Obtención de variedades invernales de cártamo (Carthamus tinctorius L.) y desarrollo de herramientas moleculares para asistir la selección

Abstract

El cártamo es un cultivo oleaginoso poco difundido en Argentina con potencial de desarrollo en regiones semiáridas de la región pampeana. Las características requeridas por la industria y los productores agropecuarios son la base de los objetivos del mejoramiento. El ideotipo para el sudoeste bonaerense presenta alto contenido de aceite alto oleico, alto rendimiento, precocidad, adaptación a siembras de otoño-invierno y al ambiente en general. El objetivo principal de la presente tesis fue el desarrollo de criterios de selección para la obtención de líneas avanzadas para el mercado o para futuros planes de mejoramiento. Además, se buscó una herramienta molecular para seleccionar por el perfil acídico de la materia grasa (MG) y generar nuevas herramientas moleculares para cártamo a través del mapeo de QTLs en una población biparental. A partir de germoplasma F3 proveniente de un plan de mejoramiento del USDA (Pullman, Washington), se llevó a cabo un plan de selección a campo con el fin de obtener líneas avanzadas promisorias. En generaciones tempranas (F3- F4) se utilizaron variables fácilmente medibles como herramientas de selección indirecta del contenido de materia grasa (MG). La selección en F3 se realizó por adaptación, precocidad y bajo espesor de pericarpio, y en F4 se realizó por contenido de cáscara, altura de planta, granos por capítulo y las dimensiones del grano. En generaciones avanzadas (F5-F6), la evaluación a campo en ensayos comparativos en cuatro ambientes representativos del sudoeste bonaerense permitió seleccionar de forma directa por el rendimiento de MG y su estabilidad. L62, L6 y L69 mostraron un alto y estable rendimiento de MG, pero sin alcanzar el contenido de MG que rige la norma (33%). LFM3 y L3 exhibieron buena adaptación al sudoeste bonaerense, alto rendimiento de MG, alto contenido de MG, alto contenido de ácido oleico y mayor precocidad que el testigo comercial CW99-OL. El desarrollo de nuevos cultivares se acompañó con la generación de una norma de manejo en cuanto a la fecha de siembra. La evaluación de fechas de siembra en dos ambientes permitió concluir que la siembra entre fines de mayo e inicio de junio optimiza el rendimiento del cultivo. El perfil de ácidos grasos es el carácter cualitativo más importantes del cártamo, para el cuál existe gran variabilidad genética y determina las características industriales del aceite. Las nuevas tecnologías de secuenciación generan una rápida y económica identificación de marcadores moleculares e impulsaron la selección asistida por marcadores. En este trabajo se utilizó la tecnología KASP (kompetitive allele specific PCR) para validar un marcador basado en la secuencia del gen responsable en la determinación del perfil acídico del aceite. La secuenciación de última generación aplicada al genotipado por secuenciación permite descubrir millones de SNPs (polimorfismos de un solo nucleótido) en una población de mapeo. La integración de densos mapas genéticos con datos fenotípicos permite la identificación de loci de caracteres cuantitativos (QTLs). A través del genotipado de una población F2, se identificaron 673 marcadores polimórficos, se generó un mapa de ligamiento, y sobre éste, se mapearon 31 QTLs: siete QTLs asociados a características de la cascara, cinco a arquitectura, morfología y rendimiento de planta, ocho a dimensiones de grano y capítulo, y 11 a características asociadas al tamaño de grano. Los marcadores flanqueantes a estas regiones genómicas representan un nuevo recurso para el mejoramiento, y son un punto de partida para el mapeo fino de las regiones involucradas. Esta tesis es el primer estudio genómico de cártamo realizado en Argentina y el primer plan de selección llevado a cabo en el sudoeste de Buenos Aires con la finalidad de obtener nuevos genotipos adaptados, generando a su vez una recomendación de fecha de siembra óptima para la región en cuestión

Safflower is an alternative oilseed crop in Argentina, potentially adapted to the semiarid “Pampa” region. Crop characteristics required by the industry and farmers like yield, oil content or oil quality are the target traits for breeding programs. Safflower ideotype for the southwest of the Buenos Aires province should be high yielding with high oil content and high oleic acid content. Earliness and adaptation to fall sowing are also required. The aims of this thesis were the development of new advanced breeding lines to be registered or as a source of initial germplasm for future breeding programs; the development of a molecular tool for selecting the high oleic allele and QTL mapping of yield and oil content related traits in a biparental population obtained from the hybridization of contrasting varieties. Safflower F3 germplasm from one of the USDA (Pullman, Washington) breeding programs was the initial material for the field selection plan. In early breeding lines (F3-F4), selection was carried out through simple traits, that were used as indirect selection tools for a complex trait like oil content. Selection was done through adaptation, earliness and hull thickness in F3 generation, and through hull content, plant height, number of grains per capitulum and grain dimensions in F4. After the two selection cycles, 16 promising F5 breeding lines were obtained. In advanced generations (F5-F6), selection for high oil yield and stability was accomplished through field evaluation in multi environmental trials. L62, L6 and L69 showed high and stable oil yield, but an oil content below the commercial base. L3 and LFM3 were the best adapted and high yielding breeding material, with high oleic oil content and an earlier development the commercial check CW 99 OL. The development of new genotypes was integrated with the exploration of optimum sowing dates. From the evaluation of six sowing dates in two environments it was concluded that sowings during late May and early June have the highest and more stable grain yield. The fatty acid profile is the most important qualitative trait of safflower since it determines the oil industrial quality and is genetically diverse across the germplasm. The new sequencing technologies applied to molecular marker discovery have promoted marker assisted selection procedures. In this work, KASP (kompetitive allele specific PCR) technology was used to validate a molecular marker based on the sequence of ctFAD2-1 gene, involved in the oleic acid content of safflower oil. Next-generation sequencing technologies applied to genotyping by sequencing allow fast and massive SNP discovery in a mapping population. The integration of dense genetic maps with phenotypic data is used in QTL (quantitative trait loci) mapping. In this study, an F2 population was genotyped by Dartseq method and almost 700 polymorphic markers were identified and a linkage map was constructed. Thirty-one (31) QTLs were mapped: seven of them were related to hull characteristics, five to architecture and morphology of the plant, eight to grain and capitulum dimensions, and 11 to grain size. Molecular markers flanking these genomic regions represent a new genetic resource for breeding and are starting points for further studies like fine mapping of the involved regions. This thesis represents the first genomic approach in safflower of Argentina, and the first attempt of breeding by selection in the southwest of Buenos Aires province with the objective of developing new adapted genotypes and providing a basic management tool of sowing date

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