Expressão fenotípica e mecanismos de ação de genes envolvidos na resistência ampla e begomovírus monopartidos e bipartidos em tomate

Abstract

O tomateiro é uma das hortaliças mais importantes no Brasil tanto em área cultivada como pela importância sócio-econômica, entretanto o seu cultivo no país e no mundo tem sido severamente afetado por espécies de Begomovirus (família Geminiviridae). Estes vírus são transmitidos eficientemente pela mosca-branca (Bemisia tabaci), importante insetopraga, responsável por perdas quantitativas e qualitativas nesta cultura. Espécies de Begomovirus podem apresentar o genoma constituído por um ou dois componentes genômicos (DNA-A e DNA-B), sendo denominados monopartidos e bipartidos respectivamente. A maioria das espécies do complexo viral conhecido como Tomato yellow leaf curl disease (TYLCD) apresenta genoma monopartido, entretanto, espécies relatadas no Brasil são de begomovírus bipartidos, cuja incidência e severidade foram significativamente ampliadas com a introdução no país do biótipo B de B. tabaci, que contribuiu também para o aumento da diversidade de espécies destes vírus no país. Devido a essa grande diversidade de espécies virais, aliada à desvantagens de controle químico do vetor, a melhor opção para o controle de begomovírus vem sendo o emprego de cultivares resistentes ao vírus e/ou ao vetor. Programas de melhoramento tem se baseado na introgressão de genes de resistência presentes em espécies silvestres de Solanum para a espécie cultivada S. lycopersicum. Recentemente foi identificada no Brasil (Embrapa Hortaliças) uma fonte de resistência recessiva monogênica (gene tcm-1) na linhagem de tomate TX-468-RG de S. lycopersicum, derivada do híbrido Tyking, frente à begomovírus monopartidos e bipartidos. Esta resistência se caracteriza pela ausência de sintomas de infecções virais e limitação da acumulação sistêmica de vírus nos tecidos infectados. TX-468-RG constitui uma fonte promissora para programas de melhoramento, no entanto, marcadores moleculares para esse gene ainda não estão disponíveis limitando a incorporação deste locus tcm-1 em linhagens de tomateiro via melhoramento assistido. Neste contexto, este trabalho visou aprofundar a caracterização da resistência presente em TX-468-RG. Inicialmente, avaliou-se o comportamento de cinco híbridos comerciais de tomate para indústria, amplamente cultivados no Brasil Central, e do híbrido HEI-036 (contendo o gene Ty-1 em heterozigose) em diferentes épocas de infecção por Tomato severe rugose virus (ToSRV). Diferenças significativas para a maioria dos componentes analisados foram detectadas entre grupos contrastantes de inoculação. O híbrido HEI-036 mostrou-se promissor exibindo resistência ao ToSRV, além de alto potencial produtivo. Observou-se também que plantas expostas a pressões elevadas de moscas-brancas virulíferas até os 36 dias após semeadura apresentaram perdas severas de produtividade, podendo esse dano ser atenuado via utilização de técnicas adequadas de manejo em combinação com a adoção de cultivares com resistência genética (ex. gene Ty-1) (Capítulo 2). No Capítulo 3, acessos de Solanum (seção Lycopersicon) foram avaliados em busca de resistência simultânea a begomovírus e nematóides, dois dos principais grupos de patógenos que causam prejuízo `a cultura do tomateiro. Considerando que genes de resistência a begomovírus podem estar ligados em repulsão com o gene que confere resistência a Meloidogyne spp., buscou-se obter resistência simultânea a esses patógenos. O begomovírus bipartido Tomato rugose mosaic virus, ToRMV, os monopartidos Tomato yellow leaf curl virus, TYLCV e Tomato yellow leaf curl Sardinia virus, TYLCSV, bem como as espécies Meloidogyne incognita e M. javanica foram usados na avaliação de resistência. Alguns acessos combinaram alto nível de resistência a begomovírus e também a nematóides. Para begomovírus, observou-se uma diversidade de fatores de resistência mediando a reação dos acessos testados frente à infecção de begomovírus bipartidos e monopartidos no gênero Solanum (Seção Lycopersicon). Neste trabalho, fontes de resistência à mosca-branca também foram avaliadas usando como critério de seleção a redução do número de ovos e pupas presentes em amostras foliares. O acesso LA 716 apresentou elevados níveis de resistência à mosca-branca (Capítulo 4). Aspectos epidemiológicos e possíveis mecanismos envolvidos na infecção por begomovírus foram avaliados estudando o efeito de uma linhagem resistente de tomate na dispersão do vírus pelo vetor e na translocação viral nos tecidos infectados de plantas resistentes. Estudos foram conduzidos com a linhagem TX- 468-RG, resistente a begomovírus monopartidos e bipartidos. A resistência de TX-468- RG a Tomato yellow leaf curl virus-Israel (TYLCV-IL) resultou na restrição da acumulação viral, inclusive em condições de fluxo contínuo de vírus, bem como resultou na redução da dispersão primária e secundária do vírus. Os resultados permitem concluir que a incorporação e o uso desta fonte de resistência poderão ter impactos epidemiológicos positivos no manejo das espécies virais limitando a dispersão dos vírus em condições de campo (Capítulo 5). Como TX-468-RG também demonstrou ser resistente a espécies de begomovírus bipartidos devido a não manifestação de sintomas e redução da acumulação viral, o mesmo impacto epidemiológico é esperado no manejo de begomovírus bipartidos empregando-se essa fonte de resistência. Para determinar se o (s) mesmo (s) fator (es) genético (s) presente em TX-468-RG controla (m) resistência à espécies de Begomovirus monopartidos e bipartidos, avaliaram-se famílias F2:3 frente ao TYLCV-IL. Os resultados confirmaram uma herança monogênica recessiva mediando a resistência a monopartidos, e esses dados serão posteriormente, comparados com a avaliação das mesmas famílias F2:3 frente a begomovírus bipartidos, que será realizada no Brasil sob condições controladas (Capítulo 6). O Capítulo 7 apresenta os dados sobre a identificação de marcadores do tipo RAPD associados com resistência a begomovírus bipartido encontrada na linhagem TX- 468-RG (locus tcm-1). Foram testados 520 primers da OPERON nos parentais suscetível e resistente e na população segregante F2 proveniente do cruzamento Ohio 8245 x TX-468-RG. Após avaliações sucessivas desse conjunto de primers, sete marcadores RAPD foram identificados ligados em associação e em repulsão com a região genômica contendo locus tcm-1. A informação de sequências destes amplicons RAPD poderá ser utilizada na síntese de primers para convertê-los em outra classe de marcadores mais estáveis (SCARs) para serem utilizados em uma plataforma de seleção assistida visando monitorar a incorporação da resistência derivada de TX-468-RG em linhagens elite de tomate. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT

Tomato represents of one of the most an important horticultural crops cultivated in Brazil. This crop has been drastically affected by Begomovirus (family Geminiviridae) infection. These viruses are efficiently transmitted by the whiteflys (Bemisia tabaci) causing severe damages to the crop. The Begomovirus comprises viruses with a circular ssDNA genome, and could be divided in monopartite and bipartite species according to their genome composition (DNA-A and/or DNA-B). The Tomato yellow leaf curl disease (TYLCD) complex comprises several species of monopartite begomoviruses and Tomato yellow leaf curl virus (TYLCV) is considered the prevalent and the most severe begomovirus species in tomatoes growing areas. In Brazil, so far, only bipartite begomoviruses have been reported. Their incidence and severity in the country has drastically increased after the introduction of the biotype B of B. tabaci. This new vector also contributed for increasing diversity of begomovirus species. Due to begomovirus diversity and the difficulties to control their vector, breeding strategies aiming to introgress resistance to begomoviruses from wild species of Solanum to cultivated S. lycopersicum has been considered the best control measure. Recently, a recessive resistance to monopartite and bipartite begomoviruses found in the Brazilian line TX-468-RG conferred by the tcm-1 gene derived from the hybrid Tyking was identified. This resistance is characterized by absence of symptoms and restriction of virus accumulation in infected tissues. Therefore, TX-468-RG represents an important source of begomovirus resistance. However, no molecular markers are available to be used in assisted breeding for introgression of the tcm-1 locus into elite tomato lines. In this context, this work aimed to further characterize the resistance present in the line TX-468-RG comparing this gene with other resistance genes available in commercial lines of tomato. Firstly, the performance of five commercial hybrids for tomato processing largely cultivated in Central Brazil and the hybrid HEI-036 (harboring the Ty-1 gene) were compared at different times of infection by Tomato severe rugose virus (ToSRV) before and after transplanting to the field. Significant differences in all agronomical parameters analyzed were observed among the materials. The hybrid HEI- 036 demonstrated the best performance showing resistance to ToSRV, in addition, to high fruit yield. The plants exposed to high population of viruliferous whiteflies until 36 days after sowing showed a drastic reduction in tomato production; however, a correct management by adopting cultivation measures and genetic resistance (eg. Ty-1 gene) could reduce these losses (Capítulo 2). In Chapter 3, Solanum accessions were evaluated for simultaneous resistance to begomoviruses and nematodes, considering that resistance genes to these two pathogen groups seem to be present in a repulsion-linkage phase. Monopartites (Tomato yellow leaf curl virus - TYLCV and Tomato yellow leaf curl Sardinia virus - TYLCSV) and bipartites (Tomato rugose mosaic virus- ToRMV) begomoviruses and Meloidogyne (M. incognita and M. javanica) species were employed for screening for simultaneous resistance. Few accessions combined high resistance levels to begomoviruses and nematodes. The performance of the accessions challenged with begomoviruses, indicated the possible existence of several host determinants driven the resistance to monopartite and bipartite begomoviruses in these accessions of Solanum (Section Lycopersicon) tested. In this work, resistance to the whiteflies were also assayed, based on reduction of the insect colonization (measured by the amount of eggs and pupae found in infested leafs). The accession LA 716 presented high levels of resistance to the whiteflies (Chapter 4). The effects on virus epidemiology and the possible mechanisms involved in virus resistance were studied by using the resistance line TX-468-RG harboring the tcm-1 gene. The resistance of TX-468-RG to the monopartite Tomato yellow leaf curl virus - Israel (TYLCV-IL) resulted in restriction of virus accumulation in infected tissues even under a constant virus supply (by grafting of infected tissues). Also, the use of this resistant line reduced primarily and secondary virus dispersion by the vector. These results suggest that the use of resistant lines could have a positive impact by reducing virus spread under field conditions. (Capítulo 5). Since TX-468-RG also showed resistance to bipartite begomoviruses, similar epidemiological impact could be expected by using this resistance line to control these viruses. Aiming to determine if the same genetic determinants are responsible for the resistance to monopartite and bipartite begomoviruses, F2:3 families derived from Ohio 8245 x TX-468-RG were challenged with TYLCV-IL. The results confirmed the recessive monogenic genetic control of this resistance and these results will be compared with the same experiments that will be performed in Brazil with the bipartite begomoviruses (Capítulo 6). The Chapter 7 presented the data obtained after evaluation of 520 primers (OPERON family) using a segregant F2 population originated from the crossing between Ohio 8245 and TX-468-RG. After a massive RAPD evaluation, a set of seven primers found in association or repulsion with the genomic region potentially hosting the loci of tcm-1 was selected. Further sequencing information of these amplicons, will allow the these conversion RAPD by markers to SCAR markers, which are much more stable and useful for introgressing the resistant determinants derived from TX-468-RG into elite tomato lines.