Tesis:
Exploring the genomic diversity of wheat landraces for new breeding challenges
- Autor: LÓPEZ FERNÁNDEZ, Matilde
- Título: Exploring the genomic diversity of wheat landraces for new breeding challenges
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS
- Departamentos: BIOTECNOLOGIA-BIOLOGIA VEGETAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/76502/
- Director/a 1º: GIRALDO CARBAJO, Patricia
- Director/a 2º: PASCUAL BAÑULS, Laura
- Resumen: El trigo blando o panadero (Triticum aestivum L.) es uno de los principales cultivos para la alimentación humana, cuyo rendimiento se ha más que triplicado desde el siglo XX gracias a la mejora vegetal. Sinembargo, los programas de mejora de trigo han ido reduciendo la base genética del cultivo, por lo que es necesario introducir nueva diversidad. Las variedades locales han demostrado ser una fuente de variabilidad muy importante, pero aún poco explotada enmejora, debido a la caracterización previa necesaria para su uso. En España, se dispone de una amplia colección de variedades locales de trigo, conservada en el banco de germoplasma del Centro de Recursos Fitogenéticos, aún por explorar. Disponer de colecciones de variedades locales muy diversas permite realizar estudios de asociación para la identificación de regiones genómicas responsables del control genético de caracteres de interés en programas de mejora.
El objetivo de esta tesis doctoral es la caracterización de la diversidad genética y fenotípica de un conjunto de 189 variedades locales españolas de trigo blando, en comparación con un set de 29 variedades de referencia, que incluye los 18 cultivares más cultivados en España en los últimos 25 años. Con ello, se pretende profundizar en el control genético de caracteres relacionados con adaptabilidad, calidad y rendimiento.
El genotipado masivo mediante la tecnología DArTseq de las variedades locales y de referencia generó un total de 44.241 marcadores DArT de presencia/ausencia y 8.238 marcadores SNP, de alta calidad, repartidos por todo el genoma. El análisis genético mostró que la colección de variedades locales se estructuraba en cuatro poblaciones genéticas diferenciadas, que reflejaban en parte su origen ecogeográfico. La diversidad genética hallada en la colección de variedades locales fue mayor a la del conjunto de referencia. Adicionalmente, estas variedades se genotiparon mediante marcadores moleculares y bioquímicos para genes específicos relacionados con adaptabilidad y calidad.
La colección de variedades locales y el subconjunto de 18 variedades modernas se caracterizaron en 5 campañas para un total de 13 caracteres cuantitativos relacionados con adaptabilidad, calidad y rendimiento. Las variedades locales mostraron un amplio rango de valores fenotípicos para todos los caracteres analizados, superior al encontrado en el subconjunto de modernas, hallándose una influencia significativa de la campaña y de la población genética para casi todos los caracteres. En base a los datos recabados, se preseleccionaron 15 variedades locales de buen rendimiento y alta calidad para su potencial uso directo en agrosistemas agrícolas centrados en el cultivo de variedades tradicionales.
El análisis de la variabilidad genética para genes relacionados con adaptabilidad mediante marcadores moleculares mostró que la mayoría de las variedades locales portaban alelos que otros autores han asociado con variedades de primavera, cuya floración es independiente de la vernalización, y alelos asociados a sensibilidad al fotoperiodo. Sin embargo, estos alelos no explicaban completamente la variabilidad fenológica hallada, indicando la influencia de otros genes.
El genotipado mediante marcadores moleculares y bioquímicos para genes relacionados con la calidad panadera, como los que codifican para las puroindolinas, asociadas a la dureza del grano, y para las gluteninas de alto peso molecular, asociadas con la fuerza del gluten, reveló una amplia variabilidad en la colección. Algunos de estos alelos no se habían descrito previamente y otros resultaron específicos de la península ibérica. La relación entre los alelos de gluteninas y la fuerza del gluten identificó algunos asociados con una buena calidad panadera.
La amplia variabilidad fenotípica encontrada en la colección de variedades locales, junto a los marcadores SNP de alta calidad localizados en el genoma de referencia del trigo, permitieron realizar un análisis de asociación. Se hallaron un total de 928 asociaciones carácter-marcador (MTAs) para los 13 caracteres relacionados con la fenología, la calidad y el rendimiento, que se agruparon en 393 Marker Trait Association Quantitative Trait Loci (MTA-QTLs). El estudio de estos MTA-QTLs permitió identificar 33 regiones que presentaban una alta densidad de asociaciones para caracteres asociados a rendimiento y que pueden ser de particular interés en mejora de trigo. De todas ellas, seis se hallaron asociadas con el tamaño y longitud de grano y con el peso de mil granos en 3 campañas. Se observaron diferencias significativas entre los valores fenotípicos de las variedades en función del alelo que portaban para los marcadores asociados, por lo que estos marcadores pueden ser de utilidad en programas de mejora. Por último, el estudiode la anotación funcional de los genes de estas regiones permitió la selección de un total de quince genes candidatos responsables del control genético del rendimiento.
La gran variabilidad genotípica y fenotípica de esta colección de variedades locales detectada en este estudio, muestra su utilidad para aumentar el acervo genético de los programas de mejora y su potencial para el desarrollo de variedades resilientes de alto rendimiento y calidad.
ABSTRACT
Bread wheat (Triticum aestivumL.) is one of the main crops for human food, havingmore than tripled its yield since the 20th century thanks to plant breeding. However, wheat breeding programs have progressively reduced the genetic base of the crop, making necessary theintroduction ofnew diversity. Landraceshave provedto be a very important source of variability but have been underexploited in breeding due to the need for apreviouscharacterization prior totheir use. In Spain, there is a wide collection of landraces preserved in the germplasm bank of the Centrefor Plant Genetic Resources, yet to be explored. Having diverse collections of landracesallows for association studiesin orderto identify genomic regions responsible for the genetic control of traits of interest in breeding programs.
The aimof this PhDthesis is the characterization of the genetic and phenotypic diversity of a set of 189 bread wheat Spanish landraces, compared to a set of 29 reference varieties, which includes the 18 most cultivated cultivars in Spain in the last 25 years. The objectiveis to deepen the genetic control of traits related to adaptability, quality, and yield.
High-throughput genotyping using DArTseq technology of the landracesand reference varieties generated a total of 44,241 DArT presence/absence markers and 8,238 high-quality SNP markers distributed throughout the genome. Genetic analysis showed that the collection of landraceswas structured into four differentiated genetic populations, partly reflecting their eco-geographic origin. The genetic diversity found in the landracescollection was greater than in the reference set. Additionally, these varieties were genotyped using molecular and biochemical markers for specific genes related to adaptability and quality.
The collection of landracesand the subset of 18 modern varieties were characterized over 5 seasons for a total of 13 quantitative traits related to adaptability, quality, and yield. The landracesshowed a wide range of phenotypic values for all analysed traits, exceeding those found in the subset of modern varieties. There was a significant influence of the season and the genetic population for almost all traits. Based on the collected data, 15 high-yield and high-quality landraceswere preselected for their potential direct use in farming agrosystems focused on the cultivation of traditional varieties.
The analysis of genetic variability for genes related to adaptability using molecular markers showed that most landracescarried alleles associated with spring varieties, for whichflowering isindependently fromvernalization, and alleles associated with photoperiod sensitivity. However, these alleles did not fully explain the phenological variability found, indicating the influence of other genes.
Genotyping using molecular and biochemical markers for genes related to baking quality, such as those encoding puroindolines associated with grain hardness,and high-molecular-weight glutenins associated with gluten strength, revealed a wide variability in the collection. Some of these alleles had not been described previously, and others were specific to the Iberian Peninsula. The relationship between glutenin alleles and gluten strength identified someof them to beassociated with good baking quality.
The wide phenotypic variability found in the collection of landraces, along with the high-quality SNP markers located in the reference wheat genome, allowedto perform an association analysis. A total of 928 marker-trait associations (MTAs) were found for the 13 traits related to phenology, quality, and yield, which werethengrouped into 393 Marker Trait Association Quantitative Trait Loci (MTA-QTLs). The study of these MTA-QTLs identified 33 regions with a high density of associations for yield-related traits, which mightbe of particular interest in wheat breeding. Among them, six were associated with grain size and length,andalso withthousand kernelweight in three seasons. Significant differences were observed in the phenotypic values of the varieties depending on the allele they carried for the associated markers, indicating the potential utility of these markers in breeding programs. Finally, the study of functional annotation of the genes in these regions allowed for the selection of a total of fifteen candidate genes responsible for the genetic control of yield.
The great genotypic and phenotypic variability of this collection of landracesdetected in this study demonstrates its usefulness inwideningthe gene poolsof breeding programs,and its potential for the development of high-yield and high-quality resilient varieties.