Asociación de marcadores de AFLPs y caracteres de calidad y rendimiento en trigo candeal Triticum turgidum L. var. Durum

Abstract

El mapeo por asociación (MA), fundamentado en el desequilibrio de ligamiento (DL), es una estrategia complementaria al mapeo de loci cuantitativo (QTL) tradicional, que constituye una herramienta poderosa para la identificación de loci asociados a caracteres de interés. El objetivo de este trabajo de tesis fue realizar un análisis tendiente a implementar la estrategia de mapeo por asociación en trigo candeal de manera de complementar los estudios realizados por mapeo biparental, identificando marcadores asociados a caracteres de color, peso hectolitrito (PH) y peso de mil granos (PMG). Para ello se estudió la diversidad nucleotídica y la estructura poblacional a partir de marcadores de polimorfismos de longitud de fragmentos amplificados (AFLPs) y se consideraron los caracteres de calidad y rendimiento mencionados en una población de trigo candeal constituída por 133 genotipos de distinta procedencia. Para el carácter color del endosperma se determinó el contenido de pigmentos carotenoides (CPC) y color amarillo (CIE 1976 b*), color rojo (CIE a*) y luminosidad (CIE L*) de la sémola; se registró también el peso de mil granos (PMG), el peso hectolitrico (PH) y el rendimiento de las parcelas (Kg/Ha) durante la campaña 2011/2012 en tres localidades de la Pcía de Buenos Aires, Pieres, Cabildo y Barrow. Se analizó el potencial del MA para identificar QTLs utilizando la estrategia de exploración amplia del genoma (GWAS). El color amarillo cuantificado por la extracción de los pigmentos con butanol saturado en agua y la medición de la reflectancia de la luz CIE 1976 b* se evaluaron en una colección de 133 variedades de diferentes orígenes geográficos y fueron genotipadas con seis combinaciones de AFLPs que produjeron 116 bandas polimórficas y determinaron que el germoplasma estudiado presenta un 35.8 % de variabilidad genética. La estructura de la población se evaluó mediante la distancia genética y el enfoque basado en el modelo Bayesiano, identificando seis subpoblaciones consistentes con el origen de las variedades y el pedigrí. El análisis de asociación identificó asociaciones significativas entre los marcadores y los caracteres evaluados, los marcadores que explicaron mayores porcentajes de la variación en un carácter fueron, P41M39_715 para el peso de los granos, P41M39_747 para el CIE a*, P41M43_390 para el rendimiento, P41M31_767 para el contenido de pigmentos carotenoides y el color amarillo CIE b* y el marcador P41M43_367 para CIE b*. Los resultados de este estudio indican que el MA se puede utilizar para complementar las técnicas tradicionales de cartografía de QTL (mapeo biparental), e identificar nuevos QTL para estudios posteriores. Teniendo en cuenta los modelos lineales mixtos y los lineales generalizados, se seleccionaron genotipos superiores utilizando los métodos REML/BLUP y correlaciones de Pearson, entre los caracteres, encontrándose que para los caracteres de calidad relacionados con el color del grano como el (CPC) y (CIE b*) evaluados en 133 genotipos indicaron que los materiales de trigo candeal Amarillo, CBW 05082, Buck Topacio , Durobonus , Vivadur , Joyau, Exeldur , CBW 0105 , CBW 0225 , VF 0163 y Argeles fueron las variedades que se demostraron estabilidad como genotipos superiores para las localidades de Pieres, Cabildo y Barrow. En relación a los caracteres de PMG y PH las variedades que se comportaron de manera estable en los tres ambientes fueron ACA 1801F, Candeal Durumbuck, Buck Esmeralda, Taganrog Sel. BUCK, Portorico, Catervo, Buck Cristal, CBW 0156, CBW 0230, CBW 0225, Tiziannia, Garic , Buck Granate (B#26) y CBW 0153. Por consiguiente, se considera que estas variedades son genotipos superiores y estas observaciones demuestran la posibilidad de encontrar dentro de estos materiales alelos favorables para estos caracteres. Dado que la enzima Zds participa en dos pasos críticos de la ruta biosintética de los carotenoides, y también se ha asociado con QTLs en el grupo 2 de cromosomas de trigo pan se planteó como objetivo caracterizar el gen Zds de trigo candeal y encontrar variantes alélicas y determinar si estas podrían explicar la variación fenotípica observada en la concentración de pigmentos amarillos entre las distintas variedades que constituyen la población. Este trabajo de tesis permitió determinar que el gen Zds presenta dos copias en el genoma A de candeal, que fueron designadas como TtZds-A1.a y TtZds-A1.2. Las dos copias del gen del genoma A, TtZds-A1.1a y TtZds-A1.2 comparten una identidad del 98% para la región analizada, lo cual sugiere una relativa reciente duplicación. TtZds-A1.a tiene una variante alélica, denominada TtZds-A1.b, la cual se encontró asociada a variedades con elevados valores de CPC y CIEb*. La variante alélica TtZds-A1.1b, identificada en las variedades BonINTACarilo, VF 0113, Amarillo, Gabbiano, Joyau, Karur, Neodur, Garic y Exeldur se encuentra alta y significativamente relacionada con la variación del CPC y CIE b*. Se considera que las variedades que porten el alelo TtZds- A1.1b relacionado con mayor color, tienen mayor contenido de pigmentos carotenoides, lo cual permitió desarrollar un marcador específico para este alelo, que constituirá una buena herramienta para seleccionar variedades de alto color amarillo en trigo candeal. Este trabajo de tesis constituye el primer antecedente de aplicación de mapeo por asociación en trigo candeal en la Argentina.

Association mapping (MA), based on linkage disequilibrium, is a complementary strategy to the traditional quantitative trait loci (QTL) mapping, which is a powerful tool for identify gene loci associated with traits of interest. The aim of this thesis was to implement the strategy of MA in durum wheat in order to complement the studies carried out at CERZOS by biparental mapping, identifying markers associated with traits related with quality and yield in durum wheat, like color, test weight (TW) and thousand grain weight (TGW). For this purpose the nucleotide diversity and the population Structure were studied by using amplified length fragment polymorphisms (AFLPs) and the quality and yield traits were measured in a durum wheat panel composed of 133 genotypes of different geographic origin. For the trait endosperm color the content of carotenoid pigments (CPC), yellow color (CIE 1976 b *), red color (CIE a *) and luminosity (CIE L *) of the semolina were determined; TWG, TW and the yield of the plots (kg / ha) were taken during the period 2011/2012 in three locations of the Buenos Aires province, Pieres, Cabildo and Barrow. The potential of MA to identify QTLs was analysed by using the genome-wide association strategy (GWAS). The yellow color determined by the extraction of pigments with saturated butanol in water and the measurement of light reflectance CIEb* were evaluated in the association panel that was genotyped with six combinations of AFLPs. These six AFLPs primer combinations produced 116 polymorphic bands showing a genetic variability of 35.8% in the studied germplasm. The population Structure was assessed by using the genetic distance and the Bayesian model based approaches, identifying six sub-populations and showing consistency with varieties origin and pedigree. Association analysis identified significant associations between the markers and the evaluated traits. The AFLP markers that explained the highest percentages of variation by trait were P41M39_715 for grain weight, P41M39_747 for CIEa*, P41M43_390 for yield, P41M31_767 for carotenoid pigment content and CIEb* yellow and P41M43_367 for CIEb*. Although these markers are anonimous and should be mapped to establish the position in the durum wheat genome, the results are promising, indicating that AM can be used to complement traditional QTL mapping techniques and identify novel QTL for further studies. Considering the mixed linear and generalized linear models, superior genotypes were selected using the REML / BLUP methods and Pearson's correlations considering the studied traits. Related with color the superior genotypes for the three locations were Amarillo, CBW 05082, Buck Topacio, Durobonus, Vivadur, Joyau), Exeldur , CBW 0105, CBW 0225, VF 0163 and Argeles. Taken into account TWG and TW the varieties that behaved in a stable way in the three environments were ACA 1801F, Candeal Durumbuck, Buck Emerald, Taganrog Sel. BUCK, Portorico, Catervo, Buck Cristal, CBW 0156, CBW 0230, CBW 0225, Tiziannia, Garic, Buck Garnet (B # 26) and CBW 0153. These varieties are therefore considered to be superior genotypes and these observations demonstrate the possibility of finding within these materials favorable alleles for these traits. Inasmuch as Zds enzyme participates in two critical steps of the biosynthetic pathway of carotenoids, and has also been associated with QTLs in the chromosomal group 2 of bread wheat, our aim was to characterize the durum wheat Zds gene and to find allelic variants and to determine if these variants could explain the observed phenotypic variation in the concentration of yellow pigments among the different varieties included in the association panel. This thesis work allowed to determine that the Zds gene presents two copies in the durum wheat genome A, which were designated as TtZds-A1.a and TtZds-A1.2. The two copies of the genome A, Ttds- A1.1a and TtZds-A1.2 share 98% identity for the region analyzed, suggesting a relatively recent duplication event. Ttds-A1.a has another allelic variant, called TtZds-A1.b, which was found associated to varieties with high values of CPC and CIEb *. The allelic variant TtZds-A1.1b, identified in the varieties BonINTACarilo, VF 0113, Amarillo, Gabbiano, Joyau, Karur, Neodur, Garic and Exeldur is highly and significantly related to the variation of CPC and CIEb*. It is considered that varieties bearing the TtZds-A1.1b allele associated with higher color have a higher content of carotenoid pigments, allowing the development of a specific marker to amplify this allele that will be a good tool to high yellow varieties selection in durum wheat. This thesis work constitutes the first antecedent of application of mapping by association in durum wheat in Argentina.