Detección de Loci de caracteres cuantitativos para tolerancia a bajas temperaturas durante las primeras etapas del desarrollo del maíz

Abstract

El enfriamiento, es decir la exposición a temperaturas entre 5 y 15º C, afecta al maíz en todos sus estados fenológicos, pero es particularmente nocivo durante el proceso germinativo y el crecimiento heterotrófico de las plántulas, causando fallas en la germinación, emergencia errática y un menor crecimiento de las plántulas, impidiendo un buen establecimiento posterior del cultivo. La tolerancia al frío es un rasgo poligénico complejo, siendo el mapeo de QTL una de las estrategias empleadas para el estudio de este tipo de caracteres. El objetivo de este trabajo fue caracterizar la base genética de la tolerancia al frío durante la germinación y las etapas tempranas del desarrollo en una población F2 de maíz mediante un análisis de QTL. El material vegetal consistió en una población F2 derivada del cruzamiento entre dos líneas endocriadas contrastantes para los caracteres fenotípicos de interés: LP3830 (tolerante a las bajas temperaturas durante la germinación) x LP179 (susceptible). La población F2(LP330xLP179), fue evaluada a partir de sus correspondientes 227 familiasF2:4, en tres experimentos: 1) Germinación de las semillas en condiciones de incubación controlada, bajo los tratamientos térmicos “Frío” (8ºC, aumentando gradualmente, cada 7 días, hasta 15ºC) y “Control” (24°C constantes durante 7 días); 2) Imbibición de las semillas a 5°C (tratamiento “Imb-Frío”) o a 24°C (tratamiento “Imb-Control”) y continuación del proceso germinativo a una temperatura de 24°C; y 3) Emergencia en el campo bajo condiciones de temperaturas subóptimas (generadas por siembra temprana). Se registraron atributos relacionados con la germinación, emergencia, vigor y tamaño de plántulas logradas al finalizar el experimento, es decir en el estado vegetativo V3. La población F2(LP330xLP179) presentó variabilidad genotípica para la mayoría de los caracteres registrados en los tres experimentos bajo condiciones de temperaturas sub óptimas, ya sea en incubación o en el campo, con valores estimados de heredabilidad (H) superiores al 50%, indicando que la mayor proporción de la variación fenotípica de estos atributos se debe a la presencia de variabilidad genética transmitida por los progenitores. Asimismo, la interacción genotipo por ambiente fue significativa en los Experimentos 1 y 2, lo cual demuestra el comportamiento diferencial de los genotipos frente a los diferentes tratamientos de incubación. Estos resultados confirman que la evaluación fenotípica del carácter resultó adecuada para el estudio de las bases genéticas asociadas a la tolerancia a bajas temperaturas durante la germinación, emergencia y crecimiento inicial de las plántulas de maíz. La caracterización genotípica de la población F2(LP330xLP179) se realizó con 139 marcadores (137 SSRs y 2 INDELs). De estos el 10% presentaron distorsión severa de la segregación y, para la construcción del mapa de ligamiento, solo fueron incluidos, en una segunda ronda de mapeo, aquellos cuya presencia no alteraba el orden local de los marcadores previamente mapeados. Finalmente, con la información de 133 marcadores se obtuvo el mapa genético para la población con una longitud total de 2210,4 cM y una distancia promedio entre marcadores de 18,6 cM. La disponibilidad de este marco genético preliminar posibilitó el análisis de QTLs. La detección de QTLs se realizó utilizando dos métodos diferentes de mapeo: CIM y MIM. La mayoría de los QTLs detectados por MIM se localizaron aproximadamente en la misma región de los QTLs que se encontraron por CIM, de modo que confirman la localización de los factores genéticos asociados a las variables en estudio. Mediante el análisis de MIM, se detectaron 101 QTLs asociados con la tolerancia a temperaturas sub óptimas durante el proceso germinativo (Experimento 1), 56 QTLs asociados con la tolerancia a bajas temperaturas durante la imbibición de las semillas (Experimento 2) y 48 QTLs relacionados con la emergencia en condiciones de siembras tempranas en el campo (Experimento 3). Asimismo, se detectaron interacciones epistáticas entre QTLs (22, 11 y 23 en los experimentos 1, 2 y 3, respectivamente) que contribuyeron a explicar la variación observada en cada rasgo fenotípico. Gran parte de los QTLs para diferentes rasgos mapearon conjuntamente en las mismas regiones genómicas. Se detectaron 14, 9 y 3 regiones en los experimentos 1, 2 y 3, respectivamente. Los QTLs de cada región se asociaron a caracteres que evidenciaron correlación fenotípica significativa entre ellos, presentando intervalos de confianza superpuestos y efectos aditivos del mismo signo por lo que podrían tratarse de un único QTL con efecto pleiotrópico sobre diferentes rasgos o bien genes estrechamente ligados. Se destaca la región localizada en el cromosoma 10, bin 10.02, donde co-localizaron QTLs relacionados con gran parte de los caracteres e índices de tolerancia evaluados bajo el tratamiento de bajas temperaturas del Experimento 1 (G21d.10a, GF21d.10b, ITR_GF21d.10, R128d.10, ITR_R128d.10, IG.10, IR1.10, 50G.10, Gdía.10, PSPAF.10, PSPAiF.10, PSRF.10, PSRiF.10a, LPA.10, Lradícula.10) y QTLs , asociados a varios rasgos registrados en el campo durante el Experimento 3 (E20d.10, E23d.10, IE.10; PS.10a, AF.10, Vig.10a). Se sugiere continuar con un mapeo fino de la misma para dilucidar los factores genéticos involucrados.

Germinating seeds of many species, such as maize, suffer chilling injury when exposed to low but nonfreezing temperatures, resulting in poor seedling establishment and reduction in yield. Since chilling tolerance is a complex polygenic trait, QTL mapping has been a powerful and widely used tool for understanding the the genetic basis of this trait. The objective of this study was the detection of genomic regions associated with traits involved in cold tolerance during germination and early developmental stages in an F2 population through QTL analysis.Thus, an F2 mapping population and their 227 F2:4 families were derived from an initial cross between a cold-tolerant line (LP3830) and a cold-sensitive line (LP179). The F2:4 families and the parental lines were phenotyped in three experiments: 1) Germination under controlled incubation conditions, with two thermal treatments “Cold” (temperature increasing gradually from 8ºC up to 15ºC, with changes every 7 days) and “Control” (constant 24°C during 7 days); 2) Seed imbibition at 5°C for 15 days (“Imb-Frío” treatment) or at 24°C for 1 day (“Imb-Control” treatment) and then 7 days at 24°C; and 3) Early sowing in the field. Attributes related to germination, emergence, vigour and seedlings growth, were recorded. The population showed phenotypic and genotypic variability for all traits (p<0.001) and moderate to high values (>50%) of heritabilities (H) on the basis of F2:4 family means. Genotyping was carried out using a set of 137 SSRs and 2 INDELs. The linkage map covered a total length of 2210.4 cM and ended up in an average distance between two consecutive markers of 18.6 cM. QTLs were identified by multiple interval mapping. A total of 101 QTLs for traits related to suboptimal temperature tolerance during germination (Experiment 1), 56 QTLs for low temperature tolerance during seed imbibition (Experiment 2) and 48 QTLs related to emergence and seedling growth under early sowing conditions in the field (Experiment 3) were detected. Moreover, epistatic interactions between QTLs were found (22, 11 and 23 in experiments 1, 2 and 3, respectively). Many QTLs for different traits co-localized in the same genomic region presenting overlapping confidence intervals and additive effects of the same sign. The most important, Reg10–RegC10, localized in bin 10.02, where QTLs for germination and seedling weight and length under controlled incubation al low temperature and for emergence, vigour and seedlings growth in the field, co-localized.