Bases Moleculares de la Fertilidad de Espiga en trigo pan

Abstract

El trigo pan es uno de los cultivos de granos más importantes del mundo. Uno de losprincipales objetivos del mejoramiento genético a nivel mundial es el aumento delrendimiento en grano. El rendimiento es un carácter complejo, controlado por unelevado número de genes, con alta influencia ambiental e interacción genotipo porambiente. Sumado a esto, el trigo es una especie alohexaploide de origen muyreciente (~8000 años) y por esto, las relaciones entre genes homeólogos soncomplejas. Por lo tanto, el desafío de continuar mejorando sostenidamente elrendimiento requiere de la identificación de caracteres asociados al rendimiento defácil medición y del trabajo interdisciplinario (ecofisiología, mejoramiento genéticotradicional, genética molecular, bioinformática, estadística, entre otras).En este sentido, el objetivo del proyecto fue identificar regiones genómicas asociadasa la fertilidad de espiga (FE), un carácter de fácil medición a madurez, que estáfuertemente asociado al número de granos por superficie, el principal determinantedel rendimiento en trigo pan. Para esto, se utilizó una población de 146 líneasendocriadas recombinantes (RIL) derivadas del cruzamiento entre Baguette 10(madre de alta FE) y Klein Chajá (padre de baja FE). Se realizaron tres ensayos acampo, durante los ciclos agrícolas 2013, 2014 y 2015, para determinar la FE, comoasí también el rendimiento y sus componentes para cada una de las líneas y susparentales, además de otros caracteres de interés agronómico. Se analizó lacorrelación genética entre caracteres medidos y se estimaron los componentes devarianza de los mismos para calcular su heredabilidad en sentido estricto. Un grupode 126 RIL fue genotipificado con un ?chip? comercial (Axiom® 35K SNP WheatBreeder‟s Array, Affimetrix). Se construyó un mapa de ligamiento con 857 marcadoresSNP en 80 RIL, y se realizó un mapeo de QTL para los caracteres medidos a campo. xiiiLa distribución de frecuencia de la FE para la población mostró una formaacampanada para los tres años de evaluación fenotípica, y segregación transgresivahacia ambos lados de la distribución. La heredabilidad en sentido estricto del carácterfue de 0,84, con sólo un 11% de varianza total debida a la interacción genotipo xambiente. La FE estuvo positivamente asociada al número de granos por unidad desuperficie (r=0,48) mientras que estuvo negativamente asociada al peso de mil granos(r=-0,49). El rendimiento estuvo asociado al número de granos por superficie,mientras que no presentó asociación con el peso de mil granos.Se encontraron cuatro regiones genómicas (QTL) asociadas a la FE, en loscromosomas 1B, 2D, 5B y 7A. En total, estas regiones explicaron un 26% de lavariación total en FE, no hubo interacción QTL por año y no hubo ninguna interacciónentre QTL (p>0,05). Se desarrollaron marcadores homeólogo-específicos y aleloespecíficospara cada uno de los marcadores contenidos en el intervalo de confianzade cada uno de los QTL. Cinco de los seis marcadores desarrollados para el QTL delcromosoma 2D fueron probados en un grupo de individuos de la poblacióngenotipificada, pero no fue posible amplificar el polimorfismo correspondiente demanera consistente. Debido al amplio intervalo de mapa de las regiones genómicasque mostraron asociación con la FE, no fue posible avanzar en la búsqueda de genescandidatos para el carácter. No obstante, los resultados del presente trabajoconstituyen un avance significativo en el establecimiento de las bases genéticomolecularesde la fertilidad de la espiga, escasamente conocidos hasta el momento.

Bread wheat is one of the most important crops in the world. One of the main breeding goals in wheat is increasing grain yield. Yield is a complex trait, controlled by a high number of genes, with high environmental influence and genotype x environment interaction. Wheat is also an allohexaploid species of very recent origin (~8000 years), and for this reason, relationships among homeologous genes are complex. Therefore, the challenge of continuing to improve grain yield steadily requires the identification of easy-to-measure, yield-associated traits and an interdisciplinary focus that comprises ecophysiology, traditional breeding, molecular genetics, bioinformatics, and statistics, among others. In this sense, the objective of this study was to identify genomic regions associated with spike fertility (SF), a trait easily measured at maturity, which is strongly associated with the number of grains per unit area, the main determinant of yield in bread wheat. For this, a population of 146 recombinant inbred lines (RIL) derived from the cross between Baguette 10 (high SF) and Klein Chajá (low SF) was used. Three field trials were conducted during 2013, 2014 and 2015 growing seasons, to determine the SF, yield and its components, for each line and their parents, as well as other traits of agronomic interest. The genetic correlation between the measured traits was analyzed and their variance components were estimated in order to calculate their narrow-sense heritability. A group of 126 RIL was genotyped using a commercial "chip" (Axiom® 35K SNP Wheat Breeder's Array, Affimetrix). A linkage map was constructed with 857 SNP markers in 80 RIL and, for the measured traits, QTL mapping was performed. A bell-shaped distribution of SF was observed in the RIL population in all three years of phenotypic evaluation showing transgressive segregation towards both sides of the distribution. The narrow-sense heritability of SF was 0.84, with only 11% of total variance due to genotype x environment interaction. Spike fertility was positively associated with the number of grains per unit area (r = 0.48) while it was negatively associated with thousand grain weight (r = -0.49). Grain yield was associated with the number of grains per unit area, while it was not associated with thousand grain weight. Four genomic regions (QTL) associated with SF were found on chromosomes 1B, 2D, 5B and 7A. In total, these regions explained 26% of the total variation in SF, there was no QTL per year (environment) interaction and there was no interaction between QTL (p <0.05). Homeologous-specific and allele-specific markers were developed for each analyzed SNP included in the confidence interval of each QTL. Five of the six markers developed for the QTL of the 2D chromosome were tested in a group of individuals from the genotyped population, but it was not possible to amplify the corresponding polymorphism consistently. Due to the wide map range in the genomic regions associated with SF, it was not possible to advance in the search of candidate genes. Nevertheless, the results of this work constitute a significant advance in the establishment of the genetic-molecular bases of SF, scarcely known until now.