Identificação de marcadores e caracterização de mecanismos moleculares associados à resistência à ferrugem da folha em trigo

Abstract

A ferrugem da folha é a doença que causa maiores prejuízos à triticultura. A resistência genética é comprovadamente o método mais eficiente e econômico de controle. Em trigo, a resistência à ferrugem da folha pode ser específica à raça e não específica à raça. Atualmente a melhor estratégia para manter uma proteção efetiva contra a ferrugem da folha consiste em empregar combinações de genes, independente do tipo de resistência que conferem. A piramidização de genes é facilitada com o uso de marcadores moleculares. Os mecanismos moleculares de resistência dos genes que conferem resistência específica à raça têm sido amplamente estudados, no entanto da resistência não específica à raça pouco se sabe. Assim, este projeto teve como objetivos: I) validar marcadores moleculares para seleção assistida para a resistência à ferrugem da folha em genótipos brasileiros de trigo; II) identificar marcadores moleculares potencialmente associados a genes de resistência não específica à raça à ferrugem da folha; III) identificar e caracterizar análogos a genes de resistência em trigo;IV) caracterizar mecanismos moleculares da resistência não específica à raça a ferrugem da folha em trigo. Para a validação foram avaliados cinco marcadores PCR-específcos associados aos genes Lr1, Lr9, Lr10 e Lr24. Os marcadores associados aos genes Lr9, Lr10 e Lr24 apresentaram potencial para uso na seleção assistida, pois foram específicos para plantas contendo estes genes. Para a identificação de RGAs foram utilizadas três combinações de primers degenerados. A maioria das seqüências apresentou os motivos comuns a genes de resistência. Uma seqüência apresentou alta homologia com genes de resistência previamente identificados. Os primers derivados das seqüências identificadas apresentaram alto polimorfismo, sendo que um destes mostrou-se associado ao gene Lr26 e a resistência de planta adulta à ferrugem da folha. A combinação da técnica de AFLP com linhagens diferenciais contrastantes para os genes Lr13 e Lr34 permitiu identificar duas seqüências potencialmente associadas ao gene Lr34. O uso da SSH permitiu identificar genes diferencialmente expressos na resistência não específica à raça à ferrugem da folha no cultivar Toropi. Dentre as seqüências identificadas estão genes codificadores de proteínas de membranas potencialmente associados à percepção do patógeno e genes com domínios característicos de sinalizadores secundários para a resistência como NPR1, Rar1, Sgt1 e calmodulina. Além destas, foram identificados também seqüências com homologia a genes codificadores de enzimas chaves no controle de rotas de síntese de substâncias relacionadas à defesa e envolvidas no metabolismo primário, principalmente produção de energia. Os marcadores e seqüências obtidas e mecanismos elucidados neste trabalho representam ferramentas valiosas para a obtenção de cultivares de trigo com resistência ampla e durável à ferrugem da folha.

Leaf rust is one of the most important wheat diseases worldwide. The genetic resistance is the most efficient and economical method to leaf rust control. Host resistance to leaf rust can either be race-specific or no race-specific. The best strategy to maintain an effective protection against leaf rust consists in resistance gene combinations, independent of the resistance type. Marker-assisted selection greatly facilitates gene pyramidization. The molecular mechanisms of race-specific resistance genes have been well studied, however there is little known about the no race-specific resistance gene mechanisms. The objectives of this project were: I) to validate molecular markers for marker-assisted selection to leaf rust resistance genes in Brazilian wheat cultivars; II) to isolate and characterize resistance gene analogues (RGAs) in wheat; III) to identify molecular markers potentially associated to leaf rust no race-specific resistance genes; IV) to characterize molecular mechanisms from no race-specific resistance genes to leaf rust in wheat. Five PCR-specific markers previously identified as associated to the Lr1, Lr9, Lr10 and Lr24 genes were evaluated. The markers associated to the Lr9, Lr10 and Lr24 genes were specific to the cultivars carrying them in the Brazilian wheat cultivars, demonstrating potential for marker-assisted selection. Three degenerate primer combinations were used for the RGAs identification and most of the identified sequences showed the conserved motifs from resistance genes. One sequence showed high homology with previous identified plant resistance genes. The primers from identified sequences showed high polimorphism, and one of these is associated to the Lr26 leaf rust resistance gene and to the adult plant resistance present in cultivar BR35(?). The use of AFLP (amplified fragment length polymorphism) technique with near-isogenic lines carrying Lr13 and Lr34 genes from wheat cv. Thatcher allowed to identify two sequences potentially associated to the Lr34 gene. SSH were used to identify leaf rust induced genes from no race-specific resistance wheat cultivar Toropi. Among the identified sequences there are proteins of membranes for genes potentially associated to the pathogen perception and genes with secondary signals resistance domains as NPR1, Rar1, Sgt1 and calmodulin binding protein. Besides these, we identified sequences with homology to genes for key enzymes in the control of the related defense substances synthesis and involved in the primary metabolisms, mainly energy production. The markers and sequences obtained and the mechanisms elucidated in this work represent a valuable tool for the development of wheat cultivars with more reliable resistance to leaf rust.