Análisis genéticos de caracteres de interés para la mejora de judía común basados en el genoma de la especie (phaseolus vulgaris l.)

Resumen

El objetivo principal de esta Tesis Doctoral fue profundizar en el control genético de caracteres de interés para la mejora genética de judía común (Phaseolus vulgaris L.), como resistencia a enfermedades y caracteres morfológicos de semilla y vaina. Se siguió una estrategia de análisis genético directo para tratar de conectar el fenotipo de interés con el correspondiente genotipo y, gracias a la reciente disponibilidad del genoma de referencia de la especie, conectar toda esa información con el genoma lo que permite delimitar las regiones cromosómicas implicadas e incluso identificar genes candidatos. La Tesis se organiza en cinco capítulos cada uno de los cuáles se corresponde con un artículo científico. El Capítulo 1 se centra en el estudio de la resistencia a oidio (PM), una enfermedad devastadora en muchos cultivos de leguminosas. Para identificar nuevas fuentes de resistencia, se llevó a cabo la evaluación en condiciones controladas, de la resistencia frente a un aislamiento local de PM en un conjunto de 108 accesiones entre las que se incluyeron judía de grano y de verdeo. Se identificaron 11 accesiones que mostraron una resistencia total. No se encontró ninguna accesión que mostrara una resistencia total entre las accesiones de verdeo, aunque dos cultivares mostraron fenotipos mixtos, en los que se observaron plántulas con resistencia total. La herencia de la resistencia se estudió en tres poblaciones biparentales de tipo F2:3 derivadas de distintos cruzamientos entre los que se encuentran los parentales resistentes BelNeb, BGE003161 y G19833. En las tres poblaciones, la segregación observada para la resistencia se ajustó a lo esperado para un gen dominante en una población de tipo F2:3. Los genes de resistencia fueron mapeados en el extremo inicial del cromosoma Pv04 entre las posiciones físicas 0 y 1.09 Mb del cromosoma Pv04. Este trabajo proporciona nuevas fuentes de resistencia a oidio y marcadores asociados los genes de resistencia, que serán muy útiles en los programas de mejora genética de judía común encaminados a variedades resistentes frente a esta enfermedad. El Capítulo 2 se centra en el estudio de la resistencia a antracnosis en judía común, una enfermedad mundialmente extendida causada por el hongo Colletotrichum lindemuthianum. La resistencia genética frente a este patógeno es raza específica, donde diferentes genes protegen contra diferentes razas patogénicas. Se estudió la resistencia a las razas 6, 38, 39, 65, 73 y 357 en una población de líneas recombinantes (RIL) derivada del cruzamiento de Xana/BAT93. Se construyó un mapa de ligamiento de alta densidad con 497 marcadores de tipo SNP obtenidos mediante Genotyping by Sequencing (GBS). En el cultivar Xana se localizaron dos genes de resistencia específicos frente a las razas 65 y 73 en el extremo distal del cromosoma Pv01 (Co-165X, Co-173X), donde se ha descrito previamente el cluster de resistencia a antracnosis Co-1. El gen Co-165X fue localizado entre las posiciones físicas 49,51 y 49,65 Mb del cromosoma Pv01. Se observó una fuerte co-segregación entre la respuesta a las razas 6, 38, 39, 73 y 357 en la línea BAT93, lo que indica que el mismo gen, o genes estrechamente relacionados, estan involucrados en el control genético. El análisis de ligamiento permitió localizar el gen de resistencia a la raza 38 (Co-338-B) en el extremo inicial del cromosoma Pv04, en la posición genética del cluster de Co-3. Este fue flanqueado por marcadores que etiquetan dos regiones no contiguas el cromosoma Pv04, de 1,28 Mb a 1,41 Mb y de 1,90 Mb a 2,04 Mb. En el extremo inicial de este cromosoma se han descrito otros genes de resistencia a antracnosis (Co-3, Co-33, Co-34 y Co-16). El posicionamiento de los genes de resistencia en el genoma de judía basado en el mapeo de ligamiento fino debería desempeñar un papel importante en la caracterización y diferenciación de los genes de resistencia a antracnosis ayudando a esclarecer el escenario actual de los genes de resistencia a antracnosis en judía. En el Capítulo 3, se investigaron e identificaron las regiones genómicas introgresadas implicadas en la resistencia a antracnosis (Co-2 y Co-3), al virus del mosaico común del frijol (BCMV) y al virus de la necrosis del mosaico común del frijol (BCMNV, I y bc-3) en un conjunto de líneas casi isogénicas (NILs) de judía, previamente genotipadas mediante GBS. El análisis de GBS proporcionó 12,697 marcadores de tipo SNP, aunque la densidad de marcadores a lo largo de los cromosomas no fue uniforme. Algunas regiones cromosómicas, como las centroméricas o pericentroméricas, estaban menos etiquetadas. El método de retrocruzamientos permitió la introgresión de regiones genómicas en cromosomas específicos. El número de regiones introgresadas en las líneas, tras el programa de mejora, varió entre 1 y 13 lo que supone desde el 0,32% al 6,88% del genoma de judía. Por otro lado, el análisis del genotipo de los marcadores SNPs nos permitió acotar cuatro regiones genómicas en los cromosomas Pv02, Pv04, Pv06 y Pv11 donde están localizados los genes I, Co-3, bc-3 y Co-2 previamente introgresados en las distintas líneas. Estas regiones fueron comunes a todas las NIL derivadas de la misma fuente de resistencia. Estos resultados permitieron verificar las posiciones físicas de los genes de resistencia antracnosis Co-2 y Co-3. Este conocimiento se puede utilizar en programas de selección que involucran a estas regiones ricas en genes de resistencia. En el Capítulo 4, el objetivo fue identificar los QTL asociados con el fenotipo de semilla y vaina y evaluar la consistencia de estos QTL en diferentes entornos, estudios y antecedentes genéticos. Se utilizaron dos poblaciones anidadas de líneas recombinantes obtenidas de los cruzamientos Xana / Cornell 4924 (XC) y Xana / BAT93 (XB). Las poblaciones fueron fenotipadas para el tamaño de vaina y semilla (longitud, anchura, grosor, área o perímetro), número de semillas por vaina y peso de la semilla. Las evaluaciones se realizaron en dos (XB) o cinco temporadas (XC) utilizando un diseño de bloques completos distribuidos al azar. La población XC (115 líneas) se re-genotipó mediante el chip de genotipado BARCBean6K_3 y se actualizó el mapa de ligamiento de la población. El mapa final contiene 732 marcadores y una longitud de 1390 cM. La población XB (145 líneas) se genotipó a través de Genotyping by Sequencing y se elaboró un mapa de ligamiento con un total de 497 marcadores SNP y una longitud total de 1547 cM. En total, se detectaron 13 y 19 QTL implicados en el control de caracteres de dimensión de vaina y, 21 y 25 QTL para las dimensiones de semilla en las poblaciones XC y XB, respectivamente. Además, se detectaron 20 y 27 interacciones epistáticas significativas entre QTL en las poblaciones XC y XB, respectivamente. Se analizó la correspondencia entre los QTLs detectados en ambas poblaciones anidadas considerando la posición física en el genoma de judía de los marcadores subyacentes a los QTLs. Los resultados revelaron cuatro regiones superpuestas para las dimensiones de vaina y ocho para las de semilla entre las poblaciones XC y XB. Los QTLs detectados en las regiones genómicas de los telómeros de los cromosomas Pv01, Pv05, Pv06, Pv07, Pv08 y Pv11 se correspondieron con QTLs implicados en el control de dimensiones de vainas y semilla previamente descritos por otros autores. Los resultados muestran la compleja arquitectura del control genético del fenotipo de vaina y semilla y la utilidad del genoma en la integración y validación de QTL. En el Capítulo 5, se estableció un panel de diversidad de frijol común que representa la mayor parte de la diversidad española para esta especie. El objetivo del trabajo fue evaluar la estructura y diversidad de este panel para su uso en estudios de asociación de genoma completo (GWAS) e investigar el origen y la diversidad del germoplasma local para maximizar su conservación y uso. Este panel recoge 308 líneas, incluidas accesiones de la Colección Nuclear Española, cultivares élite y/o cultivares tradicionales muchos de ellos aptos para su consumo en vaina. El panel se caracterizó con 3099 marcadores de tipo SNP obtenidos mediante GBS, que reveló una amplia diversidad genética y un bajo nivel de material redundante dentro del panel. Los análisis de la estructura de la población revelaron la presencia de dos subpoblaciones principales correspondientes a los dos acervos genéticos principales de judía común, el acervo Andino y el Mesoamericano, aunque la mayoría de las líneas (70%) se asociaron con el grupo Andino. También se observaron líneas que muestran recombinación entre ambos grupos, la mayoría de ellos de verdeo, lo que sugiere que ambos grupos de genes probablemente se usaron en la mejora genética de la judía de verdeo. La utilidad de este panel para estudios GWAS se probó mediante el mapeo por asociación para el gen de la determinancia. Este análisis permitió identificar una región significativamente asociada a la determinancia que incluye el gen candidato homólogo al PvTFL1, Phvul.001G189200, previamente descrito por otros autores. En resumen, los resultados obtenidos en esta Tesis contribuyen a delimitar las regiones genómicas implicadas en el control genético de caracteres de interés como la resistencia a enfermedades o características morfológicas de la semilla y la vaina. Los esfuerzos para conectar el fenotipo con el genotipo y con el genoma deben ser continuos para tratar de llegar a identificar los genes responsables, conocer las posibles interacciones entre ellos y su aplicación en la mejora genética de esta especie.