Diversidad genética en girasol cultivado: análisis de una colección de germoplasma local para su aplicación en programas de mejoramiento

Abstract

Los bancos de semillas ofrecen una valiosa fuente de diversidad para el mejoramiento genético de los cultivos. Para un aprovechamiento óptimo de los recursos genéticos, la caracterización fenotípica de los materiales conservados (resistencia a estreses bióticos y abióticos, índices de calidad química, nutricional y rendimiento, entre otros) debe ser acompañada por la caracterización genética de los mismos. De este modo, la diversidad alélica evaluada a través de marcadores moleculares es uno de los mejores indicadores del potencial genético de las entradas (accessions) de un banco. Los objetivos de este trabajo fueron: a) estudiar la diversidad genética en un conjunto de entradas de girasol cultivado preservadas en el Banco Activo de Germoplasma de INTA Manfredi (BAG-IM), b) estudiar la distribución de los polimorfismos detectados y la estructura poblacional, c) evaluar la consistencia entre metodologías de fenotipificación para el carácter de tolerancia a sequía, comparando ensayos de campo con ensayos en condiciones controladas, y d) analizar los patrones de variación nucleotídica en regiones candidatas asociadas al carácter tolerancia a déficit hídrico en líneas endocriadas pertenecientes al programa de mejoramiento de tolerancia a sequía del BAGIM. A fin de cuantificar los niveles de variabilidad se genotipificaron 337 individuos pertenecientes a 21 entradas representativas de las distintas categorías conservadas en el banco (líneas, poblaciones y compuestos) utilizando 16 marcadores microsatélites de localización genómica conocida. Esta elección fue respaldada mediante un análisis de diversidad basado en caracteres morfológicos y agronómicos en base a 309 entradas conservadas en el banco. Se obtuvo un número total de 108 alelos, mientras que el número promedio de alelos por locus (A) fue de 6,75. El locus con mayor valor de A para todas las entradas fue HA2077 (3,66), mientras que los que mostraron menor valor fueron HA3582 y HA4239 (1,57 y 1,52, respectivamente). La heterocigosis esperada promedio fue de 0,29, con valores extremos de 0,476 para la población Prao-Co y de 0,054 para la línea F-164. El número promedio de alelos por locus varió entre 3 y 16. El 100% de las poblaciones (8) y el 83,3% de los compuestos analizados (5 de 6) mostraron desvío a las proporciones de Hardy-Weinberg, con exceso de homocigotas en la mayoría de los loci. La estima global de FST permitió detectar niveles de diferenciación altos y estadísticamente significativos entre entradas (FST=0,413, p<0,05). La estructura poblacional inferida mediante métodos bayesianos mostró la existencia de 14 entidades panmícticas. Individuos de todas las entradas evidenciaron patrones de mezcla con diferentes proporciones de los acervos génicos detectados contribuyendo a sus constituciones genéticas. Los mayores niveles de mezcla se detectaron para la población Prao-co. El ensayo bajo condiciones controladas en déficit hídrico moderado resultó eficiente para la fenotipificación rápida de líneas pertenecientes al programa de mejoramiento para tolerancia a sequía. El análisis de los patrones de variación en 7 regiones candidatas para tolerancia a déficit hídrico (Hahb4- p, Hahb4, Suntip, FB, HaL1L, HaDhn1 y CK) reveló una frecuencia promedio de SNP de 1/48,3 pb y una diversidad nucleotídica promedio (Өw) de 0,00501. Se obtuvo un elevado nivel de desequilibrio de ligamiento (DL) (r2=0,88 a las 900 pb), decayendo sólo en Suntip (r2=0,325 a las 207 pb) y en HaDhn1 (r2=0,249 a las 78 pb). Las regiones Suntip y HaDhn1 serían las más apropiadas como candidatas para mapeo por asociación por la multiplicidad de variantes alélicas en frecuencias similares, mientras que las regiones Hahb4, Hahb4-p, FB y HaL1L resultan interesantes debido a la posible incidencia de procesos selectivos y podrían emplearse en un futuro, complementando el análisis con un mayor número de entradas en la población de mapeo. Este trabajo constituye el primer aporte en la evaluación de la variabilidad genética contenida en el BAG-IM mediante marcadores moleculares. Los resultados aquí presentados permitirán diseñar estrategias para la caracterización genética exhaustiva del banco y sentar las bases para el desarrollo de estudios de mapeo por asociación para el carácter de tolerancia a déficit hídrico.

Seed banks offer a valuable source of alelic diversity for crop genetic improvement. For genetic resources to reach their maximum utilty, the phenotypic characterization of the conserved materials (abiotic and biotic stress resistance, chemical indices, nutritional quality and yield, among others), must be accompanied by their genetic characterization. The genetic composition at the molecular level is the best indicator of the genetic potential of the bank´s accessions. The aims of this study were: a) to asses the genetic diversity of a set sunflower accessions preserved at the Active Germplasm Bank of INTA Manfredi (AGB-IM), b) to assess the polymorphisms distribution and population structure, c) to study the consistence between two methods for the evaluation of drought tolerance, and d) to study the nucleotide diversity of candidates regions for drought tolerance in a set of lines from the corresponding breeding program. For the first goal, a total of 337 individuals corresponding to 21 accessions encompassing a wide range of geographic origins and breeding programmes were selected for analysis. These accessions include inbreed lines, cultivated populations and compounds used in sunflower breeding programs of INTA and they are representative of the morphological diversity spectrum conserved at the AGB-IM, as confirmed by cluster analysis of a more comprehensive set of accessions. Molecular characterization was conducted using 16 microsatellite markers of known genomic location representing different linkage groups. The 16 loci used in the analysis were polymorphic and revealed a total of 108 alleles. The average gene diversity was 0,29 and the average number of alleles per locus was 6,75. Gene diversity indices varied from 0,476 to 0,054, with population Prao-co and line F-164 showing the highest and lowest values, respectively. The mean number of allele per locus ranged from 3 to 16. As expected for breeding materials, departures from Hardy-Weinberg proportions were observed in 100% of populations (8) and 83,3% of composites (5 of 6) studied, with most loci exhibiting an excess of 6 homozygotes. Global estimates of FST revealed very high and statistically significant levels of differentiation among accessions (FST=0,413, p< 0,05). Inference of population structure was also performed using a bayesian model based approach. The number of gene pools showing the highest likelihood was 14. Individuals from all accessions were admixed, with different proportions of the inferred gene pools contributing to their genomic constitution. Prao-co cultivated population exhibited the highest levels of admixture and showed evidence of several gene pools contributing to their genomes. The mannitol test proved to be a reliable and potentially useful method for the screening of drought tolerance in sunflower. Analysis of nucleotide diversity in seven candidate genes (Hahb4-p, Hahb4, Suntip, FB, HaL1L, HaDhn1 and CK) revealed an average SNP frequency of 1/48,3 bp and an average nucleotide diversity (Өw) of 0,00501. A high level of LD was obtained for all the regions (r2=0,88 at 900 pb) except for Suntip where LD decays to r2=0,325 at 207 pb and HaDhn1 where LD decays to r2=0,249 at 78 pb. Suntip and HaDhn1 are the most promising regions for association mapping, while Hahb4, Hahb4-p, FB y HaL1L are interesting for future studies of association mapping with a larger set of lines, because they showed possible incidence of selective process. This work allowed characterizing a set of AGB-IM accessions at the molecular level based on neutral and functional markers. This information will also be useful for genetic resources management, germplasm selection, association mapping studies and plant breeding programs.