Caracterização fenotípica e molecular de linhagens de sorgo sacarino visando produção de bioetanol

Abstract

Nos dias atuais, devido a elevada demanda por etanol, o cultivo de sorgo sacarino (Sorghum bicolor (L.) Moench) surge como uma importante alternativa para a produção de bioenergia. O sorgo sacarino é uma cultura que vem apresentando destaque no setor agroenergético, uma vez que o armazenamento de açúcares se localiza nos colmos, apresenta facilidade de mecanização, alto teor de açúcares diretamente fermentáveis contidos no colmo, elevada produção de biomassa e antecipação da colheita com relação à cana-de-açúcar. Para o melhor entendimento da variabilidade genética dessa cultura, o presente estudo foi desenvolvido com o objetivo de realizar a caracterização fenotípica e molecular de linhagens de sorgo sacarino, pois o estudo da diversidade de uma espécie é fundamental para a escolha de genótipos superiores a serem usados em programa de desenvolvimento de cultivares. Para a caracterização fenotípica e molecular das linhagens de sorgo sacarino, foram utilizados 100 materiais pertencentes ao programa de melhoramento genético da Embrapa Milho e Sorgo. Primeiramente, foi realizado um levantamento sobre a origem e identificação dos genitores das linhagens utilizadas. O estudo da diversidade foi realizado baseando-se em caracteres morfoagronômicos e agronômicos, e com base em dados de marcadores moleculares. A avaliação das características morfoagronômicas e agronômicas foram conduzidas na Embrapa Milho e Sorgo, em Sete Lagoas – MG, e a genotipagem dos materiais foi realizada no IGD (Institute for Genomic Diversity) da Universidade de Cornell, nos Estados Unidos. A caracterização morfoagronômica foi feita de acordo com o teste de Distinguibilidade, Homogeneidade e Estabilidade (DHE), avaliando-se 51 descritores. As avaliações agronômicas foram feitas a partir de um experimento em campo com delineamento em látice com três repetições, considerando as características mais relacionadas a produção de açúcares e biomassa. A caracterização molecular foi feita através da técnica de GBS (Genotyping by sequencing) que se baseia na redução da complexidade genômica com base em diferentes combinações de enzimas de restrição. As análises estatísticas dos dados agronômicos foram realizadas com base em modelos mistos, no qual os componentes de variância foram estimados via REML (Restricted Maximum Likelihood) e as médias BLUP (Best Linear Unbiased Prediction) foram obtidas para os materiais avaliados para cada característica fenotípica de interesse. As análises de diversidade foram realizadas para os dados morfoagronômicos, agronômicos e moleculares, a partir da obtenção de uma matriz de distâncias, formando-se agrupamentos das linhagens através do método Neighbor-Joining. Para a caracterização fenotípica, observou-se que os caracteres agronômicos apesar da grande importância, não foram muito informativos para o agrupamento dos acessos e a caracterização baseada em dados moleculares foi a que demonstrou os melhores resultados no estudo da diversidade. No entanto, a partir do estudo da diversidade genética combinando os dados das características morfoagronômicas, agronômicas e dados de marcadores moleculares, notou-se um melhor agrupamento entre as linhagens.

Currently, due to the high demand for ethanol, sweet sorghum (Sorghum bicolor L. Moench) cultivation emerges as an important alternative for the production of bioenergy. The sweet sorghum is a crop that has shown highlighted in the agroenergy industry, since its sugar storage is located in the stalk, possibility of harvest mechanization, high content of directly fermentable sugars, high biomass production and early harvest compared to sugarcane. For a better understanding of the genetic variability of this crop, the present study was developed with the objective of performing a phenotypical and molecular characterization of sweet sorghum inbred lines, since the study of diversity of a species is essential for choosing superior genotypes to be used in a cultivar development program. In the phenotypic and molecular characterization of sweet sorghum inbred lines, we used 100 materials from the breeding program of Embrapa Maize and Sorghum. First, a research was carried out in order to identify the origin of the parental lines of the inbred lines used. The study of diversity was conducted based on morphoagronomic, agronomic traits and molecular markers. The field evaluation of morphoagronomic and agronomic traits were carried out at Embrapa Maize and Sorghum in Sete Lagoas MG, and the genotyping of the materials was performed in the IGD (Institute for Genomic Diversity) at Cornell University in the United States. The morphoagronomic characterization was performed according to the Distinctness, Uniformity and Stability (DUS) test, evaluating 51 descriptors. The agronomic evaluations were conducted in a field experiment, in a lattice design with three replications, considering the traits related to sugar and biomass production. Molecular characterization was conducted through the GBS (Genotyping by sequencing) technique which is based in the reduction of the genomic complexity using different combinations of restriction enzymes. Statistical analysis of the agronomic data was performed through the mixed models approach, in which the variance components were estimated by REML (Restricted Maximum Likelihood) and the BLUP means (Best Linear Unbiased Prediction) were obtained for the evaluated materials for each agronomic trait of interest. The diversity analyses were performed based on morphagronomic, agronomic and molecular markers data, obtaining a distance matrix and forming clusters of inbred lines through the Neighbor-Joining method. For the phenotypic characterization, it was observed that, despite the great importance, the agronomic characteristics were not very informative for grouping the inbred lines and the characterization based on molecular markers showed the best results in the study of diversity. However, based on the study of genetic diversity, in which data from morphoagronomic, agronomic and molecular markers were combined, it was observed a better grouping for the inbred lines.