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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.11.2019.tde-20191220-113718
Documento
Autor
Nome completo
Eduardo Bearzoti
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Piracicaba, 1997
Orientador
Título em português
Simulação de seleção recorrente assistida por marcadores moleculares em espécies autógamas
Palavras-chave em português
MARCADOR MOLECULAR
PLANTAS AUTÓGAMAS
SELEÇÃO
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL
Resumo em português
A seleção recorrente em espécies autógamas consiste em um procedimento que pode aumentar a probabilidade de combinações genotípicas superiores, em virtude do aumento da frequência de alelos favoráveis. Entretanto, trata-se de uma prática de difícil execução, principalmente devido ao fato de a etapa de recombinação quase sempre ter de ser manual. Suas dificuldades inerentes demandam a busca por metodologias que aumentem sua eficiência. A seleção assistida por marcadores moleculares pode contribuir nesse sentido, uma vez que quase sempre algum desequilíbrio de ligação é restabelecido em cada ciclo seletivo, em decorrência do uso frequente de unidades de seleção com algum grau de endogamia. Para tanto, é fundamental a estimação da proporção da variância genética explicada por marcadores moleculares (p), se um índice de seleção for utilizado, combinando as informações fenotípica e molecular. Embora o coeficiente de determinação (R2) seja por vezes empregado para esse fim, não é claro sob quais circunstâncias esta estatística é adequada, e se não haveria outros estimadores mais apropriados. Face aos aspectos levantados, este trabalho teve por objetivos: a) a obtenção de um estimador da proporção da variância genética explicada por marcadores moleculares, e a avaliação de algumas de suas propriedades e de sua utilização na seleção assistida por marcadores; e b) a avaliação da seleção assistida por marcadores moleculares em espécies autógamas, mediante simulação em computador, sob diferentes valores de parâmetros genéticos e de outros fatores. Um estimador da proporção p da variância genética explicada por marcadores moleculares foi obtido considerando situações em que modelos de regressão múltipla são utilizados, tendo o número de cópias de um dos alelos de vários locos marcadores como variáveis regressaras. Também considerou-se como variável dependente a média fenotípica de progênies avaliadas em experimentos com repetições. Para a avaliação da seleção assistida por marcadores em plantas autógamas, linhagens endogâmicas foram simuladas, em número de 5 (na maioria das situações), cada qual participando de dois cruzamentos mediante um esquema de dialelo circulante, formando assim uma população-base composta por 5 subpopulações. Em cada uma destas, 400 plantas So ou S2 eram classificadas quanto ao genótipo de 130 locos marcadores codominantes, ao longo de um genoma fictício de 10 Morgans. Neste genoma, 50 QTL's foram dispostos aleatoriamente, apresentando efeito diferenciado. As progênies obtidas daquelas plantas So ou S2 eram dispostas em 2 repetições. Os descendentes obtidos por autofecundação das progênies selecionadas formavam novas 5 subpopulações em um ciclo seletivo seguinte. Ao todo, 6 ciclos de seleção foram simulados em 10 repetições, para cada conjunto de valores para parâmetros possivelmente influentes. A seleção assistida por marcadores foi praticada mediante o índice de seleção de Lande & Thompson (1990), e avaliada comparando-a com a seleção baseada apenas nas médias fenotípicas das progênies. Para quantificar o nível de desequilíbrio de ligação em um dado ciclo seletivo, foram considerados todos os pares de locos marcadores distanciados de 16,67 cM apresentando polimorfismo, tomando-se o valor médio do desequilíbrio. Quando o número de progênies é pequeno (da ordem de 10), tanto o estimador proposto da proporção da variância genética explicada por marcadores moleculares, como o coeficiente de determinação, mostraram-se insatisfatórios, devido à sua tendenciosidade ou baixa precisão. Por outro lado, se a herdabilidade da característica for alta, ou tanto este parâmetro como p forem altos, o coeficiente de determinação R2 mostrou-se mais apropriado. Se o número de progênies avaliadas for alto (algumas centenas), o estimador proposto tem um vício consideravelmente menor que o de R2, e com um nível de precisão tolerável. Nesses casos, intervalos de confiança para p podem ser construídos utilizando a aproximação normal. Os resultados de uma forma geral não atestaram a seleção assistida por marcadores como eficiente, por mais de um único ciclo seletivo, em todas as situações consideradas. A razão principal dessa falta de eficiência foi tida principalmente pelo fato de que, ao contrário de estudos anteriores, nos quais foram consideradas populações-base formadas a partir do cruzamento de duas linhagens endogâmicas apenas, nesse estudo optou-se pela simulação de uma população-base formada a partir de várias linhagens. Isto fez com que ocorressem misturas de diferentes fases de ligação entre locos marcadores e aqueles controladores da característica em questão, diminuindo o nível de desequilíbrio de ligação ao longo dos ciclos seletivos, apesar do uso de unidades de recombinação endogâmicas. Quando considerada por apenas um ciclo seletivo, a seleção assistida por marcadores mostrou-se eficiente, especialmente se praticada em gerações precoces de autofecundação, e quando a característica apresentou baixa herdabilidade. O tamanho das subpopulações nas quais a metodologia foi aplicada afetou sobremaneira sua eficiência, demandando a avaliação de algumas centenas de progênies por cruzamento. A técnica mostrou-se promissora no primeiro ciclo seletivo, mesmo em presença de dominância positiva completa. O uso de 200 locos marcadores, ao invés de 130, propiciou melhorias apenas modestas de eficiência. Baixos valores do coeficiente de heterogeneidade de solo de Smith (1938), com consequentes reduções na herdabilidade, também não aumentaram sobremaneira a eficiência do uso de marcadores moleculares. Para que a seleção assistida por marcadores se mantivesse eficiente por mais de um ciclo seletivo, testou-se o uso de seleção de apenas uma progênie por cruzamento (e, consequentemente, apenas duas progênies para compor subpopulações, em ciclos seguintes). Este procedimento de fato aumentou o desequilíbrio de ligação gerado na etapa de recombinação, mas mostrou-se inadequado a longo prazo, devido à ocorrência de alta deriva genética, tanto em QTL's como em locos marcadores, reduzindo o nível de polimorfismo. O uso de um alto tamanho efetivo populacional, pelo uso de 20 linhagens para compor a população-base, não foi suficiente para contornar o problema da deriva genética, evidenciando a dificuldade de se estabelecer um programa de melhoramento em espécies autógamas com características tais que a seleção assistida por marcadores se justifique.
Título em inglês
Simulation of marker-assisted recurrent selection in autogamous species
Resumo em inglês
Recurrent selection in cultivated autogamous species is a procedure that can enlarge the probability of obtaining superior genotypes, by increasing the frequencies of favorable genes. However, the practice is difficult to be carried out mainly because recombination generally needs to be made manually. These inherent difficulties require the search for methodologies to enhance its efficiency. This can be partly achieved through marker-assisted selection, since almost certainly some level of linkage disequilibrium will be restored, at every cycle of selection, when inbred lines are used as selection units. ln marker-assisted selection, the estimation of the proportion of the genetic variance explained by molecular markers (p) is imperative, when a selection index, combining both phenotypic and molecular information, is used. The coefficient of determination (R2) is sometimes taken for this purpose, but it is not clear under which circumstances this statistic is suitable, and whether there are better estimators. Considering these points, the main objectives of this work were: a) to obtain an estimator of the proportion of the genetic variance explained by molecular markers, and to evaluate its properties and its use in marker-assisted selection; b) to evaluate marker-assisted selection in autogamous species through computer simulation, assuming different genetic and non-genetic parameters conditions. An estimator of the proportion of genetic variance explained by molecular markers was obtained considering a multiple regression model, in which the numbers of one of the alleles, at several marker toci, are the regressor variables. The dependent variable was the phenotypic mean of progenies evaluated in replicated trials. The evaluation of marker-assisted selection in autogamous species was performed by simulating 5 inbred tines (in most of the situations considered), each crossed with two others, in a circulant diallel scheme, such that a base population of 5 crosses was formed. Within each cross, 400 So or S2 plants were genotyped in relation to 130 marker Ioci, spread over a genome of 10 Morgans. ln this genome, 50 QTL of different effects were located randomly. Progenies derived from those So or S2 plants were replicated twice, and evaluated with respect to the simulated trait. The descendants of the selected progenies formed 5 new subpopulations in a next selective cycle. For each situation, 6 cycles were simulated in 10 replications. The index proposed by Lande & Thompson (1990) was applied for marker-assisted selection and its efficiency measured by comparing the average progress attained with that found assuming selection based solely on phenotypic progeny means, for the simulated trait. The level of linkage disequilibrium in a given cycle was quantified by the average value observed in all pairs of polimorfic marker loci, 16.67cM distant of one another. The proposed estimator of the proportion of genetic variance explained by molecular markers, and the coefficient of determination, were both unsatisfactory with small numbers of progenies (about 10), due to strong bias and/or low precision. However, if heritability of the trait is high, or both heritability and p are high, then the coefficient of determination R2 showed to be more suitable. lf the number of evaluated progenies is large (as a few hundreds), the proposed estimator was less biased than R2, and had an acceptable precision. Under these circumstances, confidence intervals for p can be constructed based on approximations to the normal distribution. Results in general showed that marker-assisted selection is not efficient, after the first cycle of selection, for all situations considered. These results are not in agreement with previous reports on computer simulation of marker assisted selection. The reason for this contrast must have been that, while in most of other works the base population was constructed by crossing only two inbred lines, in this study the base population was formed by intercrossing several inbred lines. This caused a mixture of different gametic phases between marker loci and quantitative trait loci, thus reducing the amount of linkage disequilibrium, in advanced cycles, despite the use of inbred selection units. When considering a single cycle of selection, marker-assisted selection showed to be efficient, specially if practiced in early generations of inbreeding, and under low heritability. The size of the population strongly affects its efficiency, requiring the evaluation of some hundreds of progenies. The technique was promising in a single cycle of selection even in the presence of complete positive dominance. The use of 200 marker loci yielded only slight improvement in efficiency, in relation to 130 marker loci. Low values of the coefficient of soil heterogeneity of Smith (1938), which lowered heritability, did not markedly increase the efficiency of marker-assisted selection, either. ln order to search for situations in which marker-assisted selection could be effective in subsequent cycles, the selection of a single progeny per cross was also simulated. This led to the formation of subpopulations consisting of only two inbred lines, in all cycles, and a consequent increase of linkage disequilibrium in the recombination process. In spite of this, the effectiveness of marker-assisted selection was not improved in a long term basis, mainly due to genetic drift that was detected not only for QTL's but for marker loci as well, thus reducing the degree of polymorphism. lncreasing effective population size through a large number (20) of inbred lines to form the base population was not sufficient for reducing the effect of drift. These results clearly showed that finding the ideal situations for marker-assisted selection to be effective in autogamous species is a difficult task.
 
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Data de Publicação
2019-12-20
 
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