Identificación de factores genéticos asociados a la resistencia a Tizón tardío (Phytophthora infestans Mont. de Bary) en papa tetraploide, mediante el uso de mapeo asociativo con SNPs

Abstract

La papa (Solanum tuberosum ssp. tuberosum L.) es el cuarto alimento más consumido en el mundo, luego del maíz, el trigo y el arroz. El tizón tardío de la papa, enfermedad causada por el oomycete Phytophthora infestans (Mont.) de Bary, se encuentra en todas las zonas de producción de papa de Argentina. Los objetivos del mejoramiento genético de este cultivo, han sido la incorporación de resistencias a factores bióticos y abióticos adversos, el desarrollo de cualidades para el procesamiento industrial y su combinación con alto rendimiento y calidad comercial. En este sentido, el mapeo asociativo utiliza la diversidad existente en el germoplasma estudiado para identificar alelos y loci responsables de la variación observada en la manifestación de un carácter fenotípico sin la necesidad de construir poblaciones de mapeo biparentales. A pesar de que la base genética de la papa cultivada es considerada estrecha, posee un alto número de especies emparentadas (de diferente ploidía y origen) con gran variabilidad para numerosos caracteres de interés agronómico. Se analizó la diversidad genética y la estructura de una población formada por 231 genotipos de la colección de germoplasma del Programa de Mejoramiento genético de papa de la EEA INTA Balcarce compuesta por variedades de S. tuberosum ssp. tuberosum de distintos orígenes, genotipos de S. tuberosum ssp. andigena y especies silvestres de papa mediante la utilización de marcadores moleculares (SNPs). El análisis de estructura dividió a la población en grupos bien definidos relacionados con origen, ploidía, taxonomía y programa de mejoramiento de cada genotipo. Este resultado fue confirmado por un dendrograma realizado a partir de la distancia genética de Nei para la población completa. Los índices de diversidad confirmaron la presencia de variabilidad genética en la población. El análisis de pedigrí dentro de las subpoblaciones de S. tuberosum ssp. tuberosum identificó los genotipos parentales más frecuentes y aquellos que realizaron la mayor contribución a cada subpoblación. Katahdin estuvo presente como el parental más frecuente en las líneas materna y paterna de todas las subpoblaciones analizadas de S. tuberosum ssp. tuberosum, pero sus contribuciones a la diferenciación genética fueron bajas. Por otro lado, se determinó el comportamiento a campo de los genotipos frente a P. infestans y se estimó el rendimiento luego de someter las plantas a la infección con el patógeno. Las condiciones meteorológicas permitieron que la enfermedad estuviera presente en todos los años de ambas localidades. Se encontró variabilidad para los tres parámetros fenotípicos evaluados, lo cual se vio reflejado en los valores de las medias ajustadas para cada genotipo en cada localidad. El análisis de componentes principales dividió a los genotipos con valores altos de RAUDPC de aquellos con valores bajos para la variable, y de igual forma lo realizó para la variable PESO TOTAL, en ambas localidades. De esta manera, se pudo obtener un grupo de genotipos con buen comportamiento para ambas variables. Los valores de heredabilidad obtenidos para la variable RAUDPC son medios a altos y coinciden con aquellos reportados en la bibliografía. Sin embargo, para la variable PESO TOTAL resultaron más bajos que los reportados. Finalmente, dicha información se utilizó para realizar mapeo por asociación. El mismo se efectuó sobre 187 genotipos del panel analizado, los cuales contaron con información fenotípica y caracterización molecular con SNPs. Se encontraron ocho asociaciones significativas utilizando la metodología de Bonferroni, con valores de -log (p) que oscilan entre 4,61 y 5,42 y nueve asociaciones significativas empleando Permutaciones, con valores de - log(p) entre 4,5 y 6,42. Algunos de los SNPs detectados, se encuentran adyacentes a genes que codifican enzimas participantes de vías metabólicas que se activan en respuesta a la interacción con patógenos.

Cultivated potato (Solanun tuberosum ssp. tuberosum L.) is the fourth most consumed food in the world, after corn, wheat and rice. Potato late blight is a disease caused by Phytophthora infestans (Mont.) de Bary. It is found in all areas of potato production in Argentina. Potato breeding objectives have been the incorporation of resistance or tolerance to adverse biotic and abiotic factors, the development of better qualities for the industrial processing and and combine these characters with high yield and commercial quality. According to this, association mapping uses the existing diversity in the studied germplasmto identify alleles and loci responsible for the variation observed of a phenotypic character without the need to build biparental mapping populations. Although the genetic base of the cultivated potato is considered narrow, it has a high number of related species (of different ploidy and origin) with great variability for many characters of agronomic interest. The genetic diversity and the genetic structure of a population formed by 231 genotypes of the germplasm collection of the EEA INTA Balcarce Potato Breeding Program were analyzed using molecular markers (SNPs). The population was composed by genotypes of S. tuberosum ssp. tuberosum of different origins, genotypes of S. tuberosum ssp. andigena and wild potato species. The structure analysis divided the population into well-defined groups related to their origin, ploidy, taxonomy and breeding program. This result was confirmed by a dendrogram made from the Nei genetic distance for the whole population. The diversity indices confirmed the presence of genetic variability in the population. Pedigree analysis within subpopulations of S. tuberosum ssp. tuberosum identified the most frequent parental genotypes and those that made the greatest contribution to each subpopulation. Katahdin was the most frequent parental in the maternal and paternal path of all the subpopulations analyzed of S. tuberosum ssp. tuberosum, but their contributions to genetic differentiation were very low. On the other hand, an assessment of the genotype’s behavior and yield under infection with P. infestans, was made under field conditions. The environmental conditions allowed the presence of the disease in all the years of both localities. Phenotipic variability was found for the three parameters evaluated, which was reflected in the values of the adjusted means for each genotype in each locality. Principal components analysis divided the genotypes with high values of RAUDPC from those with low values for the variable, and in the same way it was done for the variable TOTAL WEIGHT, in both locations. In this way, it was possible to identify a group of genotypes with desirable values for both variables. The heritability values obtained for the variable RAUDPC are medium to high and coincide with those reported in the bibliography. However, the heritability for TOTAL WEIGHT was lower than that reported. Finally, this information was used to perform mapping by association. The same was carried out on 187 genotypes of the panel analyzed, which had phenotypic information and molecular characterization with SNPs. Eight significant associations were found using the Bonferroni methodology, with values of -log (p) ranging between 4.61 and 5.42 and eleven significant associations using Permutations, with values of -log (p) between 4.5 and 6.42. Some of the SNPs detected are adjacent to genes that encode enzymes that participate in metabolic pathways that are activated in response to interaction with pathogens.