Estimativa de parâmetros genéticos e seleção de genótipos de café arábica com base em REML/BLUP e marcadores moleculares

Abstract

O Coffea arabica L. é a espécie de maior importância econômica e o desenvolvimento de cultivares resistentes às principais doenças do cafeeiro, como a ferrugem (Hemileia vastatrix) e a antracnose dos frutos (Colletotrichum kahawae), é importante para obter estabilidade produtiva e diminuição dos custos de produção. Para aumentar a eficiência de seleção de cafeeiros superiores no melhoramento genético deve-se realizar a caracterização morfoagronômica dos materiais genéticos a serem selecionados e a estimação dos valores genéticos dos indivíduos. Além disso, aliar essas metodologias à seleção assistida por marcadores moleculares (SAM) é uma forma de minimizar as limitações da seleção puramente fenotípica. Essa estratégia reduz o tempo e o custo para seleção e, para a resistência a doenças, permite a busca de resistência duradoura e de amplo espectro por meio da piramidação de genes. Portanto, objetivou-se identificar cafeeiros para avanço de geração no programa de melhoramento por meio de seleção baseada na metodologia de modelos mistos (REML/BLUP) aliada à seleção assistida por marcadores. Para isso, sete características morfoagronômicas foram utilizadas para avaliar a diversidade genética, estimar os parâmetros genéticos e quantificar os ganhos com a seleção de famílias em melhoramento. Cafeeiros resistentes a doenças em campo foram analisados com marcadores moleculares para identificar indivíduos portadores de genes que conferem resistência a diferentes raças de H. vastatrix e resistência a C. kahawae, visando a piramidação de genes e obtenção de resistência múltipla. As populações analisadas neste trabalho fazem parte do Programa de Melhoramento Genético do Cafeeiro desenvolvido pela Empresa de Pesquisa Agropecuária de Minas Gerais (EPAMIG), em parceria com a Universidade Federal de Viçosa (UFV), a Universidade Federal de Lavras (UFLA) e a Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa Café). As plantas que deram origem a essas populações, por serem potenciais fontes de resistência à H. vastatrix, foram introduzidas pela UFV, oriundas do Centro de Investigação das Ferrugens do Cafeeiro (CIFC), localizado em Oeiras/Portugal. Com base nas características morfoagronômicas e análise de agrupamento, observou-se alto grau de parentesco entre as famílias. O índice de seleção viipermitiu selecionar nove famílias, com ganhos de seleção superior a 26% em relação à população original. Com base em marcadores moleculares, das nove famílias selecionadas, oito apresentaram em suas progênies o gene S H 3 de resistência a H. vastatrix e a outra o gene Ck-1 de resistência a C. kahawae. A SAM permitiu, ainda, identificar uma família que embora não tenham sido selecionada nas análises morfoagronômicas, é portadora do gene para resistência às raças I, II e patótipo 001 de H. vastatrix. Os cafeeiros selecionados pelas características morfoagronômicas e SAM foram superiores às testemunhas e apresentaram genes em indivíduos diferentes, que conferem resistência às principais doenças do cafeeiro, ferrugem e C. kahawae. Esses cafeeiros podem ser utilizados como fonte de resistência para novos cruzamentos. Além disso, buscou-se avaliar novas fontes de resistência em outra população, no qual a SAM permitiu identificar 31 famílias portadoras do gene S H 3, duas com o gene Ck-1, seis para o QTL ligado ao grupo de ligação 2, e duas para o QTL ligado ao grupo de ligação 5. Esses diferentes genes foram encontrados isolados em alguns cafeeiros e também piramidados em outros, com diferentes combinações. Os cafeeiros selecionados poderão ser utilizados para avanço de geração no melhoramento e como fontes para piramidação de genes nos programas de melhoramento com vista a obter cultivar com resistência múltipla e durável.Coffea arabica L. is the most economically important species and the development of resistant cultivars to the main coffee plants diseases, such as rust (Hemileia vastatrix) and fruit anthracnose (Colletotrichum kahawae), is important to obtain productive stability and production costs decrease. In order to increase the selection efficiency for superior coffee plants in genetic improvement, the morphological analysis of the genetic material to be selected and the estimation of the individuals’ genetic values should be carried out. In addition, combining these methodologies with molecular marker-assisted selection (MAS) is a way of minimizing the purely phenotypic selection limitations. This strategy reduces time and selection cost and, for disease resistance, allows the search for long- lasting and wide spectrum resistance through gene pyramidation. Therefore, this study’s objective was to identify coffee plants for the breeding program advance generation, based on mixed models selection (REML/BLUP), combined with markers assisted selection. For this, seven morphoagronomic characteristics were used to evaluate genetic diversity, to estimate the genetic parameters and to quantify the gains with families’ selection in breeding. Field-resistant coffee plants were analyzed with molecular markers to identify individuals carrying genes that confer resistance to different strains of H. vastatrix and resistance to C. kahawae, aiming at genes pyramiding of and obtaining multiple resistance. The populations analyzed in this work are part of the Coffee Breeding Program developed by the Empresa de Pesquisa Agropecuária de Minas Gerais (EPAMIG), in partnership with the Universidade Federal de Viçosa (UFV), the Universidade Federal de Lavras (UFLA) and the Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa Café). The plants that gave origin to these populations, being potential resistance sources to H. vastatrix, were introduced by the UFV, from the Centro de Investigação das Ferrugens do Cafeeiro (CIFC), located in Oeiras/Portugal. Based on the morphoagronomic characteristics and cluster analysis, a high kinship degree between families was observed. The selection index allowed nine families to be selected, with selection gains higher than 26% in relation to the original population. Based on molecular markers, eight out of the nine families selected had H. vastatrix resistance S H 3 gene and ixthe Ck-1 gene resistance to C. kahawae in their progenies. The MAS also allowed to identify a family that although has not been selected by the morphoagronomic analyzes, it is a carrier of the resistance gene to the races I, II and to H. vastatrix 001 pathotype. The coffee plants selected by MAS and morphological characteristics were superior to the controls and presented genes in different individuals, which confer resistance to the main coffee plants diseases, rust and C. kahawae. These coffee plants can be used as a resistance source for new crossings. In addition, new resistance sources in another population were evaluated, in which MAS allowed to identify 31 families carrying S H 3 gene, two with Ck-1 gene, six for the QTL linked to the linkage group 2, and two for the QTL linked to the linking group 5. These different genes were found isolated in some coffee plants and also pyramidal in others, under different combinations. The selected coffee plants may be used for generation advance and as gene pyramiding sources in breeding programs aiming to obtain a durable and multiple resistant crop.