, o melhoramento genético do cafeeiro é um processo demorado, que pode levar cerca de 25 anos para se obter uma nova cultivar. Nesse sentido, a utilização de métodos de melhoramento associados a marcadores moleculares é uma alternativa viável para acelerar o processo de desenvolvimento de novas cultivares de café. Uma das aplicações de extrema relevância dos marcadores moleculares no melhoramento genético de plantas consiste em sua utilização como ferramenta auxiliar nos procedimentos de seleção assistida por marcadores moleculares (SAM). A SAM no processo de piramidação de alelos de resistência a doenças é amplamente eficiente, uma vez que permite a seleção na ausência do patógeno, anula o efeito do ambiente, de pleiotropia e epistasia e permite a eliminação dos genótipos indesejáveis nas primeiras gerações de seleção. Desse modo, o objetivo do presente estudo foi implementar a seleção assistida no melhoramento de duas populações de C. arabica, C6T-10 e C6T-24, em geração F 2 de seleção recorrente. Estudo da diversidade genética e análises morfoagronômicas dessas populações também foram realizadas para auxiliar na seleção dos cafeeiros. Para tanto, DNA de 148 cafeeiros pertencente às duas populações foi extraído e amplificado com marcadores moleculares associados a genes de resistência a ferrugem e ao CBD, bem como marcadores microssatélites distribuídos aleatoriamente no genoma. Para resistência a ferrugem foram utilizados marcadores ligados a três locos, sendo dois QTL que correspondem a genes maiores de resistência as raças I, II e patótipo 001 de H. vastatrix e um gene RGA (Disease Resistance Gene Analogs). Para CBD foram utilizados dois marcadores que se encontram flanqueando o gene Ck-1. Os marcadores microssatélites foram usados para o estudo de diversidade genética. Os dados dos marcadores associados aos dois QTL sugerem que todos cafeeiro da população C6T-24 possuem resistência para as raças I, II e patótipo 001 de H. vastatrix, pois a presença de um alelo dominante em um dos dois locos é suficiente para que o indivíduo seja resistente. O gene RGA associado a resistência a esse patógeno foi identificado em 117 cafeeiros. Para resistência a C. kahawae, 46 cafeeiros da população C6T-10 e 59 da população C6T-24 apresentaram o gene Ck-1. Foram identificados 37 cafeeiros da população C6T-10 e 23 da população C6T-24 com a piramidação dos quatro locos de resistência a H. vastatrix e C. kahawae. Esses mesmos cafeeiros foram avaliados como resistentes à ferrugem em nível de campo no ano de 2019. Outras características morfoagronômicas foram analisadas, permitindo a seleção de genótipos contendo piramidação de genes de resistência e características de interesse agronômico. Para auxiliar na seleção de genótipos a serem cruzado para formar novo ciclo de retrocruzamento, foi realizado estudo da diversidade dos cafeeiros, usando a análise de agrupamento UPGMA. Observou-se a formação de quatro grupos principais, permitindo evidenciar a diversidade dentro da população C6T-10. Com base nesse trabalho, foi possível selecionar cafeeiros em geração F 2 contendo a piramidação de alelos de resistência a H. vastatrix e C kahawae, bem como genótipos contendo diversidade que podem ser usados para cruzamento e formação de nova população para seleção recorrente. Palavras-chave: Melhoramento do cafeeiro. SAM. Diversidade genética. Piramidação de genes. Hemileia vastatrix. Colletotrichum kahawae.The main phytosanitary problems in Arabica coffee washers are rust that is caused by the fungus Hemileia vastatrix and Coffee Berry Disease (CBD), which is caused by the fungus Colletotrichum kahawae, being one of the main responsible for the reduction of coffee and drink quality. An efficient socioenvironmental way to control these diseases is the use of resistant cultivars, preventing the means of genetic breeding. However, the coffee plant breeding is a long process, which can take about 25 years to obtain a new cultivar. Thus, the use of breeding methods associated with molecular markers is a viable alternative to accelerate the process of developing new coffee cultivars. One of the extremely relevant applications of molecular markers in the plant breeding method consists of its use as an auxiliary tool in the selection procedures assisted by molecular markers (SAM). In SAM, the process of gene stacking disease-resistant alleles is efficient, as it allows selection in the absence of pathogens, cancels the environmental effects, pleiotropy, and epistasis and allows the selection of undesirable genotypes in the first selection tests. Now the objective of the present study was to implement a selection assisted in the improvement of two species of C. arabica, C6T-10, and C6T-24, in the F2 generation of recurrent selection. Genetic diversity studies and morpho- agronomic analyzes of these were also carried out for auxiliary coffee selection. For this purpose, the DNA of 148 coffee trees from two species was extracted and amplified with molecular markers associated with rust resistance genes and CBD, as well as microsatellite markers distributed randomly in the genome. For resistance to rust, markers linked to three sites were used, two QTL that use the genes with the highest resistance such as races I, II, and model 001 of H. vastatrix and one RGA (Disease Resistance Gene Analogs) gene. For CBD, two markers were used that separate the Ck-1 gene. Microsatellite markers were used to study genetic diversity. The data from the markers associated with the two QTLs suggest that all coffee trees in the C6T-24 population show resistance to races I, II and model 001 of H. vastatrix, since a dominant allele is present in one of the two locations is sufficient for anyone to be tough. The RGA gene associated with resistance to this pathogen was identified in 117 coffee trees. For resistance to C. kahawae, 46 coffee trees from the C6T-10 population and 59 from the C6T-24 population had the Ck-1 gene. 37 coffees fromthe C6T-10 population and 23 from the C6T-24 population were selected with a gene stacking of four resistance sites to H. vastatrix and C. kahawae. These same coffee trees have been rated as rust-resistant at the field level in 2019. Other morpho-agronomic characteristics were analyzed, allowing the selection of genotypes that use resistance gene stacking and characteristics ofagronomic interest. For an auxiliary selection of genotypes to be crossed to form a new backcross cycle, a study of coffee diversity was carried out, using a UPGMA cluster analysis. Observe the formation of four main groups, allowing us to demonstrate the diversity in the C6T-10 population. Based on this work, it was possible to select coffee trees in the F2 generation, including the removal of resistance alleles to H. vastatrix and C kahawae, as well as the selected genotypes that can be used for monitoring and training new populations for selection. Keywords: Coffee improvement. SAM. Genetical diversity. Gene stacking. Hemilea vastatrix. Colletotrichum kahawae.