Desarrollo de poblaciones multiparentales como fuente de nuevos recursos genéticos para el mejoramiento de girasol

Abstract

El área de cultivo de girasol en Argentina, se extiende entre los 24 y 38 grados de latitud sur, abarcando una amplia gama de ambientes. La plasticidad del cultivo en su adaptación a diversas condiciones agroecológicas lo convierte en el segundo cultivo oleaginoso en importancia después de la soja. Desde fines de la década del 90´ el cultivo de girasol fue desplazado a zonas con menor potencialidad productiva a causa de adversidades bióticas y abióticas que limitan los rendimientos obtenidos. Las principales enfermedades del girasol son la roya negra causada por Puccinia helianthi, downy mildew causado por Plasmopara halstedii, marchitez anticipada causada por Verticillium dahliae, el cancro del tallo y del capítulo causado por Diaporthe helianthi y la podredumbre húmeda del capítulo causada por Sclerotinia sclerotiorum. La diversidad de ambientes y de estreses a los que se ve expuesto el cultivo de girasol han impulsado los estudios de las bases genéticas de la resistencia a estreses bióticos y abióticos para poder lograr genotipos de mayor adaptabilidad, estabilidad y rendimiento. La identificación de los factores genéticos responsables de la expresión de características de interés agronómico se basa en la disponibilidad de colecciones de germoplasma de base genética amplia. El desarrollo de la genómica en los últimos años favoreció la caracterización de la diversidad genética presente en estas colecciones y la implementación de diferentes estrategias de mejoramiento basado en poblaciones no estructuradas y más recientemente en poblaciones estructuradas a partir del cruzamiento de múltiples líneas parentales. Las poblaciones multiparentales de tipo MAGIC por sus siglas en inglés “Multiparent Advanced Generation Inter-Cross populations” han surgido como una alternativa en el estudio de QTLs ofreciendo características intermedias entre las poblaciones biparentales y los paneles de asociación en términos de diversidad, potencia y resolución. El objetivo general de la presente Tesis fue diseñar, construir y caracterizar poblaciones multiparentales de girasol para complementar la plataforma actual de recursos genéticos del programa de mejoramiento de INTA para el estudio de regiones genómicas de interés agronómico. Se desarrollaron dos poblaciones MAGIC a partir de 8 líneas endocriadas mantenedoras de la fertilidad. Las líneas seleccionadas para la formación de las poblaciones presentan características diferenciales para distintos caracteres de interés para el mejoramiento del cultivo. Se priorizó la elección de materiales caracterizados en estudios previos del grupo girasol de INTA frente a las enfermedades marchitez anticipada por V. dahliae y podredumbre húmeda del capítulo por S. sclerotiorum. También, fueron considerados otros caracteres de interés como la resistencia a Downy mildew, el contenido de aceite, la composición de ácidos grasos, la senescencia, el ciclo y la aptitud combinatoria. En la campaña 2020/21 se completó el segundo ciclo de autofecundaciones avanzando ambas poblaciones al estado de F3 y obteniéndose 1161 familias para la población MAGIC1 y 1497 familias para la población MAGIC2. Fueron genotipadas las líneas parentales de ambas poblaciones y los híbridos de 2, 4 y 8 vías obtenidos en las etapas de desarrollo a través de la técnica de doble restricción enzimática para reducir la complejidad del genoma seguida por secuenciación de alto rendimiento. En esta instancia de desarrollo de las poblaciones, los datos genotípicos contribuyeron a testear la calidad de las líneas parentales altamente homocigotas, evaluar la diversidad genética entre ellas y la reconstrucción de haplotipos indicando la efectividad de los cruzamientos y el potencial de las poblaciones para el mapeo fino de QTLs. Las familias F2 de ambas poblaciones MAGIC fueron caracterizadas fenotípicamente en INTA Pergamino en la campaña 2020/21 para caracteres de interés agronómico como floración, altura del ápice de la lámina en relación al nivel de inserción del pecíolo en el estrato superior de la planta, inclinación del capítulo y altura de planta. La población MAGIC2 fue caracterizada por su respuesta frente a la marchitez anticipada en el infectario natural de INTA Balcarce en la campaña 2020/21. Los resultados obtenidos confirmaron la variabilidad fenotípica de las poblaciones, permitieron identificar grupos de familias con respuesta contrastante a la marchitez anticipada y demostrar el potencial de ambas poblaciones para su utilización en futuros estudios de mapeo fino de QTLs. Asimismo, en este experimento fue evaluada la implementación de imágenes multiespectrales obtenidas por drones para el fenotipado de la marchitez anticipada en girasol. Los resultados obtenidos revelaron el potencial que tiene la implementación de índices de vegetación para el fenotipado de la marchitez anticipada en girasol y la utilización de modelos de aprendizaje que permiten, en base a la información aportada por los índices espectrales, poder clasificar genotipos de girasol como tolerantes o resistentes a la enfermedad. La construcción y caracterización de las poblaciones MAGIC presentadas en esta Tesis, constituyen recursos genéticos únicos hasta el momento para el mejoramiento del cultivo a nivel nacional e internacional.

The sunflower area in Argentina ranges from 24 to 38 °S and covers a wide range of environments. The diversity of stresses affecting sunflower has led to the study of the genetic basis of resistance to biotic and abiotic stresses in order to obtain genotypes with greater adaptability, stability and yield. Multiparent Advanced Generation Inter-Cross Populations (MAGIC) have emerged as an alternative in the study of QTLs offering intermediate characteristics in diversity, power and resolution between biparental populations and association panels. The objective of this work was to design, construct and characterize multiparental populations of sunflower to complement the genetic resources of the INTA breeding program for the study of genomic regions of agronomic interest. Two MAGIC populations were developed from 8 maintainer inbred lines. In the 2020/21 season, the second cycle of selffertilization was completed, advancing both populations to F3 status and a total of 1161 families were obtained for MAGIC1 population and 1497 families for MAGIC2 population. The parental lines of both populations and the 2-, 4- and 8-way hybrids were genotyped using Genotyping By Sequencing (GBS) technique. The genotypic data helped to test the quality of the highly homozygous parental lines, evaluate genetic diversity, and perform parentage analysis. The results demonstrated the effectiveness of the crosses and the potential of the populations for fine mapping of QTLs. The F2 families of both MAGIC populations were phenotyped in the 2020/21 season at INTA Pergamino for agronomic traits such as flowering, petiole angle, head angle and plant height. The MAGIC2 population response to Verticillium wilt (VW) was characterized in infested fields of INTA Balcarce in the 2020/21 season. The results obtained confirmed the phenotypic variability of the populations, allowed the identification of groups of families with differential response to VW and demonstrated the potential of both populations for use in future fine mapping studies of QTLs. In addition, the use of multispectral images acquired from drones for VW phenotyping in sunflower demonstrated the potential of this technique for high-throughput phenotyping of fungal diseases in sunflower. The construction and characterization of the MAGIC populations presented in this Thesis represent unique genetic resources for sunflower breeding at national and international levels and will have a positive impact on the development of sunflower breeding as they can be use in research, development and transfer to industry.