Prospección de genes candidatos para caracteres asociados al rendimiento de trigo pan mediante la aplicación de herramientas de genómica comparativa

Abstract

El trigo es uno de los cultivos de granos más importantes del mundo y las perspectivas del mercado mundial marcan un aumento sostenido de la demanda, por lo que debe continuar incrementándose el rendimiento por unidad de superficie. Sin embargo, el rendimiento de un cultivo es un carácter complejo, controlado por un elevado número de genes de fuerte interacción con el ambiente. Por lo tanto, para enfrentar el desafío de continuar mejorando sostenidamente el rendimiento es necesario identificar cómo están controlados los caracteres asociados al mismo. En los últimos años se ha producido un dramático progreso en el conocimiento de las bases genéticas de caracteres asociados con el rendimiento en especies modelo; sin embargo, dicho progreso no se ha producido en igual magnitud en el cultivo de trigo. Esto se debe a que es un alohexaploide formado recientemente, lo que se traduce en que muchos de los genes homeólogos son aún funcionales. Además, el gran tamaño de su genoma y la poca cantidad de marcadores moleculares existentes con respecto a otros cultivos dificultan el clonado de genes. Sin embargo, estas mismas características, sumadas al modo de reproducción, convierten al trigo en una especie adecuada para la aplicación de mapeo de asociación. Éste puede combinarse con el empleo de marcadores diseñados a partir de genes asociados a los caracteres de interés provenientes de especies relacionadas gracias a que existe un alto grado de conservación entre las regiones génicas. En este sentido, el objetivo del proyecto fue identificar genes candidatos que eventualmente puedan ser utilizados en el mapeo de caracteres relacionados con el rendimiento en trigo pan. Para ello se utilizaron dos enfoques de genómica comparativa. En el primero se seleccionaron 25 genes candidatos relacionados con caracteres que afectan el rendimiento en arroz, cebada y Brachypodium distachyon. Estos genes fueron comparados con EST/ADNc de trigo, y se seleccionaron 13 no caracterizados previamente en trigo, que cumplieron condiciones preestablecidas. En el segundo enfoque se seleccionaron 11 QTLs de rendimiento identificados en trigo y se determinó la colinealidad de marcadores flanqueantes en las especies mencionadas anteriormente con el objetivo de identificar genes candidatos. No fue posible seleccionar ningún gen por esta metodología. Los genes identificados por el primer enfoque fueron alineados globalmente con secuencias homólogas pertenecientes a las tres especies modelo. Luego se identificaron regiones conservadas a partir de las que se diseñaron iniciadores específicos, y se predijo in silico el tamaño aproximado de los productos esperados. Para 12 de los 13 genes se obtuvieron productos de amplificación por PCR, y 11 tuvieron un tamaño cercano al esperado. Los resultados obtenidos indican que es posible identificar genes candidatos a través de herramientas de genómica comparativa in silico y diseñar iniciadores específicos de forma rápida y sencilla. Aunque aún es necesario establecer si los genes seleccionados están asociados al rendimiento en trigo, este trabajo constituye un primer paso hacia la identificación de polimorfismos en dichos genes candidatos y su eventual asociación con el fenotipo de diferentes cultivares.

Bread wheat is one of the world’s most important crops. Current and future prospects indicate that its demand will continue to increase; hence, wheat production will have to increase as well, and raising yields per area unit appears to be the best strategy to tackle this challenge. Grain yield is a complex trait controlled by multiple genes and highly influenced by the environment. To overcome this situation, it is necessary to gain insight into the genetic and molecular basis of yield and related-yield traits. Recently, a remarkable advance in the elucidation of the genetic and molecular basis underlying-yield related traits has occurred in model organisms, but such progress has not been yet fully evidenced in bread wheat. The reason is that bread wheat is a recently formed hexaploid species, in which most homeologous genes retain their functionality. Its extremely large genome and the limited number of molecular markers available, compared to other crops, hampers the map-based cloning of genes. However, these obstacles can be overcome by combining association mapping with molecular markers designed on the basis of information available from related species. This is possible because genic regions are highly conserved among grasses. The aim of this study was to identify candidate genes that may be used for mapping yield-related traits in bread wheat. For this purpose, two approaches were systematized. In the first approach, 25 genes identified as controlling yield-related traits were selected from rice, barley and Brachypodium distachyon. These genes were aligned and compared with ESTs and cDNAs from wheat. As a result, 13 uncharacterized sequences were selected in wheat, which met a series of preestablished criteria. In the second approach, 11 QTLs for yield-related traits were selected from wheat, and colinearity of flanking markers was determined in the related species mentioned above, in order to identify candidate genes in colinear regions. It was not possible to select genes by this methodology. Genes identified by the first approach were compared with homologous sequences from related species by global alignment. Conserved regions within each gene were identified and used for primer design. Expected length for the PCR products was predicted in silico. Twelve out of 13 genes yielded conspicuous PCR products and 11 of them were close to the expected size. The results obtained in this study show that it is possible to identify candidate genes and design specific primers in a simple and rapid manner by using a comparative genomics approach. Although it is still necessary to establish whether the selected genes are associated with yield in wheat, this study constitutes a first step towards the identification of polymorphisms in these candidate genes and their possible association with the phenotype of different cultivars.