Evaluación comparativa de distintas estrategias de análisis de datos para la caracterización y ordenamiento de la variabilidad genética de poblaciones locales de maíz (Zea mays L.)

Abstract

El maíz, siendo un cereal originario de América, presenta a lo largo de este continente una amplia variabilidad de tipos y formas. Sin embargo dicha variabilidad es muy poco utilizada por los fitomejoradores, por desconocimiento del comportamiento de las poblaciones conservadas y por la dificultad de introgresar características deseables sin incorporar caracteres desfavorables ligados a los mismos. Por dicho motivo resulta de fundamental importancia estudiar y analizar en la forma más exhaustiva posible las poblaciones conservadas en los Bancos de Germoplasma. En el presente trabajo se evaluaron 510 poblaciones locales de maíz conservadas en el Banco Activo de Germoplasma de Pergamino, de diversos orígenes y formas raciales, por 16 caracteres cuantitativos y cuatro cualitativos. Las poblaciones se distribuyeron en 13 ensayos comparativos a lo largo de siete campañas agrícolas a partir del 2003/04 hasta el 2009/10. Cada ensayo se evaluó en dos ambientes que surgen de la combinación de localidad y campaña agrícola. Todos los ensayos contaban con cuatro testigos comunes. Como uno de los objetivos de este trabajo, consistía en evaluar comparativamente estrategias metodológicas para la caracterización conjunta de poblaciones caracterizadas en diferentes ensayos, cuatro de los 13 ensayos volvieron a repetirse en uno solo que se utilizó como ensayo de referencia. El mismo se evaluó en las localidades de Pergamino y Ferré durante la campaña agrícola 2010/11. Debido a que las variables evaluadas son factibles de ser influenciadas por el ambiente en el ensayo de referencia se aplicaron distintas técnicas de análisis de la interacción genotipo-ambiente. En primer lugar se recurrió al ANOVA que permitió determinar la presencia de dicha interacción y, en las variables en que la misma fue significativa, se profundizó el estudio mediante un AMMI. Por otro lado, se recurrió al método de Análisis Factorial Múltiple (AFM) para determinar la factibilidad del uso de esta técnica del Análisis Multivariado de tres modos para el tratamiento de la interacción. Con ambos tipos de análisis, se determinó la presencia de interacción en las variables sincronía entre las floraciones femenina y masculina, prolificidad, rendimiento, granos por hilera, porcentaje de quebrado y longitud de mazorca. Si bien con ambas metodologías se obtuvo un resultado similar, el AFM proporciona información más rica, sobre todo en las interpretaciones referidas al ambiente. Además, estudia la interacción genotipo-ambiente desde el punto de vista multivariado pudiendo determinarse las interacciones entre las variables evaluadas. Posteriormente, se compararon tres estrategias parapara caracterizar en forma conjunta el material evaluado en distintas condiciones. Como fuente de comparación se utilizó el ensayo de referencia, ya que en el mismo todas las poblaciones fueronevaluadas en los mismos ambientes. Las estrategias consideradas, que se compararon mediante la aplicación del test de Mantel, fueron: (i) cálculo del promedio aritmético y concatenación de ensayos sin considerar efecto ensayo ni ambiente, (ii) planteo de un modelo lineal mixto que permita estimar y eliminar los efectos ambiente, ensayo y sus interacciones, y (iii) uso del Análisis de Procrustes Generalizado (APG) para el tratamiento de datos provenientes de ensayos incompletos conectados por individuos comunes. De la comparación de las tres estrategias alternativas se determinó que la técnica del promedio resultó ser la más conveniente para agrupar las poblaciones locales, si el objetivo es sólo considerar la similitud entre las mismas. Esta metodología, si bien es más rudimentaria desde el punto de vista estadístico, es muy sencilla de aplicar y ampliamente utilizada por los investigadores. A pesar de ello no pueden diferenciarse los efectos del ambiente y sus interacciones las cuales son muy importantes desde el punto de vista genético. Una vez seleccionada la metodología del promedio como la más adecuada para evaluar las variables cuantitativas de todos los ensayos en forma conjunta, la misma se aplicó a las 510 poblaciones. Sobre estos datos se realizó un ACP. Por otra parte se analizaron las variables cualitativas de las 510 poblaciones mediante la metodología de ACooP. Ambos tipos de datos aportan información complementaria, y el análisis en forma conjunta se realizó aplicando la metodología del APG. En todos los casos, los resultados se expresaron en un gráfico bidimensional. A través del ACP para las variables cuantitativas se obtuvieron seis grupos de poblaciones en base a su similitud, siendo las variables rendimiento, días a floración, altura de planta e inserción de mazorca y sincronía entre las floraciones femenina y masculina las más importantes en la diferenciación entre las mismas. Mediante el ACooP se obtuvieron nueve grupos de poblaciones. Utilizando el APG se conformaron seis grupos, pudiendo determinarse algunas poblaciones en que ambas variables las posicionan de manera similar en el plano (ARZM01045) y otras que son muy diferentes para cada una de las variables evaluadas (ARZM04012). Por último, detectada la variabilidad genética entre las poblaciones resulta interesante evaluar si la misma tiene relación con el origen geográfico para lo cual se comparan ambas matrices de distancia mediante el test de Mantel, hallando una correlación media-baja (r = 0,41) entre las distancias genéticas entre las poblaciones y las geográficas. Esto determinaría que la variabilidad registrada no puede ser fundamentalmente explicada por la zona de colecta de las poblaciones.

Available maize genetic variability has been poorly used in plant breeding. Evaluation and characterization of genetic variability preserved in germplasm banks is important to increase its utilization. In this study, 510 maize landraces from the Pergamino maize germplasm bank were evaluated by 16 quantitative and four qualitative traits. The accessions were divided into 13 trials using four common checks, each trial was planted in two environments. Four of these trials were gathered in a reference trial and repeated at two locations. Data from reference trial was analyzed using an ANOVA; when genotype x environment (GE) interaction was significant the Additive Main effects and Multiplicative Interaction (AMMI) methodology was performed. In order to determine the possibility to use three way analysis for the GE interaction evaluation, the Multiple Factorial Analysis (MFA) was used. GE interaction was found for anthesis-silking interval (ASI), prolificacy, yield, grains by row, root lodging and ear length with both methods. Multivariate approach of the GE interaction, obtained through MFA, provided richer information than that from AMMI. Then, three analysis strategies were compared through Mantel test to perform the evaluation of combined trials, using the reference trial as standard comparison. Strategies consisted of: (i) arithmetic mean, (ii) mixed linear model, and (iii) three way Generalized Procrustes Analysis (GPA). The arithmetic mean was selected as the most accurate to group landraces, although it is not able to discriminate between environment and its interaction effects, which are highly important from the genetic perspective. This selected methodology was applied to quantitative traits for the whole set of 510 landraces, and latter grouped by PCA. Six groups were obtained, in which yield, anthesis and silking date, plant and ear height and ASI descriptors provided the greatest contribution to the clustering. Principal Coordinate Analysis (PCooA) methodology was used for qualitative traits; defining nine groups. Quantitative and qualitative traits were gathered in a joint analysis by the GPA technique which built six groups. Correlation among genetic variability and geographic origin of landraces, determined by Mantel test, was moderate-low (r = 0,41). This showed a lack of linear relationship between them.