Regiones genómicas asociadas a la resistencia a insectos y al rendimiento en maíz

Abstract

[EN] The Mediterranean corn borer (MCB), Sesamia nonagrioides, is a major pest of maize, Zea mays, in mediterranean countries, inflicting significant yield losses. The advanced knowledge on genomics of maize natural resistance to corn borer could help to design breeding programs to obtain varieties with higher resistance and/or tolerance to corn borer attacks. The main objective of this study was to validate QTL previously detected, and to identify QTL and genes for resistance and agronomic traits under high infestation with S. nonagrioides. For that we used three mapping populations: HIF, RIL and MAGIC. The HIF population was used to validate QTL for stalk tunnels, yield and flowering, previously detected in the analysis of the EP42 × EP39 RIL mapping population. The location and effect of the QTL for grain yield was confirmed in the HIF population analysis. The fixation outside the target region led to an increase in the proportion of phenotypic variance explained by the QTL (from 10.7 % to 34.9 %). However, the stalk tunneling QTL was not validated probably due to fixation of genes related to corn borer resistance or to flowering. On the other hand, the HIF analysis allowed the detection of news QTL one for plant height, not previously detected probably due to the confounded effect of multiple segregating QTL, and other QTL for tunnel length, in a region that had not been genotyped in the original biparental population.

[EN] A second study was made with a RIL population with 162 lines released from the cross A637 × A509. This research was made to identify QTL for resistance to S. nonagrioides and agronomic traits. In addition, four indices were used to identify QTL to improve two or more traits simultaneously. Twelve significant QTL were detected for agronomic and resistance traits. QTL at bins 1.10 and 5.04 were interesting because the same allelic variant at these QTL simultaneously improved yield and insect resistance. Several QTL for indexes which combine yield and resistance traits were found, especially in the region 10.02-10.03. Selecting genotypes with the favorable allele for QTL on chromosome 5 (bin 5.01) will decrease tunnel length without affect yield, silking and plant height and QTL on the region 5.04 could be used to improve stalk resistance and yield simultaneously. The allele of QTL in region 1.10 could improve ear and stalk resistance and yield without secondary negative effects on other traits. A third research consisted in a genome wide association study (GWAS) in a MAGIC population with 607 lines. This population was constructed with 8 parents (A509, EP125, EP86, PB130, F473, EP53, EP17 and EP43) with different mechanisms of resistance to S. nonagrioides and different origins: EP17, EP43, EP53, EP86; PB130 and F473 come from european germplasm; and A509 and EP125 from United States germplasm. In this study two sets of 29,292 and 224,363 SNPs were used. In the MAGIC population we identify 9 SNPs for grain resistance, corresponding to 7 QTL in which there are 6 candidate genes with described function. Also 75 SNPs were found for plant height corresponding to 48 QTL. 47 significant SNPs and 34 QTL were found for silking. For tunnel length we found 5 significant SNPs and 5 QTL with 9 candidate genes with described function. Finally for grain yield 28 significant SNPs and 15 QTL were found. The tunnel length is positively correlated with yield, this could be due to the relationship of both traits with plant height. For grain resistance, a candidate gene was located: GRMZM2G178190 coding for a macrophage protein associated to the natural resistance. For tunnel length, the candidate gene RMZM2G057140 was found to encode an enzyme: acid phosphatase, used in the regeneration of the cell wall of plants. The role of cell wall as mechanism of defense against MCB attack has already been reported, specifically for PB130 and EP125, both parents of the MAGIC. With the 5 QTL detected for tunnel length it is possible to design a breeding program with MAS to reduce the tunnel length without neglecting the QTL with the greatest effect on yield, thus improving both characters favorably.

[ES] El taladro mediterráneo del maíz (MCB), Sesamia nonagrioides, es la plaga más importante del maíz, Zea mays, en los países mediterráneos, causando pérdidas significativas de rendimiento. El conocimiento avanzado sobre la genómica de la resistencia natural del maíz al taladro podría ayudar a diseñar programas de mejora para obtener variedades con mayor resistencia y/o tolerancia a los ataques del taladro. El objetivo principal de este estudio fue validar QTL (“quantitative trait loci”) previamente detectados e identificar QTL y genes para resistencia y caracteres agronómicos bajo alta infestación con S. nonagrioides. Para ello utilizamos tres poblaciones de mapeo: HIF (“heterogeneous inbred families”), RIL (“recombinant inbred lines”) y MAGIC (“multi-parent advanced generation inter-cross”). La población HIF se utilizó para validar QTL para longitud de galerías, rendimiento y floración, previamente detectados en el análisis de la población RIL de mapeo EP42 × EP39. La ubicación y el efecto del QTL para rendimiento de grano se confirmaron en el análisis de la población HIF. La fijación fuera de la región objetivo llevó a un aumento en la proporción de la varianza fenotípica explicada por el QTL (de 10,7% a 34,9%). Sin embargo, el QTL de longitud de galerías no fue validado probablemente debido a la fijación de genes relacionados con la resistencia al taladro del maíz o la floración. Por otra parte, el análisis HIF permitió la detección de nuevos QTL uno para la altura de la planta, no detectado previamente probablemente debido al efecto confundido de QTL múlti segregantes, y otro QTL para la longitud de galerías, en una región no genotipada en la población biparental original.

[ES] Un segundo estudio se realizó con una población RIL con 162 líneas obtenidas de la cruza A637 × A509. Esta investigación se realizó para identificar QTL para la resistencia a S. nonagrioides y caracteres agronómicos. Además, se utilizaron cuatro índices para identificar QTL para mejorar dos o más caracteres simultáneamente. Se detectaron 12 QTL significativos para caracteres agronómicos y de resistencia. Los QTL en los bins 1.10 y 5.04 fueron interesantes porque la misma variante alélica en estos QTL mejoró simultáneamente el rendimiento y la resistencia a los insectos. Se encontraron algunos QTL para índices que combinan características de rendimiento y resistencia, especialmente en la región 10.02-10.03. La selección de genotipos con el alelo favorable del QTL en el cromosoma 5 (bin 5.01) reducirá la longitud de galerías sin afectar al rendimiento, la floración y la altura de planta y el QTL en la región 5.04 podría utilizarse para mejorar la resistencia del tallo y el rendimiento simultáneamente. El alelo del QTL en la región 1.10 podría mejorar la resistencia en mazorca, en tallo y el rendimiento, sin efectos negativos secundarios sobre otros caracteres. Una tercera investigación consistió en un estudio de asociación de todo el genoma (GWAS) en una población MAGIC con 607 líneas. Esta población se construyó con 8 padres (A509, EP125, EP86, PB130, F473, EP53, EP17 y EP43) con diferentes mecanismos de resistencia a S. nonagrioides y diferentes orígenes: EP17, EP43, EP53, EP86; PB130 y F473 provienen de germoplasma europeo; y A509 y EP125 de germoplasma de Estados Unidos. En este estudio se utilizaron dos conjuntos de datos con 29.292 y 224.363 SNPs (“single nucleotide polymorphisms”). En la población MAGIC identificamos 9 SNPs para resistencia en grano, correspondiente a 7 QTL en los que hay 6 genes candidatos con función descrita. También se encontraron 75 SNPs para altura de planta correspondiente a 48 QTL. Para floración se encontraron 47 SNPs significativos y 34 QTL. Para longitud de galerías se encontraron 5 SNPs significativos y 5 QTL con 9 genes candidatos con función descrita. Finalmente, para rendimiento de grano se encontraron 28 SNPs significativos y 15 QTL. La longitud de las galerías está positivamente correlacionada con el rendimiento, esto podría deberse a la relación de ambos caracteres con la altura de planta. Para resistencia en grano se localizó un gen candidato GRMZM2G178190 que codifica para una proteína macrofágica asociada a la resistencia natural. Para longitud de galerías se localizó el gen candidato GRMZM2G057140 que codifica una enzima: fosfatasa ácida, utilizada en la regeneración de la pared celular de las plantas. El papel de la pared celular como defensa frente al ataque de los taladros ya ha sido descrito, en concreto para la PB130 y la EP125, ambas parentales de la MAGIC. Con los 5 QTL detectados para longitud de galerías es posible diseñar un programa de mejora genética con MAS (“marker assisted selection”) para disminuir la longitud de galerías sin descuidar los QTL de mayor efecto en rendimiento, mejorando así favorablemente ambos caracteres.

[GL] O taladro mediterráneo do millo, Sesamia nonagrioides, é a praga máis importante do millo, Zea mays, nos países mediterráneos, causando perdas significativas de rendemento. O coñecemento avanzado sobre a xenómica da resistencia natural do millo ó taladro podería axudar a deseñar programas de mellora para obter variedades con maior resistencia e/ou tolerancia ós ataques do taladro. O obxectivo principal deste estudo foi validar QTL previamente detectados e identificar QTL e xenes para resistencia e carácteres agronómicos baixo alta infestación con S. nonagrioides. Para iso utilizamos tres poboacións de mapeo: HIF, RIL e MAGIC. A poboación HIF utilizouse para validar QTL para a lonxitude de galerías, rendemento e floración, previamente detectados na análise da poboación RIL de mapeo EP42 × EP39. A localización e o efecto do QTL para rendemento de gran confirmáronse na análise da poboación HIF. A fixación fóra da rexión obxectivo levou a un aumento na proporción da varianza fenotípica explicada polo QTL (de 10,7% a 34,9%). Con todo, o QTL de lonxitude de galerías non foi validado probablemente debido á fixación de xenes relacionados coa resistencia ó taladro do millo, ou a floración. Por outra banda, a análise HIF permitiu a detección de novos QTL un para a altura da planta, non detectado anteriormente probablemente debido ó efecto confundido de QTL múlti segregantes, e outro QTL para a lonxitude de galerías, nunha rexión non xenotipada na poboación biparental orixinal.

[GL] Un segundo estudo foi feito cunha poboación RIL con 162 liñas obtidas do cruzamento A637 × A509. Esta investigación foi realizada para identificar QTL para resistencia a S. nonagrioides e caracteres agronómicos. Ademais, usáronse catro índices para identificar QTLs para mellorar dous ou máis carácteres simultaneamente. Doce QTL significativos foron detectados para caracteres agronómicos e de resistencia. QTL nos bins 1.10 e 5.04 foron interesantes porque a mesma variante alélica para estes QTL melloró ó mesmo tempo rendemento e a resistencia a insectos. Atopáronse algún QTL para índices que combinan as características de rendemento e resistencia, especialmente na rexión 10.02-10.03. A selección de xenótipos co alelo favorable do QTL non cromosoma 5 (bin 5.01) vai diminuír a lonxitude de galerías sen afectar ó rendemento, floración e altura da planta, e o QTL na rexión 5.04 podería ser utilizada para mellorar a resistencia do tallo e o rendemento simultaneamente. O alelo do QTL na rexión 1.10 podería mellorar a resistencia na mazaroca, o tallo e o rendemento sen efectos secundarios noutros caracteres. Unha terceira investigación consistiu nun estudo de asociación de todo o xenoma (GWAS) nunha poboación MAGIC con 607 liñas. Esta poboación construíuse con 8 pais (A509, EP125, EP86, PB130, F473, EP53, EP17 e EP43) con diferentes mecanismos de resistencia a S. nonagrioides e diferentes oríxenes: EP17, EP43, EP53, EP86; PB130 e F473 provenen de xermoplasma europeo; e A509 e EP125 de xermoplasma de Estados Unidos. Neste estudo utilizáronse dous conxuntos de datos con 29.292 e 224.363 SNPs. Na poboación MAGIC identificamos 9 SNPs para a resistencia en gran, correspondentes a 7 QTL nos que hai 6 xenes candidatos con función descrita. Tamén se atoparon 75 SNPs para altura da planta correspondente a 48 QTL. Para floración atopáronse 47 SNPs significativos e 34 QTL. Para lonxitude de galerías atopáronse 5 SNPs significativos e 5 QTL con 9 xenes candidatos con función descrita. Finalmente, para o rendemento de gran atopáronse 28 SNPs significativos e 15 QTL. A lonxitude das galerías está positivamente correlacionada co rendemento, esto podería deberse á relación de ambos os caracteres coa altura de planta. Para resistencia en gran localizouse un xene candidato GRMZM2G178190 que codifica para unha proteína macrofágica asociada á resistencia natural. Para lonxitude de galerías localizouse o xene candidato GRMZM2G057140 que codifica unha enzima: fosfatasa aceda, utilizada na rexeneración da parede celular das plantas. O papel da pared celular como defensa fronte ó ataque dos taladros xa ten sido descrito, en concreto para a PB130 e a EP125, ambas parentais da MAGIC. Cos 5 QTL detectados para lonxitude de galerías é posible deseñar un programa de mellora xenética con MAS para diminuír a lonxitude de galerías sen descoidar os QTL de maior efecto en rendemento, mellorando así favorablemente ambos os caracteres.