Localización de QTL e identificación de genes de resistencia y/o tolerancia a la plaga de los taladros del maíz

Abstract

[EN] The Mediterranean corn borer (Sesamia nonagrioides Lefebvre) is the most important maize insect pest in the Mediterranean region, including the Northwest of Spain. The methods used by farmers to keep the pest under control ranging from the application of chemical insecticides to the use of transgenic corn (Bt corn). Research in plant breeding is the best strategy to get resistant plants in those countries where genetically modified organisms are not allowed and even to further strengthen the resistance of the transgenic crops. The advancement of molecular biology, bioinformatics and statistical genetics offer the possibility to explore in greater detail and accuracy the natural genetic variation of complex traits such as insect resistance in plants. The main objective of this research was to identify quantitative trait loci (QTL) and genes that control the resistance and/or tolerance of maize against S. nonagrioides attack, for which two different approaches and two different mapping populations were used. On the one hand, a study was conducted to find QTL for resistance and yield under infestation with S. nonagrioides as well as agronomic traits in a population of recombinant inbred lines (RIL) derived from the cross EP42 (maize type European Flint) × A637 (released from the maize population Reid), a previously unexplored genetic background for resistance to corn borers. In this first study a genetic map constructed from microsatellite markers SSR was used. On the other hand a genome wide association study (GWAS) was performed to find genes for resistance to this insect using a maize diversity panel that represents the diversity available in public breeding sector around the world. In this second study a set of more than 240000 SNP distributed throughout the genome was used.

[EN] In the first study six QTL for resistance traits and twelve QTL for agronomic traits were located: one QTL for tunnel length, one QTL for stalk lodging, and four QTL for ear resistance, one QTL for yield under infestation, two QTL for grain moisture, two QTL for days to anthesis, two QTL for days to silking, three QTL for plant height, and two QTL for ear height. No significant genetic correlations between yield and other traits were observed. The cross validation (CV) approach showed that the estimation biases for QTL for resistance traits were higher than those for agronomic traits. This work stresses the importance of the region 9.03 for controlling corn borer resistance and suggests the presence of QTL with small effect on ear resistance traits. At the same genomic region, there are also genes that control plant and ear height. The QTL for yield seem to play an important role in S. nonagrioides tolerance in this genetic background. Large biases observed for QTL effects by CV could mainly be due to the small sample size used and were higher for resistance traits due to their larger genetic complexity. Based on these findings it is consider that it is more appropriate to select for grain yield under infestation instead of selecting for resistance traits because resistance to S. nonagrioides could have unfavorable associations with agronomic traits. From the second study twenty five SNP were significantly associated with three resistance traits: 10 were significantly associated with tunnel length, 4 with steam damage, and 10 with kernel resistance. Allelic variation at each significant SNP explained from 6 to 9% of the phenotypic variance. A set of genes containing or physically close to these SNP are proposed as candidate genes for corn borer resistance, supported by their involvement in plant defense-related mechanisms in previously published evidence. The linkage disequilibrium decayed (r2 < 0.10) rapidly within short distance, suggesting high resolution of GWAS associations. Most of the candidate genes found in this study are part of signaling pathways, others act as regulator of expression under biotic stress condition, and a few genes are encoding enzymes with antibiotic effect against insects such as the cystatin1 gene and the defensin proteins. These findings contribute to the understanding the complex relationship between plant-insect interactions.

[ES] El taladro Mediterráneo (Sesamia nonagrioides Lefebvre) es una de las plagas de insectos más importante para el cultivo del maíz en la región Mediterránea, incluyendo el noroeste de España. Los métodos utilizados por los agricultores para mantener la plaga bajo control van desde la aplicación de insecticidas químicos hasta el uso de maíz transgénico (maíz Bt). La investigación en mejora genética vegetal constituye la mejor estrategia para obtener plantas resistentes a insectos para aquellos países donde los cultivos modificados genéticamente no están permitidos e incluso para fortalecer aún más la resistencia de los materiales transgénicos. Los avances de la biología molecular, la bioinformática y la genética estadística ofrecen la posibilidad de explorar con mayor detalle y precisión la variación genética natural de un carácter tan poligénico como lo es la resistencia a insectos en plantas. El objetivo de esta investigación fue identificar loci de caracteres cuantitativos o QTL y genes que controlan la resistencia y/o tolerancia del maíz al ataque de S. nonagrioides, para lo cual se emplearon dos enfoques distintos y dos poblaciones de mapeo distintas. Por un lado se realizó un estudio para buscar QTL de resistencia y rendimiento bajo infestación con S. nonagrioides, así como otros caracteres agronómicos en una población de líneas recombinantes (RIL) derivadas del cruce de EP42 (maíz tipo Liso Europeo) × A637 (derivada de una población de maíz “Reid”), un fondo genético no explorado anteriormente para resistencia a los taladros. En este primer estudio se utilizó un mapa genético construido a partir de marcadores micro satélites (SSR). Por otro lado se realizó un estudio de asociación (GWAS) para buscar genes de resistencia a este insecto utilizando un panel de asociación de líneas de maíz que representan la diversidad disponible en los programas de mejora del sector público en todo el mundo. En este segundo estudio se utilizaron más de 240000 marcadores SNP distribuidos en todo el genoma.

[ES] En el primer estudio se identificaron seis QTL para caracteres de resistencia y doce QTL para caracteres agronómicos: un QTL para longitud de galerías y otro para encamado de tallo, cuatro QTL para caracteres de resistencia en mazorca, un QTL para rendimiento bajo infestación, dos QTL para humedad de grano, dos QTL para días a floración masculina y dos para días a floración femenina, tres QTL para altura de planta y dos QTL para altura de mazorca. No se encontraron correlaciones genéticas significativas entre rendimiento y los otros caracteres evaluados. La prueba de validación cruzada (VC) demostró que la estimación del sesgo para los QTL de resistencia fue mayor que el de los QTL para caracteres agronómicos. Los resultados de este estudio destacan la importancia que tiene una región (hot spot) del cromosoma 9 (bin 9.03) que podría albergar genes que controlan la resistencia a los taladros y la altura de planta y de mazorca. Además sugieren la presencia de QTL con efectos menores sobre la resistencia en mazorca. El QTL de rendimiento parece jugar un papel importante en la tolerancia a S. nongrioides en este fondo genético. Los altos valores de sesgo en la estimación de los efectos de la mayoría de los QTL observados en la VC puede deberse principalmente al tamaño pequeño de la población utilizada y el sesgo fue mayor en los QTL para los caracteres de resistencia debido a la complejidad genética de estos caracteres. En base a este estudio se considera más apropiado seleccionar por rendimiento bajo infestación en lugar de hacerlo por caracteres de resistencia porque la resistencia podría tener asociaciones desfavorables con los caracteres agronómicos. Del segundo estudio se obtuvieron veinticinco SNP significativamente asociados a caracteres de resistencia: diez asociados a longitud de galerías, cuatro asociados a daño de tallo relativo y once asociados a resistencia de grano. La variante alélica de cada SNP significativo explico entre 6 y 9% de la varianza fenotípica observada. Se propuso como genes candidatos a aquellos genes que contienen o están cerca de cada SNP significativamente asociado al carácter, en base a la evidencia previamente publicada sobre la implicación funcional en los mecanismos de defensa de la planta de cada gen candidato. El desequilibrio de ligamiento en este estudio decayó (r2 < 0,10) rápidamente en distancias cortas, sugiriendo una resolución alta del GWAS. La mayoría de los genes candidatos encontrados en este estudio forman parte de rutas de señalización, otros actúan como reguladores de expresión bajo condiciones de estrés biótico y unos pocos genes son enzimas con efecto antibiótico contra insectos tales como el gen cystantin1 y las proteínas defensinas. Estos hallazgos contribuyen al entendimiento de la compleja relación existente entre los insectos y las plantas hospedantes.

[GL] O barreno Mediterráneo (Sesamia nonagrioides Lefebvre) é unha das pragas de insectos máis importante para o cultivo de millo na rexión mediterránea, incluíndo o noroeste de España. Os métodos utilizados polos agricultores para manter a praga baixo control van dende a aplicación de insecticidas químicos ata o uso de millo transxénico (millo Bt). A investigación en mellora xenética vexetal constitúe a mellor estratexia para obter plantas resistentes a insectos para aqueles países onde os cultivos modificados xeneticamente non están permitidos e incluso para fortalecer aínda máis a resistencia dos materiais transxénicos. Os avances da bioloxía molecular, a bioinformática e a xenética estatística ofrecen a posibilidade de explotar con maior detalle e precisión a variación xenética natural dun carácter polixénico como é a resistencia das plantas aos insectos. O obxectivo desta investigación foi identificar loci de carácteres cuantitativos ou QTL e xenes que controlan a resistencia e/ou tolerancia do millo ao ataque de S. nonagrioides, para o cal empleáronse dous enfoques distintos e dúas poboacións de mapeo distintas. Por un lado realizouse un estudo para buscar QTL de resistencia e rendemento baixo a infestación con S. nonagrioides, así como outros carácteres agronómicos nunha poboación de liñas recombinantes (RIL) derivadas do cruce da EP42 (millo tipo Liso Europeo) x A637 (derivada dunha poboación “Reid”), un fondo xenético non explorado con anterioridade para a resistencia aos barrenos. Neste primeiro estudo utilizouse un mapa xenético construído a partir de marcadores micro satélites (SSR). Por outro lado realizouse un estudo de asociación (GWAS) para buscar xenes de resistencia a este insecto utilizando un panel de liñas de millo que representa a diversidade dispoñible nos programas de mellora do sector público en todo o mundo. Neste segundo estudo utilizáronse máis de 240000 marcadores SNP distribuídos en todo o xenoma.

[GL] No primeiro estudo identificáronse seis QTL para carácteres de resistencia e doce QTL para carácteres agronómicos: un QTL para a lonxitude de galerías e outro para encamado de tallo, catro QTL para carácteres de resistencia na mazaroca, un QTL para rendemento baixo infestación, dous QTL para humidade do gran, dous QTL para días a floración masculina e dous para días a floración feminina, tres QTL para altura da planta e dous QTL para altura da mazaroca. Non se atoparon correlacións xenéticas significativas entre o rendemento e outros carácteres avaliados. A proba de validación cruzada (VC) demostrou que a estimación do sesgo para os QTL de resistencia foi maior que o dos QTL para carácteres agronómicos. Os resultados de este estudo destacan a importancia que ten unha rexión (hot spot) do cromosoma 9 (bin 9.03) que podería albergar xenes que controlan a resistencia aos barrenos e a altura da planta e da mazaroca. Ademais suxiren a presenza de QTL con efectos menores sobre a resistencia da mazaroca. O QTL de rendemento parece xogar un papel importante na tolerancia a S. nonagrioides neste fondo xenético. Os altos valores de sesgo na estimación dos efectos da maioría dos QTL observados na VC pode deberse principalmente ao tamaño da poboación utilizada e o sesgo foi maior nos QTL para os carácteres de resistencia debido a complexidade xenética destes carácteres. En base a este estudo considérase máis apropiado seleccionar polo rendemento baixo infestación en lugar de facelo polos carácteres de resistencia porque a resistencia podería ter asociacións desfavorables cos carácteres agronómicos. Do segundo estudo obtivéronse vinte cinco SNP significativamente asociados a carácteres de resistencia: dez asociados a lonxitude das galerías, catro asociados ao dano de tallo relativo e once asociados á resistencia do gran. A variante alélica de cada SNP significativa explica entre 6 e 9% da varianza fenotípica observada. Propuxéronse como xenes candidatos a aqueles xenes que conteñen ou están cerca do SNP significativamente asociado ao carácter, en base á evidencia previamente publicada sobre a implicación funcional nos mecanismos de defensa da planta de cada xene candidato. O desequilibrio do ligamento neste estudo decaeu (r2 ˂ 0,10) rapidamente en distancias cortas, suxerindo unha resolución alta do GWAS. A maioría dos xenes candidatos atopados neste estudo forman parte de rutas de sinlización, outros actúan como reguladores da expresión baixo condiciones de estres biótico e uns poucos xenes son encimas con efecto antibiótico contra insectos tales como o xen cystantin1 e as proteínas defensinas. Estes achados contribúen ao entendemento da complexa relación entre o insectos e as plantas hóspedes.