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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.11.2020.tde-04052020-160237
Documento
Autor
Nome completo
Pedro Augusto Medeiros Barbosa
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Piracicaba, 2020
Orientador
Banca examinadora
Fritsche Neto, Roberto (Presidente)
Garcia, Antonio Augusto Franco
Marin, Fábio Ricardo
Reis, Luciana Lasry Benchimol
Título em inglês
Association mapping to exploit maize diversity for drought tolerance: landraces and early testcrosses as genetic resources
Palavras-chave em inglês
Abiotic stress
Genetic diversity.
GWAS
Plant breeding
Spatial analysis
Resumo em inglês
Maize (Zea mayz L.) production worldwide have been facing a tremendous obstacle in the past years, drought events are increasing in frequency and severity, mainly in tropical and subtropical regions. Moreover, climate change forecasts this as a trend for the next few years as well. The maize production can be highly affected by water deficiency stress, resulting in losses in grain yield. Mexico is the center of origin of maize, and there are many diversity centers across Latin America. This diversity should be exploited by breeding programs once it is a source of new alleles that can be responsible for the needed genetic improvements to face the forecasting challenges. This doctoral thesis addresses the theme in two sections. First, we present a review of maize genetic diversity, the use of landraces introduction in breeding programs to improve for drought tolerance, highlighting the importance to develop improved tropical germplasm to face the drought issue. In this review we also discuss the opportunity to apply Genome-Wide Associations Studies (GWAS) and Marker-Assisted Selection (MAS) in this context. In the second section we present an original GWAS application in a pre-breeding program using selected landraces as genetic sources for drought tolerance maize improvement. The aim was to tudy the genetic resources of a landrace panel to identify maize chromosomal regions associated with drought tolerance. For that, we performed the GWAS in 1306 landraces progenies originated from 20 landraces populations selected due to its agricultural performance in dry regions of Latin America. Phenotypic data were obtained from early testcross trials of two generations (BC1S1 in 2016 and BCS2 in 2017) conducted in two water regimes, irrigated and drought condition, in three locations in Mexico. Harmonic Mean of Relative Performance (HMRP) of grain yield in both water regimes was used as a measure of drought tolerance of the genotypes. The genotypic values were estimated using a spatial adjustment in a two-stage analysis. A final set of 5,695 single-nucleotide polymorphism (SNPs) markers was considered for GWAS. We were able to detect a total of 10 significant markers associated with grain yield and drought tolerance index, and we suggest two putative genes mapped close to two of these markers that can be part of the plant's response to drought stress. Besides, for two associated SNPs, the alleles from landraces provided a slightly higher yield under drought conditions. Our results indicate that the diversity delivered by these landraces combined with commercial lines is an exciting strategy to improve maize for drought tolerance.
Título em português
Mapeamento associativo em milho para tolerância a seca: variedades crioulas e testcross precoces como fonte de novo alelos
Palavras-chave em português
Análise espacial
Diversidade genética
Estresse abiótico
GWAS
Melhoramento de plantas
Resumo em português
A produção de milho ao redor do mundo vem apresentando uma grande dificuldade nos últimos anos, eventos de seca estão se tornando mais frequentes e severos, principalmente em regiões tropicais e subtropicais. Além disso, as mudanças climáticas têm sugerido que isso é uma tendência real para os próximos anos. O estresse causado pela deficiência hídrica nas lavouras de milho pode resultar em grandes quebras de produtividade de grãos. O México é o centro de origem do milho, e diversos são os centros de diversidade genética espalhados pela América Latina. Toda essa diversidade deve ser explorada pelos programas de melhoramento, já que ela é uma extraordinária fonte de novos alelos que podem ter um papel fundamental nos ganhos genéticos alcançados pelo melhoramento nos próximos anos colaborando para o enfrentamento dos desafios que são previstos. Esta tese de doutorado aborda o tema em duas partes. Primeiro, apresentamos uma revisão sobre a abundante diversidade genética do milho, e o uso de variedades crioulas nos programas de melhoramento para tolerância a seca, evidenciando a importância de se desenvolver germoplasma tropical adaptado as condições de seca no intuito de contornar este problema. Ainda na revisão, nós discutimos o uso de estudos de Associação Genômica Ampla (GWAS) e seleção assistida por marcadores (MAS) neste contexto. Na segunda parte, apresentamos um trabalho onde utilizamos GWAS em um programa de pré-melhoramento de milho visando tolerância à seca, onde variedades crioulas foram usadas como fonte de diversidade genética. O objetivo foi estudar os recursos genéticos oferecidos por um painel inicial de crioulas para identificar as regiões cromossômicas associadas à tolerância à seca. Para tanto, foram utilizadas 1306 progênies oriundas de 20 populações crioulas selecionadas por seu desempenho em regiões secas da América Latina. Dados fenotípicos foram obtidos a partir de testcross precoces de duas gerações (RC1S1 em 2016 e RCS2 em 2017) conduzidos em dois regimes hídricos distintos, um irrigado e outro sob seca, em três locais no México. O índice de média harmônica do desempenho relativo (HMRP), calculado com base nos rendimentos de grãos em ambos os regimes de água, foi utilizado como medida de tolerância à seca dos genótipos. Os valores genotípicos foram estimados usando ajuste espacial em uma análise de dois estágios. Um conjunto final de 5695 marcadores de polimorfismo de nucleotídeo único (SNPs) foi considerado para o mapeamento associativo. Como resultados, pudemos detectar um total de 10 marcadores significativos associados ao rendimento de grãos e ao índice de tolerância à seca, e sugerimos dois genes putativos mapeados próximos a dois desses marcadores que podem ter importante participação na resposta da planta ao estresse hídrico. Além disso, para dois SNPs associados, alelos originários das variedades crioulas resultaram em um rendimento ligeiramente maior sob condições de seca. Nossos resultados indicam que a diversidade oferecida pelas variedades crioulas combinada com linhagens já melhoradas pode ter um importante papel no melhoramento de milho tropical para a tolerância à seca.
 
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Data de Liberação
2022-02-14
Data de Publicação
2020-05-05
 
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