Projeto FASTBREED: seleção genómica ao serviço dos cereais

O principal desafio que se coloca à agricultura nas próximas décadas é o aumento sustentável da produção vegetal para alimentação humana e animal. É urgente aumentar a produção de uma forma sustentável, utilizando variedades de culturas com rendimento mais elevado e adaptadas às condições ambientais dos locais de produção.

Figura 1- Cruzamento artificial: fase de preparação de planta parental.

Para alcançar este objetivo não é suficiente prosseguir estratégias de melhoramento convencional, é necessário introduzir ferramentas de genética molecular que permitem acelerar o processo de melhoramento, para obter variedades novas e melhor adaptadas a um mundo em permanente alteração climática, demográfica e social, mas respeitando o ambiente e dando resposta às necessidades do mercado.

O projeto FASTBREED, financiado pelo programa Alentejo2020 resultou de uma parceria entre o Instituto Nacional de Investigação Agrária e Veterinária (INIAV) e o Centro de Biotecnologia Agrícola e Agro-Alimentar do Alentejo (CEBAL) para implementar na Estação Nacional de Melhoramento de Plantas, no Polo de Elvas do INIAV, uma nova abordagem de seleção, no programa de melhoramento de trigo, com base em informação do genoma das plantas e respetiva associação ao fenótipo.

A seleção genómica é uma estratégia para aumentar o ganho genético da seleção no melhoramento de culturas vegetais e no melhoramento animal. A seleção genómica utiliza múltiplos marcadores moleculares genómicos (ao nível do DNA) para prever os efeitos de caraterísticas quantitativas complexas através da modelação desses efeitos e da previsão da soma de todos eles. Assim, utilizando software de análise apropriado, para cada planta resultante de um cruzamento artificial pode ser calculado um valor genómico que deriva da sua informação de genoma (genotipagem) e da sua avaliação fenotípica (fenotipagem).

A abordagem de modelação por seleção genómica é assim uma estratégia inovadora que utiliza os fenótipos de caraterísticas específicas (por exemplo caraterísticas agronómicas) e genótipos (que dependem apenas da constituição do genoma e não do ambiente) para prever essas caraterísticas, proporcionando o desenvolvimento de novas linhas ou variedades melhoradas, com um maior ganho genético por ciclo de melhoramento, o que é particularmente importante para uma cultura que tem um ciclo geracional anual, como é o caso do trigo.

A seleção apoiada em marcadores genéticos reforça a precisão da seleção fazendo aumentar o ganho genético por ciclo de melhoramento.

Em complemento, se se efetuarem os cruzamentos artificiais (Figura 1) em câmara de crescimento, é possível obter várias gerações (pelo menos duas) por ano, genotipar a descendência, prever o seu desempenho e selecionar plantas após a segregação genética de alelos. Deste modo, será possível genotipar alelos em plantas jovens e selecionar apenas as que conjugam os diversos marcadores genéticos associados às caraterísticas favoráveis.

Estes passos podem poupar a análise, durante vários anos, de plantas que ao serem selecionadas de forma convencional, continuam a conter alelos não favoráveis e que serão mais tarde descartadas no processo convencional de melhoramento. A seleção apoiada em marcadores genéticos reforça a precisão da seleção fazendo aumentar o ganho genético por ciclo de melhoramento.

Figura 2 - Automatização da aquisição de dados de fenotipagem

No projeto FASTBREED, avaliou-se a aplicação da seleção genómica, nos campos experimentais do INIAV em Elvas, envolvendo 200 linhas avançadas de melhoramento de trigo de gerações segregantes e progenitores. Estas linhas foram fenotipadas em relação a caraterísticas importantes tais como rendimento de grão, peso por mil grãos, dias ao espigamento e conteúdo de proteína e genotipadas utilizando uma plataforma de sequenciação de elevado rendimento. O Valor de Melhoramento Genómico foi estimado utilizando diferentes modelos, e será utilizado nas decisões de melhoramento assistido por marcadores genéticos nas condições edafoclimáticas da região do Alentejo.

Para que estes valores genéticos fossem estimados foi necessário implementar no INIAV um servidor de cálculo genético e bioinformática. O desenvolvimento de atividades deste projeto permitiu capacitar a região do Alentejo com equipamento e capacidade informática para que fossem implementados os programas necessários a estas análises. Para que isto fosse possível, foram contratados recursos humanos com formação especializada em bioinformática e bioestatística que se integraram na equipa do INIAV e permitiram o design de ferramentas inovadoras para o setor do melhoramento de cereais.

Mas o desenvolvimento do projeto FASTBREED enfrentou questões que dificultaram a sua execução, nomeadamente a realização da genotipagem que visava a utilização de técnicas de sequenciação de DNA de elevado processamento, apenas realizadas no estrangeiro a preço acessível. Efetivamente, a contratação do serviço ao estrangeiro, o envio de amostras, o tempo de produção de resultados exigiu bastante mais tempo do que o inicialmente previsto.

Todo o plano de implementação da estratégia de seleção genómica foi adaptado à realidade nacional em termos de genotipagem e fenotipagem.

No entanto, esta dificuldade acabou por direcionar o processo de implementação para a utilização de outras técnicas de genotipagem, nomeadamente a genotipagem em chip, já disponível em laboratórios em Portugal. E apesar do universo de marcadores moleculares não ser tão alargado, como o da sequenciação de fragmentos de DNA em larga escala, contém ainda milhares de marcadores de DNA úteis para a aplicação em seleção genómica. E esta foi uma constatação importante.

Assim, todo o plano de implementação da estratégia de seleção genómica foi adaptado à realidade nacional em termos de genotipagem e fenotipagem.

Embora o INIAV tivesse instalado o procedimento de fenotipagem, o aumento drástico do número de linhas a caraterizar fenotipicamente exige um grande esforço dos recursos humanos disponíveis. E também neste aspeto, a disponibilidade do servidor informático permitiu o desenvolvimento de uma aplicação informática que, instalada em tablets (Figura 2), e com configuração adequada, facilitou a implementação de um processo de fenotipagem mais eficiente, mais rápido e mais seguro, uma vez que todos os dados adquiridos podem estar a um click do armazenamento numa base de dados construída para o efeito. Esta ligeira alteração ao processo de registo da caraterização fenotípica permite guardar a informação em formato utilizável pelos bioinformáticos e bioestatísticos, que assim a podem importar para as pipelines de análise, de modo a proceder aos estudos de associação genótipo-fenótipo (Figura 3) e respetivo cálculo dos Valores de Melhoramento Genómico.

A utilização destas ferramentas e a sua inclusão em programas de melhoramento já provou a sua eficácia. A seleção genómica foi fortemente implementada no Reino Unido e está a ser testada também em Itália. O INIAV está agora a dar os primeiros passos na utilização da estratégia de seleção genómica de trigo em ambiente de sequeiro.

Figura 3 - Gráfico que ilustra um estudo de associação genómica para o Rendimento (kg/ha) em trigo. Cada ponto é uma variação no DNA. Cada cor representa um cromossoma.

Aproveitando o know how acumulado, o INIAV está a investir na capacidade de genotipagem e fenotipagem de modo a que estes processos se complementem em tempo útil. O melhoramento de trigo em Portugal vai entrar na era da genómica. Uma linha de trigo pode levar até 12 anos para ser considerada uma nova variedade. A seleção genómica, melhorando o conhecimento da associação entre variações genéticas e fenótipos complexos aumenta a precisão do melhoramento e será um excelente auxiliar na seleção de parentais que se adequem a características específicas (por exemplo, rendimento de produção em sequeiro ou aceleração da data de maturação do grão). No âmbito do projeto FASTBREED foi submetido um pedido de patente europeia (EPO) de um painel de marcadores para auxílio ao melhoramento de trigo na região mediterrânica.

No âmbito do projeto FASTBREED foi submetido um pedido de patente europeia (EPO) de um painel de marcadores para auxílio ao melhoramento de trigo na região mediterrânica.

Porém, há que ter atenção: a seleção genómica deve servir o propósito de proporcionar o aumento de ganho genético por ciclo de melhoramento, mas deve também ter em conta a utilização de progenitores adaptados a cada tipo de condição edafoclimática e utilizar o fenótipo como guia para o genótipo a utilizar. E para que isto funcione, é necessário trabalhar de forma interdisciplinar. O melhorador sabe qual o fenótipo que ambiciona, o bioinformático sabe quais os genótipos que apresentam o fenótipo ambicionado e o bioestatístico pode utilizar modelos de previsão de ganho genético. Finalmente o melhorador toma a decisão.

Atualmente, o melhoramento genético em trigo, ou outras culturas, tem de estar preparado para integrar as novas ferramentas e avaliar a cada passo do processo, qual o ganho genético que obtém e qual a estratégia que deverá seguir. A seleção genómica é um dos caminhos mais promissores e foi o projeto FASTBREED que permitiu a sua adaptação e implementação no programa de melhoramento de trigo na região do Alentejo. O futuro começa agora!