Uso da macho-esterilidade no melhoramento de híbridos ...

Uso da macho-esterilidade no melhoramento de híbridos comerciais em arrozUse of male sterility in the breeding of commercial rice hybridsJefferson Luís Meirelles Coimbra 1 , Juliano Garcia Bertoldo 2 , Naine Martins do Vale 2Recebido em 17/07/2007; aprovado em 11/07/2008.RESUMOCom o rápido crescimento populacional, há anecessidade de um incremento dos atuais níveis deprodutividade do arroz para satisfazer a necessidadedas 8,9 bilhões de pessoas no planeta estimadas para2010 . Nos últimos 30 anos, a população dos paísesasiáticos, onde mais de 90% da produção mundialde arroz é efetivada e consumida, aumentou cerca de30%. Felizmente, a produção de arroz nestes paísesdobrou devido à utilização de cultivares do tipomoderno e de cultivares de arroz híbrido com altopotencial produtivo. Esta revisão bibliográficaobjetivou reunir temas de grande relevância para lograrêxito tanto em programas de melhoramento quantono sistema de cultivo de arroz híbrido no Brasil. Sãodiscutidos temas como o melhoramento para o sistematrês linhas e duas linhas, macho-esterilidade genéticacitoplasmática, macho-esterilidade causada peloambiente, genes restauradores e as vantagens edesvantagens particulares de cada método de modoprático e aplicado.PALAVRAS-CHAVE: Oryza sativa L., rendimento,heterose.SUMMARYWith the fast increase in plant population, there is aneed to enhance current rice productivity levels to feedthe 8.9 billion people estimated to live on earth by2010. During the last 30 years, the population of Asiancountries that grow and consume more than 90% ofrice world production increased nearly 30%.Fortunately, rice production on these countriesdoubled in the same period due to the use of moderncultivars and hybrids with high grain yield potential.This review aimed to discuss important issues to thefuture of breeding programs and the development ofrice hybrids. It discusses subjects such as breedingfor the three lines and two-line systems, geneticcitoplasmatic male sterility, male sterility caused bythe environment, restoring genes and the advantagesand disadvantages inerent to each method.KEY WORDS: Oryza sativa L., yield, heterosis.INTRODUÇÃOO arroz está entre os cereais mais cultivadosdo mundo. De acordo com dados da FAO (2007),divulgados em 2006, entre os continentes, a Ásia é omaior produtor mundial (90,5%), seguido dasAméricas (5,9%), África (3,0%), Europa (0,5%) eOceania (0,1%). O Brasil é o nono produtor mundialde arroz e o primeiro fora do continente asiático. Sóna China, no ano de 2006 foram produzidas cerca de6.300 kgha -1 (FAO, 2007).Nos últimos 30 anos a população da Ásia,entre os países que cultivam arroz, onde mais de 90%da produção mundial de arroz é produzido econsumido, tem aumentado perto de 60%; felizmente,a produção de arroz nestes países dobrou devido aoscultivares do tipo moderno e, principalmente devidoaos cultivares de arroz híbrido de alto potencialprodutivo (LI e YUAN, 2000). O cultivo comercialde híbridos de arroz é uma realidade na China desde1976, ano em que foram plantados os primeiros1Departamento de Agronomia, Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC). Avenida Luiz de Camões, 2090. BairroConta Dinheiro. Lages, SC. CEP 88520-000. E-mail: coimbrajefferson@cav.udesc.br.2Acadêmicos do curso de Agronomia, Universidade do Estado de Santa Catarina.Revista de Ciências Agroveterinárias. Lages, v.7, n.1, p. 61-74, 2008 ISSN 1676-9732 61

Coimbra et al.150.000 ha (YUAN e VIRMANI, 1988). SegundoCoimbra et al. (2006), a produção comercial de arrozhíbrido na China representa uma das maioresrealizações para o melhoramento de plantas do últimoséculo. Ainda de acordo com Alcochete (2005), nosúltimos 25 anos a tecnologia de híbridos em arroztem contribuído significativamente para a segurançaalimentar, proteção ambiental, e redução dedesemprego em países como a China.O arroz é uma planta autógama, que exige autilização efetiva do sistema de macho-esterilidadepara desenvolver e produzir híbridos F 1em escalacomercial. O método mais popular é o sistema detrês linhas (A, B e R) utilizado no melhoramento dearroz híbrido em qualquer parte do mundo; apesardo sistema de macho-esterilidade causado peloambiente (sistema de duas linhas) estar aumentando,em virtude da comprovação de sua utilidade para aprodução de híbridos de arroz. O sistema de duaslinhas vem crescendo em razão da sua eficácia paraincrementar o nível de heterose, por exemplo, permitea utilização de genitores indica-japonica para formaro híbrido comercial sem a necessidade de possuirgenes restauradores da fertilidade, comparativamenteao sistema de três linhas onde os genes restauradores(Rf s) são fundamentais. Finalmente, o sistema de umalinha (apomixia), é a última ferramenta utilizada pelosmelhoristas de híbridos com uma heterosepermanentemente fixa. Segundo Dall’Agnol eSchifino-Wittmann (2005), com o progresso sobre oconhecimento da genética do fenômeno, a apomixiapassou a ser o centro de atenção para os biologistasreprodutivos assim como para a indústria de sementes.Ainda de acordo com os autores, a partir daidentificação de alguns indivíduos de reproduçãosexual, os quais podem ser uma grande fonte devariabilidade, os apomíticos passaram a serconsiderados como potencialmente importantes nahistória evolutiva das plantas e muito importantes parao melhoramento, já que a manipulação da apomixiapode ser uma ferramenta importantíssima para omelhorista.Desta forma, devido a importância econômicae para o melhoramento de plantas, esta revisão tempor objetivo discutir a utilização da macho-esterilidadegenética citoplasmática, macho-esterilidade genéticacausada pela sensibilidade a diferentes ambientes efinalmente a apomixia aplicadas no melhoramento dearroz híbrido, apresentando suas vantagens edesvantagens e abordando as possibilidades demanipulação desta tecnologia no melhoramentogenético de arroz híbrido.SISTEMAS DE PRODUÇÃO DE HÍBRIDOSEM ARROZA. Sistemas de produção: três linhas, duas e umalinha: (1) sistema três-linhas: Atualmente, a grandemaioria dos híbridos de arroz comercial aplica osistema de três linhas, com a utilização da heteroseintercultivares. De acordo com Srivastava (2000), osistema macho-estéril mais utilizado em programas dedesenvolvimento de híbridos de arroz é o sistema detrês linhagens que utiliza linhagens macho-esteréiscitoplasmático. Os melhoristas estão tentandotransferir gene (s) de ampla compatibilidade para aslinhas genitoras A, B e R. Alguns programas de arrozhíbrido inter-subespecífico e intra-subespecíficoutilizam o sistema de três linhas com grande êxito naChina. Segundo Alcochete (2005) comercialmente aheterose tem sido explorada na produção de híbridosde arroz resultantes de cruzamentos intrasubespecíficos,tais como indica × indica e japonica× japonica, e muito raramente interespecíficos. Bonshíbridos têm um potencial de produtividade de 15-20% maior do que a melhor variedade autofecundadacultivada sob condições similares (SRIVASTAVA,2000).Assim, o melhoramento e a produção desementes híbridas são bastante complicados,trabalhosos e onerosos. Provavelmente o sistema detrês linhas pode ser substituído por um sistema menoscomplicado (LI e YUAN, 2000); (2) sistema duaslinhas:há duas técnicas que são utilizadas:emasculação química e o sistema T(P)GMS. Aemasculação química de plantas foi noticiada próximoao ano de 1950 na China, começando sua utilizaçãopara produção de arroz híbrido no ano de 1970.Alguns híbridos com alto potencial de rendimento degrãos foram lançados com sucesso com base nestatécnica, por exemplo, o ‘Gan-Hua 2’. O sistemaT(P)GMS (thermo-sensitive genic male sterility)refere-se a macho-esterilidade genética causada peloambiente. O Sistema Gênico de Macho-EsterilidadeTermo-sensível (TGMS) de arroz é o sistema em que62 Revista de Ciências Agroveterinárias, Lages, v.7, n.1, 2008

Coimbra et al.a fertilidade do pólen nas plantas é influenciada pelasflutuações de temperatura que ocorrem no ambientede cultivo da espécie (ALCOCHETE, 2005). Aslinhas T(P)GMS podem ser utilizadas paramultiplicação e produção de sementes F 1sobdiferentes temperaturas e/ou comprimento do dia.Segundo Zhang et al. (1992), o conhecimento damacho-esterilidade genética causada pelo ambientetem contribuído para obtenção de linhas machoestéreissob baixas temperaturas, abrindo novasperspectivas para a exploração de híbridos de arroz.O arroz TGMS é usado na produção de híbridos doarroz na China e em alguns países asiáticos do Sul(DONG et al., 2000). O sistema T(P)GMS tem sidoexplorado comercialmente só em arroz devido aotrabalho pioneiro dos chineses (VIRMANI et al.,2003). Este sistema é controlado essencialmente porgenes nucleares e assim não, tem nenhum efeitonegativo do citoplasma e nenhum risco de quebraunilateral do mesmo. Destarte, há mais oportunidadespara desenvolver híbridos de arroz com alto potencialprodutivo utilizando o sistema T(P)GMS,comparativamente ao sistema de três linhas. A omissãoda linha B, empregada para manter a machoesterilidadepara o sistema de três linhas, reduzdrasticamente o custo da semente. Também, é maisfácil combinar gene(s) T(P)GMS com gene(s) deampla compatibilidade; (3) uma-linha ou sistemaapomítico: apomixia é reprodução assexuada viasemente. Resulta em nenhuma perda de heterose anoapós ano com a produção de semente, porque nãoocorre segregação genética. A idéia para fixação daheterose pela apomixia foi proposta no ano de 1930,mas somente depois de passados 50 anos foi dadoum exemplo proeminente (BASHAW, 1980). Nestesistema, não há necessidade de produção de sementehíbrida a cada ano (ZHAO, 1977). Diplóidesapomíticos são formados apenas por partenogênese,mas não por hibridação (DALL’AGNOL eSCHIFINO-WITTMANN, 2005).Em arroz a utilização da apomixia foi propostaem 1987 por Yuan. Atualmente, as tentativas deintroduzir, através de cruzamentos, o gene daapomixia de espécies poliplóides de Tripsacum parao milho (Zea), e de espécies silvestres de Pennisetumpara milheto (P. americanum) não têm sido bemsucedidas até o momento, pois as plantas apomíticasobtidas têm cromossomos a mais e alto grau deaborto de sementes (SAVIDAN, 2001).B. Esterilidade masculina condicionada porgenes nucleares: É controlado pela interação entregenes do núcleo e do citoplasma; este sistema temsido propalado por muitos pesquisadores (RUTGERe SHINJYO, 1980). O primeiro desenvolvimento deuma linha com citoplasma macho-estéril foi realizadopor Shinjyo e Omura (1966) no Japão, utilizando ocitoplasma ‘Chinsurah Boro II’. A primeira linhamacho-estéril a ser produzida em escala comercialna China, próximo da década de 70 foi ‘Er-Jiu-Nam1A’ (LI e YUAN, 2000). Em alguns casos aplica-seo termo esterilidade masculina genéticocitoplasmática,como por exemplo, em situações emque cruzamentos entre plantas macho-estéreis e outrasnormais resultam em plantas férteis, uma vez quecertas plantas possuem alelos de genes que modificama ação do citoplasma.Morfologia, Citologia e histologia de linhasmacho-estéreis e classificação da machoesterilidade.1. Características morfológicas – as linhascom citoplasma macho-estéreis (S), com genesnucleares recessivos (ff) mostram uma grandesemelhança morfológica antes do florescimento pleno,comparativamente a linha mantenedora B que possuicitoplasma normal com genes do núcleo recessivo (ff).Depois do florescimento, a esterilidade pode sercomprovada através de análises de caracteresmorfológicos envolvendo as anteras e comportamentono florescimento. Muitos dos caracteres morfológicosdas linhas T(P)GMS ou linhas macho-estéreisgametofíticas são aproximadamente os mesmos queaquelas encontrados nas linhas macho-estéreisesporofíticas.2. Características citológicas – Laser eLerstern (1972) sintetizaram alguns estudos citológicosconduzidos entre 1925 e 1972 analisando osresultados sobre macho-esterilidade através do grãode pólen. As linhas macho-estéreis são classificadaspelo estágio em que se encontra o grão de pólenabortivo: pólen livre abortivo, estágio abortivouninucleado, estágio abortivo binucleado e estágioabortivo trinucleado.3. Características histológicas – EstudosRevista de Ciências Agroveterinárias, Lages, v.7, n.1, 2008 63

Coimbra et al.citológicos e histológicos revelaram anormalidades nasanteras (GOVINDA e VIRMANI, 1988). Asanormalidades histológicas seguintes foramencontradas nos estames de plantas de arroz machoestéril:anormalidades nas paredes das anteras,anormalidades das paredes intercelulares,anormalidades dos filamentos vasculares (LI e YUAN,2000).4. Classificação da macho-esterilidade – Maisde 600 linhas macho-estéreis têm sido desenvolvidasna China (LI e YUAN, 2000). O sistema declassificação foi proposto entre 1970 a 1980 (ZHU,1979). Este sistema é baseado em cinco passostaxionômicos fundamentais, são eles: (1) a herançada macho-esterilidade (macho-esterilidadeesporofítica ou macho-esterilidade gametofítica); (2)o estágio em que o pólen é abortado (uninucleado,binucleado ou trinucleado); (3) a relação entrerestaurado-mantenedor; (4) tipo de núcleo substituído,selvagem-cultivar; e cultivar-selvagem; e (5)diferenciação do cultivar baseado na fonte docitoplasma.C. Restauração da fertilidade: para organizar osistema de macho-esterilidade genéticocitoplasmáticono intuito de desenvolver um híbridocomercial, é essencial ter um programa demelhoramento genético para a linha restauradora dafertilidade (R) conduzido paralelamente. Felizmente,várias linhas restauradoras da fertilidade têm sidoidentificadas facilmente em arroz. Shinjyo (1969)encontrou apenas um gene dominante (Rf) responsávelpela restauração da fertilidade nas linhas machoestéreis.No entanto, alguns pesquisadoresencontraram dois genes (RfRf) que controlavam arestauração (YUAN e VIRMANI, 1988). Shinjyo(1972) relatou que este gene (Rf) se encontra emgenótipos tropicais, principalmente do tipo indica.Alguns cultivares de arroz oriundos do Japão e deoutros países de clima temperado têm sidoclassificados como não restauradores para o sistemade três linhas (VIRMANI, 1996). No entanto, Yuane Virmani (1988) encontraram mais de uma centenade linhas restauradoras, denominadas de elite, para osistema de três linhas. A freqüência de linhasrestauradoras é maior para variedades de arrozdesenvolvidas em baixas latitudes comparadas àquelaslinhas desenvolvidas em alta latitude; este mesmo fatotambém foi observado para o grupo indica em relaçãoao japonico (VIRMANI, 1996). Yuan e Virmani(1985) encontraram na China uma alta correlaçãoentre genótipos de ciclo tardio comparado aosgenótipos de ciclo precoce em uma alta freqüênciade linhas restauradoras.A genética da restauração da fertilidade emarroz vem sendo desenvolvida para vários tipos decitoplasma (ZHOU, 1994) como, por exemplo, paraos citoplasmas HL e DT e citoplasma macho-estéril-WA. O efeito dos genes restauradores para oscitoplasmas HL (indica x indica) e DT (indica xjaponica) diferem fundamentalmente no tipo deherança da fertilidade em relação ao citoplasma WA(selvagem x cultivar), sendo gametofítica (fertilidadedo pólen parcial) e esporofítica (fertilidade do pólennormal), respectivamente.Outros tipos de citoplasma têm sidodesenvolvidos e testados, porém sem muito sucesso(pequena heterose, instabilidade do citoplasma, baixataxa de alogamia, etc). Para Shu et al. (1996) maisde 95% de todas as linhas A utilizadas comercialmentena constituição do sistema três linhas possuem omesmo tipo de citoplasma (wild abortive – Tipo WA-CMS). Este citoplasma estéril pode tornar-sevulnerável ao ataque de pragas e doenças, porexemplo.Govinda e Virmani (1988) encontraram doisgenes restauradores da fertilidade para o citoplasmaWA com interação genética, predominantemente, dotipo dominante, onde poucos cruzamentos mostraramum efeito epistático dominante, recessivo ou com umadominância parcial. Muitos estudos têm mostrado queum dos dois genes responsáveis pela restauração dafertilidade para citoplasma do tipo WA exerce umaforte ação sobre o outro. Teng e Shen (1994) tambémrelataram a existência de dois genes (um genedominante e outro dominante parcial) restauradorespara o citoplasma WA (wild abortive). Govinda eVirmani (1988) conduziram vários testes alélicos parapossíveis genes restauradores da fertilidade para ocitoplasma WA presentes em seis cultivaresrestauradoras (IR 26, IR 36, IR 54, IR 9761-19-1,IR 2797-105-2-2-3 e IR 42) e identificados paraquatro grupos de possíveis restauradores; a hipóteseda existência de um grande número de genes R foi64 Revista de Ciências Agroveterinárias, Lages, v.7, n.1, 2008

Coimbra et al.explicada pela alta freqüência de linhas R sobre osgenótipos indica para o citoplasma WA. Bharaj et al.(1995) identificou os genes restauradores dafertilidade do citoplasma WA. O gene restaurador deação mais pronunciada (Rf-WA-1) está localizadosobre o cromossomo 7 e genes de ação mais fraca(Rf-WA-2) foram encontrados sobre o cromossomo10.De modo geral pode ser concluído que arestauração da fertilidade para o citoplasma do tipoWA não é um ponto de impedimento para desenvolverhíbridos de arroz em escala comercial, pelo menospara arroz do tipo indica. Para Virmani (1996) oproblema existe em arroz do tipo japonica que sãoprincipalmente não restauradores, então exigem aincorporação de genes restauradores do tipo indica,porém este processo é bastante longo e complicadogeneticamente (indica x japonica). A diversidadegenética, conseqüentemente entre restauradores dotipo japonica é bem menor do que a diversidadegenética entre restauradores do grupo indica, fato quecomprova claramente que o grau de heterose no grupojaponica é menor, comparativamente ao grupoindica.D. Macho-esterilidade genética causada peloambiente – apesar do sistema de macho-esterilidadecitoplasmática ser um sistema efetivo paradesenvolvimento e produção de híbridos em escalacomercial, é um sistema bastante complicado eoneroso, principalmente por estar trabalhando complantas macho-estéreis, que geralmente são poucoprodutivas, gerando pouco quantidade de sementes.Segundo Virmani (1996), este sistema de machoesterilidadecitoplasmática também é restrito àquelesgermoplasmas em que o número de mantenedores,principalmente, e de restauradores são abundantes.Outro fato relevante, em relação à dificuldade destesistema, é devido ao sistema três linhas (A, B e R) serutilizado na grande maioria dos híbridos comerciaisatualmente, sendo que este fato chama atenção paraa vulnerabilidade genética devido a um estressebiológico de ambiente e/ou biológico x ambiente. Shie Deng (1986) informaram um moderno e eficientesistema de macho-esterilidade genética em arroz quefoi relatado como um sistema capaz de reverter afertilidade sob determinadas condições de temperaturae/ou fotoperíodo; ele foi denominado machoesterilidadegenética em virtude do ambiente(photoperiod-sensitive genic male sterility –PGMS). Subseqüentemente foi descoberto o sistemade macho-esterilidade genético induzido pelatemperatura (temperature-sensitive genic malesterility – TGMS) por Zhou et al. (1988), e Virmanie Voc (1991), sendo que esta reverte parcialmenteou totalmente a fertilidade sob determinadascondições de temperatura. Temperaturas elevadas nafloração inibem a intumescência dos grãos de pólen(MATSUI et al., 2000), que é a força motora dadeiscência das anteras (MATSUI et al., 1999). Assim,as anteras não abririam durante a floração e o pólennão é liberado para polinizar o estigma, ocorrendo amacho-esterilidade. Tal tecnologia foi denominadasistema de duas linhas, pois não envolve a linhamantenedora (B) utilizada no sistema de três linhas. Agrande vantagem deste tipo de sistema é que qualquerlinha fértil pode ser utilizada como pai do híbrido F 1;tal fato sugere a grande possibilidade de ganhos emtermos de heterose, pois este sistema de duas linhasnão precisa possuir uma linha com genes derestauração.Várias linhas T(P)GMS têm sidodesenvolvidas na China, Japão, U.S.A e no IRRI nasFilipinas como por exemplo: Nongken 58 S(japonica) desenvolvida por mutação espontâneapela China, onde o comprimento de dia menor doque 13,75 h induz as condições de fertilidade; NorinPL 12 (japonica) desenvolvida por irradiação peloJapão onde temperatura abaixo de 28ºC induz afertilidade; IVA (indica) desenvolvida porcruzamentos dirigidos pela China onde temperaturaabaixo de 28ºC induz a fertilidade e IR 32364-20-1-3-2B (indica) desenvolvida por mutação no IRRI,Filipinas onde temperatura abaixo de 29ºC induz afertilidade (LU et al., 1992). A cultivar M 201(japonica) foi desenvolvida por mutação espontâneaatravés do mutagênico EMS (ethil metano sulfonate)onde comprimento de dia de 12 h induz a fertilidade(OARD e HU, 1995). Virmani (1996) relatou que aslinhas PGMS Nongken 58S e X-88 apresentam aesterilidade completa sob dias longos (acima de 13,75h) e mostram reversão da fertilidade sob dia curto(abaixo de 13,5 h). Similarmente, as linhas TGMSmostram completa esterilidade do pólen quando oRevista de Ciências Agroveterinárias, Lages, v.7, n.1, 2008 65

Coimbra et al.máximo da temperatura do dia é superior a 27-29ºCe fertilidade parcial quando a temperatura máxima dodia está abaixo de 27 – 29ºC; esta temperatura críticatem variado bastante em virtude da origem genéticadestes genes TGMS (LU et al. 1992). Por exemplo,a linha TGMS IVA, desenvolvida na China, mostraesterilidade com temperatura abaixo de 24ºC efertilidade do pólen com temperatura acima de 27ºC.Zhang et al (1992) observaram que a alteração dafertilidade em algumas linhas PGMAs são reguladastanto pelo comprimento do dia quanto pelatemperatura. O estágio termosensível crítico paraalteração da fertilidade nas linhas TGMS foi de 22 a26 dias antes da maturação (MARUYAMA et al.1991) e 6-15 dias depois da iniciação da formaçãoda panícula (BORKAKATI e VIRMANI, 1993). Atémesmo 1 hora de alta temperatura durante o estágiocrítico pode influenciar a fertilidade do pólen e assimafetar a fertilidade da semente (pureza da semente).Para ambos, PGMS (WANG et al., 1991) e TGMS(BORKAKATI e VIRMANI, 1993), um único generecessivo controla a expressão dos caracteres. GenesTGMS foram designados por Sun et al. (1989) eMaruyama et al. (1991) como tms 1e tms 2,respectivamente.Os melhoristas chineses descobriram umpadrão para ser utilizado no melhoramento de arrozhíbrido de duas linhas (T(P)GMS). Além da altahabilidade de combinação, alto potencial defecundação cruzada uma alta resistência a insetos epragas, há um sistema de fertilidade baseado nascondições de temperatura e fotoperíodo listado aseguir: (1) pelo menos 1000 plantas devem sertestadas e a proporção da esterilidade deve ser 100%;(2) esterilidade do pólen ou das plantas deve ser nomínimo não menor que 99,5%; (3) percentagem depega (seed set) deve ser maior do que 30% durantea indução de fertilidade; (4) a temperatura crítica parainduzir a esterilidade deve ser 23ºC, ou abaixo paraPGMS, e 23,5ºC para TGMS; (5) as linhas devemter claramente definidas as condições de alteraçõesda fertilidade, no período contínuo para induçãocompleta da esterilidade deve durar pelo menos 30dias por ano (LU et al, 1992). Várias linhas T(P)GMSestão sendo melhoradas na China, Japão e pelo IRRIpara desenvolvimento de arroz híbrido no sistema duaslinhas. Este sistema tem dado um alto efeito heteróticonos híbridos comparado com o sistema de três linhas,principalmente porque há uma menor restrição daescolha dos pais (LI e YUAN, 2000); por exemplo.Virmani (1996) comenta que foram testados em doisanos agrícolas (1993 e 1994) 209 e 246 cruzamentostotais para os sistemas de três-linhas e duas-linhas,respectivamente; sendo que o sistema de duas linhassuperou, independentemente do ano, o sistema de trêslinhas em número de cruzamentos heteróticos.Esterilidade masculina funcional – caso especial,onde as plantas produzem quantidades normais depólen, viável, no entanto, ocorre uma deficiência nomecanismo de abertura das anteras, não havendo aliberação do pólen. Tal sistema pode, assim como amacho-esterilidade genética causada pelo ambiente,ser aplicado à produção de híbridos, apesar de havercertas limitações, como por exemplo, a aplicação aum número restrito de plantas, a não deiscênciasensível a variações ambientais (em tomate,dependendo das condições ambientais de umidade,mais de 50% da autofertilização pode ocorrer naslinhas masculinas), estigma oculto (impedindo apolinização cruzada), entre outras.CONSEQUÊNCIAS PARA OMELHORAMENTOO desenvolvimento de híbridos de arrozdepende de um método de esterilização do pólen quenão altere a fertilidade do gameta feminino (célulaovo).A macho-esterilidade genética e a machoesterilidadecitoplasmática são mecanismos estudadose usados para a produção de sementes híbridas,porém a utilização de emasculação e polinizaçãomanual em larga escala na produção de híbridos aindapredomina (SHIFRISS, 1995). Para Coimbra et al.(2006), a produção comercial de semente híbrida (F1)pela emasculação manual é impraticável em arroz.Ainda, segundo os autores, o descobrimento, autilização das linhas que expressam a machoesterilidadecitoplasmática, genética ou Mendeliana emacho-esterilidade não herdável (resultante de agentesquímicos ou físicos denominados de gameticidas) éfundamental para a exploração da heterose da culturade arroz em nível comercial.Nos anos 60, foi identificada uma planta dearroz Oryza sativa L.f. spontanea com o citoplasmamacho-estéril, denominado de wild abortive66 Revista de Ciências Agroveterinárias, Lages, v.7, n.1, 2008

Coimbra et al.cytoplasm–wa. A estratégia empregada peloInternational Rice Research Institute - IRRI, nasFilipinas, basea-se no sistema de três linhas: linhamacho-estéril (A), com o citoplasma estéril; linhamantenedora (B), quase isogênica a linha A, porémcom o citoplasma fértil, usada para multiplicar a linhaA; e finalmente, a linha restauradora (R), utilizada parapolinizar as linhas A, produzindo assim, o híbrido F 1comercial fértil.De acordo com Bragantini et al. (2001) aprodução de híbridos em arroz requer a participaçãode um sistema genético-citoplasmático de machoesterilidadecomposto por três linhagens: uma, machoestéril(linhagem A); uma, macho-fértil e comcapacidade de manutenção da esterilidade da linhagemA, e que deve ser o mais semelhante possível àlinhagem A, que é conhecida como linhagem B; eoutra, também macho-fértil, mas com capacidade derestauração da fertilidade da linhagem A (linhagem R).A combinação das duas primeiras linhagens (A e B)produz sementes que originam plantas macho-estéreis(sementes da linhagem A), e o cruzamento entre aslinhagens A e R produz as sementes híbridas, queoriginam plantas férteis.Apesar da ampla utilização desta tecnologiade híbridos de arroz em outros países, no Brasil estatécnica tem sido usada apenas recentemente, há cercade apenas 15 anos. Alguns testes em arroz híbridostêm mostrado rendimento de grãos acima de 9.000kg ha -1 , com heterose de até 40% acima da médiados pais aliadas a densidade reduzida de semeaduraé outro fator relevante; enquanto as variedadesconvencionais são semeadas com 150 kg ha -1 emmédia para os híbridos são utilizados apenas 40 kgha -1 . Porém, como em toda introdução de plantas,existem problemas como, por exemplo: ciclo tardio(genitores provindos da China não adaptados àscondições de cultivo local), alto índice de debulha,pericarpo vermelho, alto grau de esterilidade, aroma,baixa teor de amilose no grão e, principalmente asqualidades agronômicas da linha A (macho-estéril),por exemplo, baixa qualidade de grão, de modo geral,baixa teor de amilose, baixa produtividade, colmosfracos (acamamento), adaptabilidade e estabilidadede produção, o que não somente onera a produçãode sementes híbridas, mas inibe também sua adoçãopelos agricultores.Uma maneira prática para começar acontornar estas dificuldades seria primeiramentecaracterizar (em linhas restauradoras oumantenedoras) algumas variedades convencionais eadaptadas à nossa região, a fim de conseguiridentificar uma linha B adaptada e com boa qualidadede grão, o que possibilitaria, através de poucosretrocruzamentos, obter uma linha A com qualidadesagronômicas realmente superiores para as nossascondições.A possibilidade de associar o método deretrocruzamento com a utilização de marcadoresmoleculares torna essa possibilidade ainda maisplausível. Alguns trabalhos têm estudado talpossibilidade. Alcochete (2005) selecionoumarcadores microssatélites, para mapear as regiõesgenômicas associadas ao controle genético de machoesterilidadetermossensível (TGMS) em arroz. Emseus estudos, uma população F2, derivada docruzamento entre linhagens indica fértil e TGMS, foiusada para construir um mapa genético de arroz,baseado em marcadores microssatélites. Em suasconclusões, os dados fenotípicos e genotípicospermitiram a identificação de três novos locoscontroladores de caracteres quantitativos (QTL) paraa macho-esterilidade gênica termossensível em arrozindica. De acordo com os mesmos autores, acompreensão do controle genético de machoesterilidadetermossensível (TGMS) em arroz, éimportante para o desenvolvimento de sementeshíbridas sustentáveis para a indústria.Contudo, no Brasil o conhecimento é limitadosobre a tecnologia de exploração da heterose emplantas de arroz (autógama). Esta tecnologia inovadorade produção de arroz híbrido comercial (F 1) estácomeçando a ser explorada comedidamente no Brasil,apesar do seu grande potencial de desenvolvimentoe ampla utilização em outros países.CONSEQUÊNCIAS PARA O SISTEMA DEPRODUÇÃOa) Melhoramento para o sistema de três linhas:o melhoramento genético para o sistema de três-linhaspode ser dividido em duas fases: desenvolvimento dalinha R e avaliação da heterose.Este procedimento de melhoramento éRevista de Ciências Agroveterinárias, Lages, v.7, n.1, 2008 67

Coimbra et al.flexível, e alguns passos rotineiros podem ser omitidosou repetidos, dependendo do desempenho das linhasgenitoras ou dos híbridos F 1(LI e YUAN, 2000). Deacordo com os mesmos autores, o desenvolvimentodas linhas genitoras envolve alguns passos: (1) blocode cruzamento - este bloco de cruzamento pode serutilizado como uma fonte de “genes úteis” para osistema de três linhas. Todo germoplasma, exceto A,B e R, podem ser cultivados na quantia de 10 a 20plantas por parcela. As linhas A e B devem sercultivadas isoladamente com o intuito de evitarcontaminação por pólen estranho; (2) testcross – estepasso é realizado fundamentalmente para determinara fertilidade do híbrido F 1e para fazer umaclassificação das linhas testadas em R e B, podendoser utilizadas de 10 a 20 plantas em uma fileira paracada testcross, com a cultivar padrão intercaladascom os híbridos. Se o híbrido F 1testado for machoestéril,ele pode ser utilizado para o desenvolvimentode uma linha A por sucessivos retrocruzamentos.Quando o F 1mostrar fertilidade normal e bomdesempenho de modo geral sobre os principaiscaracteres de importância agronômica, o genitorutilizado como genitor masculino pode ser utilizadopara desenvolver uma nova linha R re-testcross. Oscruzamentos testados que revelarem baixa capacidadede restauração ou baixa habilidade em manter aesterilidade deve ter sua respectiva linha R eliminada;(3) re-testcross – este passo é realizado paraconfirmar a habilidade de restauração e avaliarpreliminarmente à heterose. Mais de 100 plantasdevem ser desenvolvidas e comparadas com o híbridoou com o cultivar principal da região; (4)retrocruzamentos – o objetivo principal é desenvolvernovas linhas A incorporando o citoplasma machoestéril,por exemplo, WA e também desenvolver novaslinhas B. Ainda, tem como objetivo alcançar umamacho-esterilidade estável e uma alta uniformidadede caracteres agronômicos numa população de 1000plantas, quando isto é alcançado, a linha macho-estérile a sua linha B correspondente estão prontas paraavaliação comercial.O desenvolvimento de novas linhas A e B éimportante para o êxito do sistema de três linhas, vistoque além do rendimento de grãos e qualidade dohíbrido F 1, estas linhas afetam diretamente orendimento de grãos do híbrido comercial. A linha Bé uma linha isogênica da linha A, porém com umadiferença fundamental, isto é, o citoplasma é fértil paralinha B e estéril para linha A. Caracteres com altacapacidade de combinação, características comofreqüência de alogamia e qualidade de grão tambémsão metas do melhoramento para desenvolvimentode linhas B superiores (YUAN e VIRMANI, 1988).A macho-esterilidade em arroz pode serobservada através da esterilidade do pólen,indeiscência das anteras, antera abortiva entre outras(RUTGER e SHINJYO, 1980). Constantesobservações que expressam o nível de machoesterilidadesão fundamentais tanto para omelhoramento de arroz híbrido, quanto para aprodução de sementes híbridas. A macho-esterilidadesomente pode ser observada depois do florescimentopor três métodos descritos por (YUAN et al. 1985);(1) inspeção visual – para as linhas macho-estéreisdo tipo esporofítica, uma observação lógica, porémbastante eficiente, a panícula principal ficaaproximadamente 1/3 dentro do cartucho, formadopela folha bandeira. Durante a antese, a cor das anteraspode ser visualizada para determinar a perfeita machoesterilidade.Anteras amareladas e bem formadasindicam fertilidade; (2) ensacando a panícula – a maisprecisa estimativa da macho-esterilidade: ensaca-sea panícula antes do florescimento, masfundamentalmente antes de qualquer deiscência dasanteras; (3) observação microscópica – anteras devemser amostradas de diferentes partes da panícula,utilizando uma solução de iodeto de potássio (I-KI)podendo-se detectar a macho-esterilidade sob a luzdo microscópio. A macho-fertilidade do pólen (bemmanchado, cor escura) não pode exceder 1% paraas linhas macho-estéreis do tipo esporofítica.Melhoramento para as linhas A e B – existem váriosmétodos de melhoramento para as linhas A e B, porémaqui serão discutidos alguns métodos mais relevantes.(1) substituição nuclear – tem sido realizada combastante sucesso no desenvolvimento de linhas machoestéreisestáveis de uma planta ancestral macho-estéril,embora seja difícil em alguns casos a identificação delinhas mantenedoras com um valor agronômicocomprovado. Para a maioria dos cruzamentosselvagem-cultivar, indica-japonica, indica-indica ejaponica-japonica, as linhas do genitor utilizadocomo pai são periodicamente retrocruzadas por várias68 Revista de Ciências Agroveterinárias, Lages, v.7, n.1, 2008

Coimbra et al.gerações até não haver segregação para a machoesterilidade,e alguns caracteres indesejáveis nãoaparecerem na progênie. Macho-esterilidade pode serdifícil de ser estabilizada para alguns casos em algumaslinhas genitoras masculinas; quando isto ocorrer, podeser selecionado um cultivar novo de arroz como alinha parental recorrente; (2) cruzamentosinterespecíficos – uma linha macho-estéril estável podeser desenvolvida por cruzamentos e porretrocruzamentos, como por exemplo, Oryzaglaberrima utilizada como fêmea e Oryza sativa L.como macho. Sano (1985) relatou que caso fosserealizado o cruzamento de O. sativa (citoplasma) xO. glaberrima (núcleo), a progênie deste cruzamentonão fixa a semente, embora o teste com a solução deI-KI mancha o grão de pólen normalmente; (3)cruzamentos entre espécies selvagens e cultivares dearroz – Li e Yuan (2000) comentam que pode sermais fácil desenvolver linha macho-estéril através docruzamento entre espécies selvagens e cultivares; aprimeira e mais importante linha com citoplasma dotipo WA ’Er-Jiu-Nam 1 A’ foi desenvolvida atravésde quatro retrocruzamentos; (4) melhoramento eidentificação de novas linhas mantenedoras – muitoscultivares de arroz com qualidades agronômicascomprovadas não mostram capacidade para mantera esterilidade. Este processo é fundamental tanto parao desenvolvimento de novas linhas B quanto para asustentabilidade do sistema de três linhas. Para criaruma nova linha mantenedora Li et al. (1982) comentamque devem ser respeitados alguns passos fundamentais(Figura 1).b) Melhoramento para o sistema de duas-linhas:por simplificar o processo de produção de sementeshíbridas de arroz, o sistema de duas-linhas vemganhando cada vez mais espaço, mas o fato quepreocupa bastante os pesquisadores é quanto a umapossível quebra do citoplasma em virtude de algumtipo de estresse tanto abiótico quanto biótico, sendoque 95% de todos os híbridos de arroz utilizadosatualmente possuem o citoplasma do tipo WA.Considerações gerais:Vantagens: Li e Yuan (2000) citam algumas vantagense desvantagens deste tipo de sistema para produzirsemente de arroz híbrido: (1) simplicidade eefetividade – não há necessidade da linha B paramultiplicação de sementes híbridas (AxB), sendo queesta linha é fundamental para o sistema de três linhas.Deste modo, a multiplicação das linhas T(P)GMS sãomais simples, pois não requer o sincronismo entre aslinhas A e B, tornando-se assim um processo menosoneroso e mais rápido. Na China, o rendimento médiodas linhas T(P)GMS é de 3 a 5 t ha -1 , comparadascom o sistema de três-linhas que é de 2 t ha -1 para amultiplicação da linha A. Além disso, os genesnucleares da macho-esterilidade do sistemaT(P)GMS são mais facilmente transferidos do quegenes da macho-esterilidade genética citoplasmática,pois aqueles não são afetados pelos genes docitoplasma; (2) a não restrição de genes restauradores– no sistema de três- linhas, o híbrido F 1entre a linhasA e R freqüentemente mostram vários níveis derestauração (fertilidade) ou macho- esterilidade entre30-50% de “pega”. Somente uma pequenapercentagem de cultivares de arroz são completamenterestauradores. Portanto, o potencial dedesenvolvimento de híbridos de arroz superiores nosistema de três linhas é limitado. Pelo contrário, amacho-esterilidade das linhas T(P)GMS éessencialmente controlada por genes nuclearesrecessivos, assim o F 1entre linhas T(P)GMS ecultivares de mesma subespécie mostram fertilidadenormal. A macho esterilidade de ‘W6154’ e ‘An-Nong s-1’ pode ser restaurada normalmente por97,6% a 99,3% dos cultivares indica,respectivamente, e a cultivar ‘Nong-Ken 58s’ podeser restaurada por mais de 96,6% dos cultivaresjaponicas (VIRMANI, 1996). Sendo assim, opotencial para desenvolvimento de arroz híbridos nestesistema é significativo; (3) fácil utilização da heteroseem diferentes grupos indica-japonica – este sistemafavorece a incorporação de genes de amplacompatibilidade nas linhas T(P)GMS,comparativamente, a linha A; (4) efeitos negativos damacho- esterilidade genética citoplasmática – o platôdo rendimento de grãos pode ser rompido em virtudeda ausência do efeito negativo do macho-esterilidadecitoplasmática do sistema de três linhas (WANG eTANG, 1990; YOUNG e VIRMANI, 1990).Desvantagens – a dependência da machoesterilidadesob determinadas temperaturasespecíficas é atualmente motivo de preocupação paraRevista de Ciências Agroveterinárias, Lages, v.7, n.1, 2008 69

Coimbra et al.C ru zam en toLi nh a B (N ff) x No va lin ha (S FF o u N FF )R et roc ru zam en toF 1 (N Ff) x N L (SFF o u N FF)A ut ofecu n daçãoRC 1F1 (N FF, N Ff)T est -c rossSff x NFF Sff x N Ff Sff x N ffSFf - f érti l Sff – es t éri l SFf – férti l Sff – es téri lse gre ga çã oR etrocr uzamentoN ff x S FF (N FF)R etrocr uzamentoN Ff x SFF (N FF )N FF, N F fA ut ofecu n daçãoTe st-crossSff x NFF S ff x N Ff Sff x N ffSF f – férti lSff - es téri lSF f – fért ilSff – es téri ls egreg açãoA l in ha m ant ened ora da n ov a l in haFigura 1 -Procedimento alternativo para o melhoramento de uma linha mantenedora em arroz (LI et al.1982). Onde: (S) citoplasma estéril; (N) citoplasma fértil; (f) genes nucleares que não restauram afertilidade; (F) genes do núcleo que restauram a fertilidade.70 Revista de Ciências Agroveterinárias, Lages, v.7, n.1, 2008

Coimbra et al.CONCLUSÕESA perspectiva atual é o crescimento nautilização de citoplasmas macho-estéreis nomelhoramento genético de plantas como umaalternativa para o incremento do vigor híbrido. Novastecnologias vêm sendo amplamente pesquisadas ediscutidas, como a introdução de genes através detécnicas biotecnológicas. O sistema duas linhas não épromissor em relação ao antecessor três linhas,exclusivamente para o Brasil, em virtude de que oBrasil não possui nenhuma região onde a temperaturae o comprimento do dia seja tão constante que nãooscile, quesito fundamental para o desenvolvimentodesta tecnologia.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICASAHOKAS, H.; HOCKETT, E. A. Male sterilemutants of barley. IV. Different fertility levels of msggci(ev Vantage) an ecoclinal response. Barley Genet,Newsl, v.7, p.10-11, 1977.ALCOCHETE, A.A.N. Diversidade genética emapeamento de QTLs do sistema gênico demacho-esterilidade termossensível (TGMs) dogenoma de arroz (Oryza sativa L.). 2005. 157p.(Doutorado em Biologia Molecular) – curso de Pósgraduaçãoem Ciências Biológicas, Universidade deBrasília, Brasília.BARABÁS, Z. Observation of sex-differentiation insorghum bu use of induced male sterile mutants.Nature, v.195, p. 257-259, 1962.BASHAW, E.C. Apomixis and its applications in cropimprovement. In: FEHR, W. R.; HADLEY, H.H (ed.)Hybridization of crop plants. Wisconsin : AmericanSociety of Agronomy, 1980. p. 45-63.BHARAJ, T.S. et al. Chromosomal location of fertilityrestoring genes for ‘Wild abortive’ cytoplasmic malesterility using primary trisomics in rice. Euphytica,Netherlands, v. 83, p. 169-173, 1995.BORKAKATI, R.; VIRMANI, S.S. Inheritance of athermo-sensitive genic male sterile mutant of indicarice. Rice Genetics Newsletter, Manila, v. 10, p.92-94, 1993.BRAGANTINI, C.; GUIMARÃES, E.P.; CUTRIM,V.A. Produção de sementes macho-estéreis em arroz.Pesquisa Agropecuária Brasileira, Brasília, v. 36,n. 2, p. 273-277, 2001.COIMBRA, J.L.M. et al. Heterose em arroz híbrido.Revista Brasileira de Agrociência, v.12, n.3,p.257-264, 2006.DALL’AGNOL, M.; SCHIFINO-WITTMANN,M. Apomixia, genética e melhoramento de plantas.Revista Brasileira de Agrociência, v.11, n.2,p.127-133, 2005.DONG, N.V. et al. Molecular mapping of a rice geneconditioning thermosensitive genic male sterility usingAFLP, RFLP and SSR techniques. TheoreticalApplied Genetics , v.100, p.727-734, 2000.FAO – Food and Agriculture Foundation. DatabaseStatistics. Disponível em: .Acesso em :18 set. 2007.GOVINDA, R.K.; VIRMANI, S.S. Genetics offertility restoration of wa type cytoplasmic male sterilityin rice. Crop Science, Madison, v. 28, p. 787-792,1988.KAUL, M. L. H. Male sterility in higher plants.Springer-Verlag, Berlin and Heidelberg, 1988.KU, S.J. et al. Cytological observation of twoenvironmental genic male-sterile lines of rice.Molecular cells, v.12, n.3, p.403-406, 2001.KUMARI, S. L.; MAHADEVAPPA, M.;KULKARNI, R.S. Fertílity restoration studies in fourWA CMS lines of rice. International RiceResearch Institute, Manilla, v. 1, p. 9, 1998.LASER, K. D.; LERSTERN, N.R. Anatomy andcytology of microsporogenesis in cytoplasmatic malesterile angiosperms. Botonical Reviews, v.38, p.425-454, 1972.LI, J.; YUAN, L. Hybrid rice: breeding, and seedproduction. Plant Breeding Reviews, Canada, v.17, p. 15-158, 2000.LI, Z. B. et al. Study and practice of hybrid rice.Shanghai Science Technology Press, China, 1982.LIN, S.C.; YUAN, L.P. Hybrid rice breeding in China.In: Innovative Approaches to rice breeding. , Manilla: International Rice Research Intitute, 1980. p.35-51.LU, X. G. et al. Current status of two-line method ofhybrid rice breeding. In: HYBRID Rice Technology:new developments and future prospects. Manila :IRRI, 1992. p.37-50.MARTIN, J. A.; CRAWFORD, J.H. Several typesof sterility in Capsicum frutesceus. Proc. Am. Soe.72 Revista de Ciências Agroveterinárias, Lages, v.7, n.1, 2008

Coimbra et al.napus during flowering reduces micro- andmegagametophyte fertility, induces fruit abortion, anddisrupts seed production. Journal of ExperimentalBotany, v.55, n.396, p.485-495, 2004.YUAN, L. P.; VIRMANI, S. S. Status of hybrid ricerescarch and development. In: Hybrid Rice(Proceedings of the International Symposium ofHybrid Rice, October 6-10, 1986, Changsha, Hunan,China. p. 7-24. 1988.YUAN, L. P. VIRMANI, S. S. Wei You 64 – Anearly duration hybrid for China. IRRI, Manila, v. 10,n. 5, p. 11-12, 1985.YUAN, L.P.; VIRMANI, S.S.; KHUSH, G.S. Anearly duration hybrid for China. International RiceResearch Newsletter, Manilla, v. 10, n. 5, p. 11-12,1985.ZHANG, Z. G. et al. Studies on the model ofphotothermo reaction of fertility alteration in photosensitivegenic male sterile rice. Journal HuazhongAgriculture Universal, China, v. 11, n. 1, p. 1-6,1992.ZHAO, S. X. How to fix heterosis? Genetics andBreed, v.3, p. 21-22, 1977.ZHOU, K. Breeding of CMS lines in indica hybridrice. Hybrid Rice Journal, Japan, v. 3, n. 4, p. 22-26, 1994.ZHOU, K.D. et al. A comparisons of classification ofcultivated rice. Chinese Journal Rice Science,China, v. 1, p. 1-7, 1988.ZHU, Y. G. Studies on male sterile lines of rice withdifferent cytoplasms. Acta Agronomy Sinica, China,v. 4, p. 29-38, 1979.74 Revista de Ciências Agroveterinárias, Lages, v.7, n.1, 2008