Construcción de un mapa de ligamiento e identificación de QTLs (Quantitative Trait Loci) para caracteres de importancia agronómica en arveja (Pisum Sativum L.)

Abstract

Las legumbres se caracterizan por poseer un alto contenido de proteínas, fibras, vitaminas y minerales y un bajo contenido en grasas. Han demostrado tener un rol sustancial en agricultura sustentable, debido a su habilidad de fijar nitrógeno reduciendo de esta manera la dependencia hacia los fertilizantes. Entre las leguminosas de grano más cultivadas en nuestro país se destaca la arveja (Pisum sativum L.), siendo las zonas productoras Buenos Aires, Santa Fe, Córdoba y Entre Ríos. En la actualidad, los objetivos del mejoramiento de arveja están orientados hacia la obtención de materiales más precoces y al incremento del rendimiento y la calidad. El logro de nuevas variedades es un proceso largo y costoso, por lo que la incorporación de nuevas herramientas biotecnológicas que permitan delinear estrategias de mejora con una mayor eficiencia y en menor tiempo, resultan de gran utilidad. En este proyecto de tesis se planteó establecer relaciones de ligamiento genético en Pisum sativum L. haciendo uso de marcadores moleculares SRAP, SSR y SNP, para identificar QTLs (Quantitative Traits Loci) ligados a caracteres de interés agronómico. Para ello, se utilizó como población de mapeo una población F2 y sus respectivas familias F2:3, generadas a partir del cruzamiento entre las variedades Explorer y DDR14. Se realizó una evaluación molecular de los individuos F2 con marcadores SRAP, SSR y SNP; y una caracterización productiva en las dos poblaciones segregantes. Se evaluó días a floración, número de vainas por planta, número de semillas por vaina, número de semillas por planta, diámetro y longitud de vaina, diámetro y peso promedio de semilla, y altura de planta en cada individuo de la población F2 y en las familias F2:3 durante dos ciclos productivos. Se observaron segregantes transgresivos para las variables estudiadas, lo cual demuestra la generación de nueva variabilidad genética en la población, requerida para llevar a cabo con éxito los procesos de selección. Se obtuvieron valores elevados de heredabilidad, que indican que se podría obtener una ganancia genética rápida a través de la selección para los distintos caracteres. Sin embargo, la presencia de interacción genotipo por ambiente podría limitar la correspondencia de estos valores estimados con los valores observados. La respuesta a la selección se verá limitada si el ambiente donde se realiza la misma difiere mucho del ambiente donde se evaluarán y producirán los genotipos mejorados. Por último, se evaluó el grado y la dirección de la asociación entre los caracteres a fin de determinar cómo pueden modificarse los caracteres cuando se efectúa la selección. Se determinó una correlación alta y positiva entre los caracteres número de vaina y número de semilla y también entre longitud y ancho de vaina. Por otro lado, se observó una correlación positiva pero débil de la altura de la planta con el peso de las semillas, y una correlación débil y negativa de los días a floración con al ancho y diámetro de la vaina. La selección de genotipos superiores podría simplificarse si en lugar de realizar selección a partir de los fenotipos se identificaran directamente los genotipos mediante el uso de marcadores moleculares. Los marcadores SRAP resultaron eficientes para el estudio de la especie, generándose 261 marcadores polimórficos con segregación mendeliana, mientras que sólo diez SSR resultaron polimórficos entre los parentales utilizados. Los marcadores SNP se desarrollaron por la técnica GBS, obteniéndose 2.994 marcadores, de los cuales sólo 371 presentaron menos de 50 % de datos faltantes. Un total de 872 marcadores polimórficos se utilizaron para realizar un mapa de ligamiento. El mapa final incluyó 134 marcadores distribuidos en 9 grupos de ligamiento, cubriendo una distancia total de 655,495 cM. El GL de mayor tamaño fue el GL 1, con 114,806 cM mapeados y 26 marcadores incluidos; mientras que el GL de menor tamaño fue el GL 7, con 49,117 cM mapeados y 14 marcadores. En promedio se incluyeron 14,88 marcadores por grupo de ligamiento, con una distancia promedio entre marcadores que osciló entre 3,508 para el GL 7 y 8,740 para el GL NA2. Con los datos fenotípicos y el mapa de ligamiento se realizaron los análisis de detección de QTLs a través de la técnica CIM (composite interval mapping). Se detectaron en total 49 QTLs en las distintas generaciones y ambientes estudiados. Los marcadores asociados a dichos QTLs podrían ser utlizados para selección asistida por marcadores, especialmente los 23 marcadores situados a distancias menores a 1 cM, si se acotan las regiones mediante la incorporación de un mayor número de marcadores moleculares. La consistencia de las asociaciones encontradas en las distintas generaciones y ambientes evaluados permitió validar tres QTLs relacionados a altura de planta, número de vaina y ancho de vaina. Los estudios desarrollados en esta tesis constituyen un primer paso para el estudio de la herencia de caracteres productivos en arveja y permiten establecer pautas para el mejoramiento de dichos caracteres en la población estudiada. La construcción de mapas de ligamiento y la detección de QTLs provee herramientas adicionales para identificar de forma temprana en los procesos de mejoramiento progenies con alelos beneficiosos, reduciendo de esta manera el tiempo de obtención de una nueva variedad.

Pea is a self-pollinated, diploid (2n=14), annual crop produced worldwide for human consumption and animal feed. Pea breeding has been conducted with the aim of developing high yielding cultivars. The incorporation of new biotechnological tools will be useful to maximize the success probability. The aim of this project was to develop a genetic linkage map of Pisum sativum L. using SRAP, SSR and SNP markers and to identify QTLs (Quantitative Traits Loci) controlling traits of agronomic interest. An F2 mapping population and their F2:3 families were derived from an initial cross between cvs. Explorer and DDR14. The F2 individuals were evaluated with SRAP, SSR and SNP markers. F2 and F2:3 populations were evaluated in relation to flowering days, number of pods and seeds per plant, number of seeds per pod, diameter and length of pod, diameter and weight of seeds and plant height. Transgressive phenotypes were observed in the populations, proving the generation of new variability, required to selection processes. The high values of narrow heritability obtained, indicated that rapid gain could be achieved through selection for the different traits, however, the presence of genotype environment interaction could limit the correspondence of these estimated values with the observed ones. Selection of superior genotypes can be improved through the use of genetic markers. SRAP markers proved to be efficient, generating 261 polymorphic mendelian markers. Only ten SSR were polymorphic between the parental genotypes. SNPs markers were developed through GBS, generating 2.994 markers. Only 371 markers have less than 50 % of missing data. A set of 872 polymorphic markers were used for linkage mapping. The resulting map consists of 134 genetic markers distributed in 9 linkage groups (LGs), covering a total of 655,495 cM. The length of the LGs ranged from 49,117 to 114,806 cM, with 14 to 26 markers. QTL detection was performed using the composite interval mapping (CIM) method. A total of 49 QTLs were detected through the generations and environments evaluated. The comparison among QTLs detected in the F2 population and F2:3 families in the two environments allowed assessing the consistency of three QTLs for plant height, pods number and width. Linkage mapping and QTL detection provide additional tools to identify progeny containing desirable alleles early in the breeding process to reduce the time of cultivar release.