Genetic stability in synthetic wheat accessions: cytogenetic evaluation as a support in breeding programs / Estabilidade genética em acessos de trigos sintéticos: avaliação citogenética como apoio em programas de melhoramento genético

ABSTRACT: Synthetic wheat is developed by crossing tetraploid species ( Triticum turgidum , AABB) with a diploid species ( Aegilops tauschii , DD), followed by chromosome duplication through the use of colchicine to restore the resultant sterile hybrid to a fertile hexaploid plant. The main importance of producing synthetically improved wheat is to increase their genetic variability and to incorporate genes that code for resistance to biotic and abiotic stressors. This study aimed to evaluate the presence of micronuclei (MN) and the meiotic index (MI) in the tetrad phase in synthetic wheat accessions and cultivars ( Triticum aestivum ) stored at the Germplasm Bank of Embrapa Trigo (Brazil), in order to identify and select genetically stable accessions for plant improvement. Five plants were collected by genotype, prior to anthesis, and the tissues were fixed in Carnoy solution. Cytological slides were prepared by the smash method, and the cells were dyed with 1% acetocarmine and observed under an optical microscope. Presence of MN was observed in all genotypes analyzed, and variability of genetic stability was reported in the two years of analysis. In 2014, the highest MI of synthetic wheat accessions was 96.86% and the lowest was 46.32%. In 2015, the highest MI was 96.60% and the lowest was 47.96%. Based on the results, some genotypes were considered meiotically stable and suitable for use in wheat breeding programs.

RESUMO: Trigos sintéticos são resultados do cruzamento entre uma espécie tetraploide ( Triticum turgidum, AABB) e uma espécie diploide ( Aegilops tauschii , DD) originando um híbrido estéril, seguido por duplicação cromossômica, por meio de colchicina, para restabelecer um trigo hexaploide fértil. A principal importância do uso de trigos sintéticos no melhoramento é que possibilitam aumentar a variabilidade genética, bem como introgredir genes de resistência a estresses bióticos e abióticos. O presente estudo teve como objetivo avaliar a presença de micronúcleos (MCN) e índice meiótico (IM) na fase de tétrades, em acessos de trigos sintéticos e cultivares testemunhas ( T. aestivum ), armazenadas no Banco de Germoplasma da Embrapa Trigo, a fim de selecionar os acessos estáveis geneticamente e disponibilizar ao melhoramento. Cinco plantas por genótipos, na fase anterior à antese, foram coletadas e fixadas em solução Carnoy. As lâminas citológicas foram preparadas pelo método de maceração e a coloração das células com carmim acético 1%. As observações foram em microscópio óptico. Observou-se a presença de micronúcleos em todos os genótipos analisados e foi encontrado variabilidade quanto à estabilidade genética nos dois anos de análises. Em 2014, o percentual máximo de IM dos acessos de trigos sintéticos foi de 96,86% e o mínimo de 46,32%. Em 2015, o percentual de IM máximo foi de 96,60% e o mínimo de 47,96%. Com base nos resultados, alguns genótipos foram considerados meioticamente estáveis e, poderão ser utilizados em programas de melhoramento genético de trigo.

Estabilidade genética em triticale estimada pela viabilidade polínica / Genetic stability in triticale estimated by pollen viability

O estudo visou inferir sobre a estabilidade genética, com base na viabilidade polínica, em genótipos de triticale hexaploide utilizados no bloco de cruzamentos do programa de melhoramento genético da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa Trigo). O experimento foi conduzido em delineamento inteiramente casualizado. Para cada genótipo, foram avaliadas cinco repetições e cada repetição foi constituída por uma planta. Analisaram-se, por meio de microscopia óptica e pela técnica de Squash com corante carmim acético 1%, 200 grãos de pólen por lâmina, totalizando 1.000 grãos de pólen por genótipo. As variáveis analisadas foram: grãos de pólen binucleados e trinucleados, com pouco amido, vazios, com mais de um poro e de tamanhos diferentes. Os dados obtidos foram submetidos à análise de variância e as médias comparadas pelo teste de Tukey a 1%. Houve diferença significativa entre todas as variáveis. A porcentagem de grãos de pólen binucleados e/ou trinucleados variou de 74 a 97%. Concluiu-se que 66% dos genótipos avaliados apresentaram viabilidade polínica acima de 90%, sendo indicados a continuar fazendo parte do programa de melhoramento genético de triticale, tanto na seleção de parentais como durante os cruzamentos e retrocruzamentos. Portanto, os estudos citogenéticos representam excelente ferramenta de apoio ao melhorista na escolha dos genótipos mais estáveis.(AU)

The study aimed to infer about the genetic stability from the pollen viability in hexaploid triticale genotypes used in block crossings breeding program from Brazilian Company of Agriculture Research (Embrapa Wheat). The experiments were conducted in a randomized design. For each genotype five repetitions were assessed. Each replication consisted of one plant and each replication consisted of one plant. Two hundred pollen grains were analyzed by optical microscopy and by the squash technique with 1% acetic carmine dye per slide, totalizing 1,000 pollen grains per genotype. The variables analyzed were: binucleate and trinucleate pollen grains, with little starch, empty, with more than one pore and with different sizes. The data were submitted to analysis of variance and compared by Tukey test at 1%. There were significant differences between all variables. The percentage of binucleate and/or trinucleate grains ranged from 74 to 97%. We conclude that 66% of genotypes present pollen viability above 90% and they are indicated to remain of the breeding program of triticale, both in the selection of parenting as during the crossing and backcrossing. Therefore, the cytogenetic studies represent excellent support tool for breeder in selecting the most stable genotypes.(AU)

Corantes comumente empregados na citogenética vegetal / Dyes usually employed in plant cytogenetics

O emprego dos corantes, na citogenética vegetal, data de muitos anos, uma vez que as pesquisas nas áreas da citologia e histologia vêm sendo desenvolvidas constantemente desde os primeiros estudos celulares no século XIX. Inicialmente, eram extraídos de fontes vegetais ou animais, sendo atualmente produzidos sinteticamente em escala comercial. Os corantes são classificados em não fluorescentes e fluorescentes, conforme suas propriedades químicas e a escolha de uso é de acordo com o tipo de estrutura celular ou grupo celular a ser analisado. A diversidade de tipos e compostos químicos existentes nos diferentes corantes proporciona sua aplicação em estudos avançados na citogenética clássica e molecular. Uma revisão de suas propriedades químicas e emprego é apresentada para os corantes não fluorescentes orceína, hematoxilina, Giemsa, carmin; e para os fluorescentes 4',6-diamidino-2-fenilindol (DAPI), cromomicina A (CMA), fluoresceína e rodamina.(AU)

The use of dyes in plant cytogenetics goes back many years, as research in the fields of cytology and histology has been constantly developed since the first cellular studies in the 19(th) century. Initially they were taken from plant or animal sources, and now they are produced synthetically on a commercial scale. These dyes are classified in fluorescent and non-fluorescent, according to their chemical properties and the choice of use is based on the type of cell structure or cell group to be analyzed. The diversity of types and chemical compounds available in different dyes provides their application in advanced and classical cytogenetics studies. A review of their chemical properties and use is presented for the non-fluorescent dyes orcein, hematoxylin, Giemsa, and carmine; and for the fluorescent dyes 4',6-diamidino-2-phenylindole (DAPI), chromomycin A (CMA), fluorescein, and rhodamine.(AU)

Translocações cromossômicas entre trigo e centeio: uma alternativa ao melhoramento / Chromosomes translocations between wheat and rye: an alternative to plant breeding

Translocações são rearranjos cromossômicos estruturais que envolvem segmentos cromossômicos de extensão variada pertencentes a cromossomos homólogos ou não homólogos. Tanto a ocorrência natural quanto a induzida de translocações tem possibilitado um avanço no melhoramento varietal, uma vez que esses segmentos translocados podem carregar genes de resistência a estresses bióticos e abióticos. O centeio é uma espécie da famíla Triticeae muito utilizada para transferência de genes para o trigo como, por exemplo, genes de resistência às ferrugens da folha e do colmo e também genes que favorecem o rendimento, tanto em quantidade como em qualidade de grãos. Assim, o objetivo deste artigo foi o de revisar as principais translocações envolvendo o trigo e o centeio, no qual se verificou, a partir dos dados analisados, que as translocações envolvendo os cromossomos 1 e 2 mostraram-se mais vantajosas para o rendimento de grãos em trigo e que as demais foram importantes, principalmente, na transferência de genes de resistência a estresses. Portanto, essa estratégia tem demonstrado efetividade na busca de novos genes que favorecem o cultivo de trigo e sua utilização vem crescendo grandemente nos últimos anos.

Translocations are structural chromosomal rearrangements which involve segments with different length belonging to homologous or non homologous chromosomes. Either natural or induced occurrence of translocations have been enabled an improvement in the plant breeding, when these translocated segments carry resistance genes to biotic and abiotic stress. Rye is a grass largely used to transfer genes to wheat such as resistance genes to leaf rust, stem rust and genes that support the wheat yield, either in grain quantity or in quality. Thus, the aim of this paper was to review the main translocations involving wheat and rye, which demonstrated, from the data analyzed, that translocations involving chromosomes 1 and 2 were more advantageous for grain yield in wheat and that the others were important, especially, in the transfer of resistance genes. Therefore, this strategy has demonstrated effectiveness on search for new genes that favor the cultivation of wheat and its use has grown greatly in recent years.

Desenvolvimento de populações duplo-haplóides de cevada cervejeira associadas à atividade das enzimas (1-3, 1-4)-β-glucanases / Development of doubled-haploids populations in malting barley associated to activity of enzymes (1-3, 1-4)-β-glucanases

Populações duplo-haplóides apresentam especial vantagem para análises genéticas, uma vez que a informação que elas oferecem pode ser maximizada, devido ao fato que todos os locos encontram-se em homozigose. O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de duas populações duplo-haplóides (DHs) de cevada (Hordeum vulgare ssp. vulgare L.) segregantes para a atividade das enzimas (1-3, 1-4)-β-glucanases, através da técnica de cultura de anteras. Foram realizados dois cruzamentos com cultivares contrastantes para esta característica. As cultivares parentais selecionadas foram 'MN 698' e 'CEV 97047', para o desenvolvimento da população "malte verde" (MV), e 'Embrapa 127' e 'CEV 96025' para o desenvolvimento da população "malte seco" (MS). Foram cultivadas 10.734 anteras da população MS e 4.139 anteras da população MV. A população MV produziu 50 por cento mais plântulas verdes quando comparada à população MS, refletindo a importância do genótipo na resposta à cultura de anteras e na regeneração. A maioria das plantas adultas duplo-haplóides foi obtida através da duplicação espontânea in vitro do genoma haplóide, ocorrendo em 66 por cento das plantas da população MS e 76 por cento das plantas da população MV. Também foram observadas, em menor frequência, plantas haplóides, triplóides e tetraplóides. Através da técnica de cultura de anteras, foram desenvolvidas 204 linhagens duplo-haplóides, das quais 72 linhagens são da população "malte seco" e 132 linhagens são da população "malte verde". Este material constitui um importante germoplasma para o melhoramento genético da cevada.

Doubled haploid populations offer special advantages in genetic analyses, since the information they provide may be maximized due to the fact that all loci are homozygous. The aim of this study was to develop two barley (Hordeum vulgare ssp.vulgare L.) doubled-haploid (DHs) populations segregating to (1-3, 1-4)-β-glucanases activity, utilizing the anther culture protocol. Two crosses were performed with contrasting cultivars to (1-3, 1-4)-β-glucanases activity. Parental cultivars used were 'MN 698' and 'CEV 97047' for the development of 'green malt' population (MV) and Embrapa 127 and 'CEV 96025' for the development of "dry malt" population (MS). For the MS and MV populations, 10,734 and 4,139 anthers were cultured, respectively. MV population produced 50 percent more green seedlings as compared to MS population, which reflects the importance of genotype to the culturing of anthers and to regeneration. Most doubled-haploid adult plants were obtained by in vitro spontaneous duplication of the haploid genome, which occurred in 66 percent of plants from the MS population and 76 percent of plants from the MV population. Haploid, triploid and tetraploid individuals were also observed, though at low frequencies. The anther culture protocol afforded to develop 204 double-haploid lineages, of which 72 were generated by the 'dry malt' population and 132 from the "green malt" population. This material should be considered as important germplasm for barley genetic improvement.

Viabilidade polínica como seleção assistida no programa de melhoramento genético de triticale / Pollen viability as assisted selection in the triticale genetic breeding program

Neste trabalho,objetivou-se analisar a viabilidade de grãos de pólen de 52 genótipos de triticale, oriundos do bloco de cruzamentos do programa de melhoramento genético da Embrapa Trigo do ano de 2005. A coleta das espigas foi realizada quando as plantas se encontravam na fase anterior à antese. As análises citológicas foram realizadas fixando as anteras de uma mesma espiga em fixador Carnoy. Para a análise polínica, as lâminas foram confeccionadas usando-se três anteras da mesma flor, oriundas das regiões basal, mediana e apical de uma espiga, totalizando nove lâminas por genótipo. Para cada lâmina, foram contados cerca de 200 grãos de pólen, classificando-os em duas categorias: 1) normais ou viáveis e 2) anormais. Os dados foram analisados e as médias comparadas pelo teste de Duncan 5 por cento. A análise de variância demonstrou haver diferenças significativas em relação à viabilidade polínica entre os 52 genótipos observados. A grande maioria dos genótipos apresentou viabilidade polínica superior a 90 por cento. A seleção assistida, via análise citológica de grãos de pólens, é potencialmente útil para um programa de melhoramento genético vegetal, uma vez que cruzamentos feitos entre plantas portadoras de pólens inviáveis resultarão em plantas estéreis e numa menor produção de grãos.

The objective of this study was to analyze the pollen grain viability of 52 triticale genotypes from the 2005 crossing block of the Embrapa Wheat breeding program. The spikes were collected prior to anthesis and cytological analyses were performed upon fixing the anthers from the basal, medium, and apical regions of the spike and replicated three times for each sample. For each slide, about 200 pollen grains were analyzed and they were classified into two different groups: 1) normal or viable and 2) non-viable or abnormal. The obtained data were analyzed and the means were compared by the Duncan test at 5 percent propability. The results of analysis of variance demonstrated that the differences among the genotypes were highly significant. However, most of the genotypes studied showed a high percentage of normal pollens. Cytological analysis of the pollen grain is potentially useful as assisted selection in a breeding program, especially to decrease the possibility of obtaining sterile plants or plants with less grain production.

Genotypic differences in proembryoid development and green plantlets regeneration through androgenesis in barley varieties / Diferenças genotípicas no desenvolvimento de pró-embrióides e regeneração de plântulas verdes via androgênese em genótipo de cevada

The development of in vitro haploid plants followed by spontaneous or induced genome duplication allows to achieve, in one generation, the recovery of total homozygosis. The efficiency of the haplodiploidization process through in vitro anther culture of barley is variable among genotypes. This study was aimed at determining the androgenetic response of nine barley genotypes from the breeding program of Embrapa Trigo, analysing proembryoid development and green plantlets regeneration in anthers cultivated in vitro. Cultivar 'BR2' presented the highest average of proembryoids (104/anther) and 'MN698' presented the highest average of green plantlets (0,41/anther). There was a significant variation among the average values of barley genotypes for embryo formation and green plantlets regeneration, making possible the selection to combine androgenetic capacity and good agronomic traits.

A obtenção, na cevada, de plantas haplóides in vitro e a posterior duplicação natural ou artificial do genoma permitem alcançar a homozigose completa, em uma geração. A eficiência da haplodiploidização pela cultura de anteras é variável entre os genótipos. Foi avaliada a resposta androgenética através da formação de pró-embrióides e da regeneração de plântulas verdes em nove cultivares do programa de melhoramento de cevada da Embrapa Trigo, em anteras cultivadas in vitro. A cultivar "BR2" apresentou maior média de pró-embrióides (104/antera), enquanto "MN698" mostrou a maior média de plântulas verdes (0,41/antera). Houve variação significativa entre os valores médios dos genótipos em relação à formação de pró-embrióides e à regeneração de plântulas verdes, indicando a possibilidade de seleção para combinar a capacidade androgenética com boas características agronômicas.

Genetic analysis of adult-plant resistance to leaf rust in a double haploid wheat (Triticum aestivum L. em Thell) population

A genetic analysis of adult plant resistance to leaf rust (Puccinia triticina) was performed in in vitro obtained double haploid progenies from a cross between the Brazilian wheat cultivar Trigo BR 35, which, under the high inoculum pressure of the southern region, has been resistant to leaf rust for more than 12 years, and the susceptible cultivar IAC 13-Lorena. Haplodiploidization via in vitro gimnogenesis was done by somatic elimination of the pollen donor genome after maize pollination of the F1 plants. The advantages and usefulness of double haploids (DH) for genetic analysis of complex inherited traits like durable adult-plant resistance to wheat leaf rust were evident: it was possible to analyze inheritance patterns in this cross by using only the 35 DH homozygous segregant lines obtained by in vitro embryo culture of F1 flowers pollinated by maize, this number being equivalent to 1,225 conventional F2 lines because of lack of heterozygosity. After being infected with MCG and LPG races, the results indicated that Trigo BR 35 has two resistance genes. One of the genes expressed resistance only after the intermediate stage of plant development (5-6 leaves).