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