Identificación de QTLs asociados a fenología en cebada ...Curso CYTED “Bases fisiológicas y...
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Curso CYTED “Bases fisiológicas y genéticas de la generación del rendimiento y la calidaden trigo pan y cebada cervecera. Implicancias para el manejo agronómico y el mejoramiento
genético.
Pergamino, 2 y 3 de setiembre 2010
Identificación de QTLs asociados a fenología en cebada cervecera
Ariel CastroEEMAC, Facultad de Agronomía, Universidad de la República
El problemaIdentificar los componentes genéticos responsables de la fenología en cebada
La herramienta El uso de instrumentos genómicos para la identificación y localización de los componentes genéticos (Análisis de QTL, Mapeo por DL)
Algunos resultados
Algunas posibilidades
MCMM-LCiclo a espigazón
32363332.Llenado de grano
65635272Fertilidad de macollos (%)
949697951a.+2a.
47.149.149.344.7Peso de mil granos (g)
<2020-2520-25>25Granos/espiga
>600>600<500<500Espigas/m-2
0.3780.4260.3750.328Índice de Cosecha
> 12000> 12000> 12000> 12000Biomasa Total (Kg/ha)
ClipperQuebrachoMN 599FNC 6-1FNC I22
Castro et al., 1995
EL PROBLEMA
95.5
95.3
89.0
89.3
88.9
95.3
1992
Porcentaje de 1a + 2a
0.4335625Quebracho
0.4075388Bowman
0.3675848LCI 176
0.4225979Berolina
0.4425959Berit
0.4015791PFC 86109
19921992
Índice de cosechaRendimiento (Kg/ha)
Castro et al., 1997
EL PROBLEMA
95.5
95.3
89.0
89.3
88.9
95.3
1992
Porcentaje de 1a + 2a
0.381
0.426
0.292
0.375
0.377
0.349
1993
95.00.43338875625Quebracho
97.10.40741495388Bowman
84.60.36735285848LCI 176
82.90.42239575979Berolina
86.80.44232295959Berit
87.70.40138295791PFC 86109
1993199219931992
Índice de cosechaRendimiento (Kg/ha)
Castro et al., 1997
EL PROBLEMA
EL PROBLEMA
• Es el componente genético el determinante?
• Cuales son las bases genéticas de la fenología?
• La asociación entre ciclo/llenado/tamaño de grano, está basada en efectos pleiotrópicos en sentido amplio?
Abeledo et al., 2003
Maltería Heda1943
Maltería 1501960
Quilmes Alfa1982 Quilmes Ayelén
2000
Aurore
Quinn
Beka
Prior
Holzapfel
Heines Hanna
Darregueira
G6076
Quilmes Alfa
0.0066
Maltería 150Maltería Heda
Maltería 150
Quilmes Alfa
Quilmes Ayelén
0.0132
0.3750
0.0066 0.4375
EL PROBLEMA
• Cuales son los genes involucrados en la evolución observada?
• Cual es el “flujo” de incorporación/salida de genes?
• Cuales son las relaciones causa/efecto que explican el fenómeno observado?
QTL (Quantitative trait locus): Locus que afecta un carácter cuantitativo (Geldermann, 1975)
HERRAMIENTAS
GMS210.0
Bmac213Bmac399
15.3
Bmag77063.7HVM2064.2Bmac09064.8Bmag50465.3
Bmac03288.9
HvHVA10.0
45 cM
NUMERO DE FACTORES
• Teoría clásica: Estimación teórica basada en supuestos como efectos aditivos, loci no ligados, efectos equivalentes, etc.
• Análisis de QTL: La determinación del número de factores es simultánea a la definición de la ubicación.
LOCALIZACION DE FACTORES
• Teoría clásica:Sin información.
• Análisis de QTL: Basado en los datos genotípicos (marcadores)
HERRAMIENTAS
0
10
20
30
40
50
60
0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 70-80 80-90 90-100
hv m30 0.0
e38m50l 21.2
30.4
abc 302 52.9
bc d298 58.3
ms rh 78.2
abg69 86.0
ebmac 539a 110.4
hv dhn7 117.2
hv dhn9126.7
e33m42d 150.8
rga23 176.3
Bm ag337
Marcador:Cualquier fenotipo con máxima penetrancia, nulo o cercano a nulo efecto ambiental en su expresión y que permita la identificación en forma clara y eficiente.En otras palabras cualquier variable de herencia monogénica y distribución cualitativa.
Ejemplos:Caracteres mendelianos (tipo “liso/rugoso”)Variaciones enzimáticas (isoenzimas)Variaciones en la secuencia génica
ANALISIS DE QTL
• Población balanceada (DH derivados de una F1)
• Mapa de ligamiento de densidad razonable
• Datos fenotípicos
A
B
C
A
B
C
a
b
c
a
b
c
Línea A Línea B
Las diferencias entre los padres no pueden ser asignadas a ningún marcador polimórfico en
particular
A
B
C
a
b
c
a
b
c
A
b
c
a
B
c
a
B
c
A
b
c
a
B
C
a
B
C
A
B
c
A
B
c
a
b
C
a
b
C
0
10
20
30
40
50
60
0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 70-80 80-90 90-100
CC cc
1H 2H 3H 4HGMS210.0
Bmac213Bmac399
15.3
Bmag77063.7HVM2064.2Bmac09064.8Bmag50465.3
Bmac03288.9
HvHVA10.0
45 cM
Bmac1340.0
HVM3633.9
EBmac6840.0Bmac0931.3
Bmag12549.7
GBM10470.0
HVM5422.1EBmac41523.2
33 cM
32 cM
Distance based on SCRI map
5HBmac3160.0
Bmag50029.7
Bmag17380.5Bmag00981.0
6H 7HHvWaxy4a0.0
EBmac60326.4
HVCMA0.0
HvACL314.2Bmag50717.2
Bmag12048.5
Ris4488.2
Bmac156129.6
Bmag135144.7
35 cM
Bmag3370.0Bmac0964.5GBM10396.3
GMS0610.0
Bmag22231.0
GMS00190.4
Bmag105Bmag005
85 cM
Bmac2090.0Bmag1383.1Bmag1363.6
Bmag6034.0
Bmag22530.5
Bmag60672.1
Bmag013106.3
Bmac067
HVM400.0
Bmac18157.1Bmac030B60.7MWG218068.5Bmac31075.0
EBmac788112.2ABG54122.0baal29j18red122.7HvMLO3126.0
GBM1015141.1Bmag419148.6HvSnf2153.1HdAmyB158.1
87.2
79.5
71.3
64.0
48.5
33.3
30.1
28.9
15.7
10.3
1.5
0
Distancia
AAABAABAABmag3078
ABABAABAAHvmBmy
ABAAAABAAHVM032
ABBAAAABAABG307
AABAAAABBABC879
AABBAAABBMWG586
ABABBBABBMWG023
ABBBBBABABmac011
BBBABABBARph7
BBAABAABAEBmac357
AABABAAABABG1
AAAABABABRis44
987654321Marcador
Individuos
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
LOD score
Nivel de significación
PROBLEMAS DEL ANALISIS DE QTL
• Poblaciones segregantes y balanceadas
• Mapeo de polimorfismos
• Tamaño de población
• Determinación del mapa de ligamientos y el análisis de QTL con los mismos datos
• Calidad de los datos
Datos genotípicos Datos fenotípicos
Mapa de ligamientoAnálisis de QTL
Características cualitativas
Definimos caracteres de herencia cualitativa aquellos determinados por un uno o pocos genes, y que se distribuyen en forma cualitativa
0
20
40
60
80
100
Susceptible Resistente
Frecuencia
Tipo de reacción
Características cualitativas
• Pueden ser ubicados directamente en el mapa de ligamiento
0.00MWG889b 5.60
ABG461
30.50
Risp103 39.6047.40
62.90
69.60
78.9087.40
cat3 87.40
HvGLB 96.80
Bmag120
Bmac156
Ris44
Stripe Rust
ABC310b
KPF087
CEBADA
Población: CI 10987 x Galena
Resistencia a roya estriada
55(1H)RFLPRespuesta vernalizaciónSh2
04(4H)STSActividad de β amilasaBmy 1
21(7H)RFLPAlmidón c/alta amilosaAmo1
14(4H)RFLPRespuesta vernalizaciónSh
02(2H)STSContenido de a.fíticoIpa1
3(3H)RFLP, PCR(1-3) β glucanasaGlb(x7)
DistanciaCrom.MarcadorFunciónGen
Thomas, 2002
ALGUNOS RESULTADOS, ALGUNAS IDEAS
• QTLs para fenología en cebada
• Análisis de QTL como vía para estudiar efectos específicos
• Análisis de QTL como vía para estudiar correlaciones genéticas
Ppd-H1
denso
Laurie et al., 1995
Igri/Triumph
Ppd-H2
Vrn-H3
Vrn-H2Vrn-H1
eam8
eps2S HvCO1
eps3L
eps4L
eps5L
eps6L.1
eps6L.2
eps7S
eps7L
eam7eam9
Ppd-H2
Ppd-H1
denso
Blenheim/KymHarrington/TR306Igri/DaniloSteptoe/MorexGobernadora/CMBHarrington/Morex
Dicktoo/MorexChevron/M69Vada/L94T.Prentice/V.GoldBlenheim/E224Blenheim/Kym
Cali/BowmanGerbel/HeriotBCD47/BaronesseHalcyon/SloopAlexis)SloopChebec/Harrington
Arapiles/FranklinTallon/Kaputar
Henni/Meltan
Vrn-H3
Vrn-H2Vrn-H1
eam8
eps2S
eps3L
eam9
eps4L
eps5L
eps6L.1
eps6L.2
eam7
eps7S
HvCO1
eps7L
Ppd-H1Vrn-H3
HvCO1
0.029812.3HvCO1 + Vrn-H3 + HvCO1 x Vrn-H3
0.852130.6Pph-H1 + Vrn-H3 + Pph-H1 x Vrn-H3
<0.000148.8Pph-H1 + HvCO1 + Pph-H1 x HvCO1
0.06213.4Vrn-H3
0.11120.0HvCO1
<0.000122.4Pph-H1
pVariación genética explicadaModelo
Stracke et al., 2009
Proporción de la variación total para fecha de floración en 220 genotipos de cebada de primavera explicada por la variación detectada dentro de tres genes asociados con la fenología
2004 15 de mayo
0
5
10
15
20
25
30
35
78 81 84 87 90 93 96 99 102 105
Días a emergencia de aristasF
recu
enci
a2003 15 de julio
0
5
10
15
20
25
30
63 66 69 72 75 78 81 84
Días a emergencia de aristas
Fre
cuen
cia
2004 1 de setiembre
0
10
20
30
40
50
60
52 54 57 60 63 66
Días a emergencia de aristas
Fre
cuen
cia
BARONESSE
BARONESSE
BARONESSE
BCD 47
BCD 47
BCD 47
Castro et al., 2008
0
10
20
30
40
50
60
0
0.05
0.11
0.17
0.23
0.29
0.35
0.41
0.47
0.54
0.58
0.62
0.68
0.74
0.8
0.85
0.91
0.97
1.03
1.09
1.15
1.21
1.26
1.32
1.38
1.44
1.5
1.56
Distancia (cM)
LR ANT
Ciclo a Floración Llenado
EB
mac
684
0.0
Bm
ac09
31.
3
Bm
ag12
549
.7
Bm
ac20
90.
0
Bm
ag13
83.
1
Bm
ag13
63.
6
Bm
ag60
34.
0
Bm
ag22
530
.5
Bm
ag60
672
.1
Bm
ag01
310
6.3
Bm
ac06
7
CROMOSOMA 2Hb CROMOSOMA 3H
80.5Baronesse
83.9BCD47
81.6BCD47Baronesse
77.3BaronesseBaronesse
77.4BCD47BCD47
73.1BaronesseBCD47
QTL 3HQTL 2HCiclo
Alelos presentes
Componentes
Crecimiento inicial
Calidad maltera
Clasificación
Rendimiento
Morfología
Sanidad (RH)
Sanidad (MB)
Fotoperíodo
Sens. al agua
Dormición
FenologíaJu
lio 2
5, 2
002
Julio
17,
200
3
Ago
sto
15, 2
003
May
o 15
, 200
4
Juni
o 15
, 200
4
Julio
30,
200
4
Ago
sto
1, 2
004
Ago
sto
25, 2
004
Sep
tiem
bre
1, 2
004
Julio
13,
200
5
Ago
sto
3, 2
005
Ago
sto
7, 2
005
Ago
sto
31, 2
005
Dic
iem
bre,
200
5
Julio
6, 2
006
Julio
24,
200
6
Julio
10,
200
6
Ago
sto
24, 2
006
Dic
iem
bre,
200
6
0
10
20
30
40
50
60
0.000
10.073
10.1
531
0.2331
0.313
10.39
310.473
10.5
632
0.6032
0.683
20.76
320.843
20.9
082
0.9882
1.068
21.14
821.228
21.3
042
1.3842
1.464
21.54
42
Distancia (cM)
LR
ANT
P.Grano
Porc.1+2
EB
mac
684
0.0
Bm
ac09
31.
3
Bm
ag12
549
.7
Bm
ac20
90.
0B
mag
138
3.1
Bm
ag13
63.
6
Bm
ag60
34.
0
Bm
ag22
530
.5
Bm
ag60
672
.1
Bm
ag01
310
6.3
Bm
ac06
7
CROMOSOMA 2Hb CROMOSOMA 3H
77.842.380.5Baronesse
65.544.383.9BCD47
60.238.881.6BCD47Baronesse
74.143.477.3BaronesseBaronesse
76.343.577.4BCD47BCD47
86.147.573.1BaronesseBCD47
QTL 3HQTL 2HP12PMGCiclo
Alelos presentes
FENOLOGIA EN LA POBLACION BCD47/BARONESSE
• Dos QTL responsables de la mayor parte de la variación (2H y 3H)
• Genes candidatos: eps2S y denso
• Completa aditividad
• ¿Posibilidad de continuar la acumulación de alelos favorables?
• ¿Especificidad en los efectos?
1H 2H 3H 4HGMS210.0
Bmac213Bmac399
15.3
Bmag77063.7HVM2064.2Bmac09064.8Bmag50465.3
Bmac03288.9
HvHVA10.0
45 cM
Bmac1340.0
HVM3633.9
EBmac6840.0Bmac0931.3
Bmag12549.7
GBM10470.0
HVM5422.1EBmac41523.2
33 cM
32 cM
Distance based on SCRI map
5HBmac3160.0
Bmag50029.7
Bmag17380.5Bmag00981.0
6H 7HHvWaxy4a0.0
EBmac60326.4
HVCMA0.0
HvACL314.2Bmag50717.2
Bmag12048.5
Ris4488.2
Bmac156129.6
Bmag135144.7
35 cM
Bmag3370.0Bmac0964.5GBM10396.3
GMS0610.0
Bmag22231.0
GMS00190.4
Bmag105Bmag005
85 cM
Bmac2090.0Bmag1383.1Bmag1363.6
Bmag6034.0
Bmag22530.5
Bmag60672.1
Bmag013106.3
Bmac067
HVM400.0
Bmac18157.1Bmac030B60.7MWG218068.5Bmac31075.0
EBmac788112.2ABG54122.0baal29j18red122.7HvMLO3126.0
GBM1015141.1Bmag419148.6HvSnf2153.1HdAmyB158.1
Resistencia a mancha borrosa
Resistencia a roya de la hojaDormición semillaSensibilidad al agua
Ciclo a floraciónRendimientoÍndice de cosechaGranos/m²Peso de granoClasificación de granoRendimiento 1ª+2ª
AlturaExcersión de espigaMacollos
Extracto de maltaPoder diastásicoAlfa amilasaBetaglucanos
Proteína
Población Henni/Meltan (Borras et al., 2010)
• Ciclo a Antesis
• Periodos analizados: Fase de iniciación de hojas y espiguillas (FHE), Fase de elongación (FEl)
• Emergencia de hojas, filocron, dinámica de macollaje
CL HENNI
CL MELTAN
FEH
FEH
FEl
FEH
FEH
FEl
CL HENNI
FEH
FEl
C.Largo
Llenado
T. macoll.
C.LargoFEl
FHE
FEl
Llenado
Llenado
FHE
FEl
POTENCIALIDADES DEL ANALISIS DE QTL
• Diseccion de los componentes geneticos de los fenotipos
• Asociaciones ligamiento/pleiotropía
• Recombinaciones no presentes en los progenitores
• Interacciones/epistasis
• Poblaciones “inmortales” (si se usan DH)
PROBLEMAS DEL ANALISIS DE QTL
• Poblaciones segregantes y balanceadas
• Mapeo de polimorfismos
• Tamaño de población
• Calidad de los datos
• Variables medidas
Bibliografia
Doerge R., 2001. Mapping and analysis of quantitative trait loci in experimental populations. Nature Review Genetics 3: 43-52
Collard, Jahufer, Brouwer y Pang, 2005. An introduction to markers, quantitative traitloci (QTL) mapping and marker-assisted selection for cropimprovement: The basicconcepts. Euphytica 142: 169-196
Dekkers y Hospital, 2002. The use of molecular genetics in the improvement ofagricultural populations. Nature Review Genetics 3: 22-32
Castro et al., 2008. Plant Breeding 127: 561-568
Borras et al., 2010. Field Crops Research 119: 36-47