Elephantgrass breeding focused on persistence and discover candidate genes

Abstract

Due to environmental issues the world has been concerned with developing hazard mitigation plans. In the context of alternative energies, the biomass is studied from several candidate species (dedicated energy crops). Elephantgrass has been a notable option as a multi-purpose crop, e.g. bio-based products, co-products and biofuels, besides being used for animal feeding, this is mainly due to high photosynthetic efficiency, high biomass production, longevity, rapid growth, broad adaptation, desirable chemical properties and persistence. Regardless breeding efforts are imperative to contribute to Brazilian energetic matrix and animal production. To the best of our knowledge, in the bioenergy context, there are private companies that already installed in Brazil to use elephantgrass biomass to generate electricity (by the combustion of biomass) with installed capacity sufficient to supply a city with 200 thousand inhabitants of energy demand. While in the animal feeding context, it has been reported that the biomass digestibility can impact the animal performance since a small increase in dry matter digestibility (1%) can increase the daily weight gains in 3.2% for beef cattle. The first chapter (Genetic insights into elephantgrass persistence for bioenergy purpose) focused on assessing the biomass yield persistence for bioenergy purpose of 100 elephantgrass clones measured in six growth seasons in Brazil. To assess the clones' persistence, an index based on random regression models and genotype-ideotype distance was proposed. Results suggested the existence of wide genetic variability between elephantgrass clones, and that the yield trajectories along the harvests generate genetic insights into elephantgrass clones’ persistence and G x E interaction. A gene pool that acts over the biomass yield (regardless of the harvest) was detected, as well as other gene pools, which show differences on genes expression (these genes are the major responsible for clones’ persistence).It is noteworthy that the methodology used (random regression models) is adequate to achieve the aim of the work, as well as it can be applied with advantages in the study of the adaptability and stability of any crop when compared with the methodologies until now used. The second chapter (Discovering candidate genes underlying biomass digestibility in elephantgrass) brings information about the first trait-marker association study reported for the elephantgrass. It was compared the single-step genome-based best linear unbiased prediction (ssGBLUP - including the genomic relationship) and the simple repeatability plus genotypes by cuttings interaction models. It was verified that genomic information allowed increases the accuracy for biomass quality traits on elephantgrass, even with a small number of markers. We found two SSR markers associated to biomass digestibility and several candidate genes that have functions involved in biosynthesis of cell wall molecules. These markers are relevant and their use can be crucial to accelerate the elephantgrass genetic breeding. In this sense, identify candidate genes that can be used through marker-assisted selection can help to develop selection procedures that optimize elephant grass breeding for different uses.

Devido a questões ambientais, o mundo tem se preocupado em desenvolver planos de mitigação de riscos. No contexto de energias alternativas, a biomassa é estudada a partir de várias espécies candidatas (cultivos energéticos dedicados). O capim-elefante tem sido uma opção notável como cultura para múltiplos usos, isto é, produtos de base biológica, co-produtos e biocombustíveis, além de ser utilizado na alimentação animal. Isto se deve principalmente a alta eficiência fotossintética, alta produção de biomassa, longevidade, rápido crescimento, ampla adaptação, propriedades químicas desejáveis e persistência. Não obstante, esforços de melhoramento são necessários para contribuir com a diversificação da matriz energética brasileira e para a produção animal. Para um melhor entendimento, no contexto bioenergético, existem empresas privadas que se instalaram no Brasil para utilizar a biomassa do capim-elefante para gerar eletricidade (por combustão da biomassa) com capacidade instalada suficiente para suprir a demanda de energética de uma cidade com 200 mil habitantes. Enquanto no contexto da alimentação animal, tem sido relatado que a digestibilidade da biomassa pode impactar no desempenho animal, uma vez que um pequeno aumento na digestibilidade da matéria seca (1%) pode aumentar os ganhos de peso diários para bovinos de corte em 3,2%. O primeiro capítulo (Compreensões genéticas da persistência do capim-elefante para fins de bioenergéticos) teve como foco a avaliação da persistência de 100 clones de capim- elefante para fins bioenergéticos, medidos em seis safras, no Brasil. Para avaliar a persistência dos clones, foi proposto um índice baseado em modelos de regressão aleatória e na distância genótipo-ideótipo. Os resultados sugeriram a existência de ampla variabilidade genética entre os clones de capim-elefante, e que as trajetórias de produtividade ao longo das colheitas geram compreensões genéticas sobre a persistência dos clones de capim-elefante e sobre a interação GxE. Um pool genético que atua sobre a produção de biomassa (independentemente da colheita) foi detectado, assim como outro pool gênico, que mostrou expressão diferencial de genes (estes genes são os principais responsáveis pela persistência dos clones). Vale ressaltar que a metodologia utilizada (modelos de regressão aleatória) é adequada para se alcançar o objetivo do trabalho, bem como pode ser aplicada com vantagens no estudo da adaptabilidade e estabilidade de qualquer cultura, quando comparados com as metodologias até agora utilizadas. O segundo capítulo (Descobrindo genes candidatos relacionados à digestibilidade da biomassa em capim-elefante) traz informações sobre o primeiro estudo de associação marcador-característica relatado para o capim-elefante. Foram comparados os modelos single-step genome-based best linear unbiased prediction (ssGBLUP - incluindo o ralacionamento genômico) e o modelo de repetibilidade simples adicionado da interação genótipos por cortes. Verificou-se que a informação genômica possibilitou acréscimos na acurácia das características de qualidade da biomassa no capim-elefante, mesmo com um pequeno número de marcadores. Foram encontrados dois marcadores SSR (single sequence repeats) associados à digestibilidade da biomassa e vários genes candidatos que possuem funções envolvidas na biossíntese de moléculas da parede celular. Esses marcadores são relevantes e seu uso pode ser crucial para acelerar o melhoramento genético do capim-elefante. Nesse sentido, identificar genes candidatos que podem ser utilizados por meio da seleção assistida por marcadores podem ajudar a desenvolver procedimentos de seleção que otimizem o melhoramento do capim-elefante para diferentes usos.