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Tipo: Tese
Título: QTL mapping reveals constitutive and adaptive genomic regions for drought tolerance in tropical maize (Zea mays L.)
QTL mapping reveals constitutive and adaptive genomic regions for drought tolerance in tropical maize (Zea mays L.)
Título(s) alternativo(s): Mapeamento de QTL revela regiões genômicas constitutivas e adaptativas para tolerancia à seca em milho tropical (Zea mays L.)
Mapeamento de QTL revela regiões genômicas constitutivas e adaptativas para tolerancia à seca em milho tropical (Zea mays L.)
Autor(es): Almeida, Gustavo Dias de
Primeiro Orientador: Oliveira, Aluízio Borém de
Primeiro coorientador: Cruz, Cosme Damião
Segundo coorientador: Babu, Raman
Primeiro avaliador: Guimarães, Lauro José Moreira
Segundo avaliador: Guimarães, Cláudia Teixeira
Resumo: Drought is the most important abiotic stress resulting in significant yield losses in maize (Zea mays L.). Maize now recognized as one of the major and eminent food security crops due high yield potential compared with another important crops as rice and wheat. Development of more drought-tolerant genotypes can contribute to ensure food security mainly in developing areas in Africa, Asia and Latin America where this crop is a staple food. However, selection for drought tolerance is difficult because it is a complex trait with strong interactions between genotypes and environments and limited knowledge about the role and regulation of tolerance mechanisms. Classical breeding have identified morphophysiological traits related to grain yield under drought conditions. Most of these traits are polygenic, but grain yield probably remains the most polygenic and complex trait. The availability of molecular markers allowed mapping Quantitative Trait Loci (QTLs). It is a promising tool for detection constitutive and adaptive genomic regions controlling drought tolerance as well as for studying changes in the expression of these loci across varying environmental conditions. These genomic regions may be considered target for markers-assisted selection (MAS) program to develop drought tolerant genotypes. We evaluated three tropical maize populations from CIMMYT s Global Maize Program under water stress (WS) and well-watered (WW) regimes in Mexico, Kenya and Zimbabwe to provide an understanding of the genetic basis of yield and secondary traits involved in response to water-limited conditions at flowering time. To achieve this goal we conducted QTL mapping studies in single and multiple environments as well as a meta-QTL analysis to identify the most prone genomic regions across populations to be useful in MAS program. Grain yield (GY) and anthesis-silking interval (ASI) were measured in Mexican and African environments, while secondary traits, as ears per plant (EPP), stay-green (SG) and plant and ears height (PEH) were realized only in Mexican environments. Drought stress reduced GY around 50% and increased ASI above 80%. Interestingly another morphophysiological traits like EPP, SG and PEH were not markedly affected by water shortage. In general drought stress tends to reduce genetic variance of GY, while secondary traits remain to be stable or even higher under water scarcity. Also, high correlation between morphophysiological traits and GY were observed under drought condition. Grain yield QTLs showed strong interactions with the environment (QEI) and changed their positions on the genome across environments. Whereas QTLs for secondary traits tend to be more stable across water regimes. Meta-QTL analysis reveals clusters of QTLs for grain yield and secondary traits, such as anthesis-silking interval, ears per plant, stay-green and plant and ears heights on chromosomes 1 (bin 1.06 at 161.07-183.83 Mb) and 10 (bin 10.04-06 at 111.26-141.82 Mb) while one interesting cluster of all secondary traits were detected on chromosome 3 (bin 3.06 at 169.75-178.23 Mb) under both water regimes. The confidence interval of metaQTLs regions harbored several genes, available in maize database (http://www.maizegdb.org), that were involved in diverse networks controlling development, metabolism and responses to biotic and abiotic stresses. The target regions identified by QTL mapping can contribute to complementing the evaluation and selection of improved germplasm, especially in poor areas with high risk of drought as in sub-Saharan Africa.
Abstract: A seca é o estresse abiótico mais importante e resulta em prejuízos significativos na produtividade do milho (Zea mays L.). Atualmente o milho é reconhecido como uma das principais culturas agrícolas responsáveis pela segurança alimentar devido ao alto potencial de rendimento comparado a outras culturas como arroz e trigo. O desenvolvimento de genótipos tolerantes à seca pode contribuir para garantir a segurança alimentar, principalmente em países em desenvolvimento da África, Ásia e América Latina, onde essa cultura é considerada alimento básico. No entanto, a seleção para tolerância à seca é difícil devido à complexidade dessa característica, alta interação entre genótipos e ambientes e o conhecimento limitado sobre o papel e regulação de mecanismos de tolerância. Melhoramento genético clássico tem identificado características morfofisiológicas para a produção de grãos sob estresse hídrico, mesmo que sejam em sua maioria poligênica. No entanto, rendimento de grãos, provavelmente, continua sendo a característica mais complexa. A disponibilidade de marcadores moleculares tem permitido o mapeamento de Quantitative Trace Loci (QTLs), o qual é uma ferramenta promissora para detecção de regiões constitutivas e/ou adaptativas que controlam a tolerância à seca, bem como para entender as alterações na expressão destes loci entre diferentes condições ambientais. Essas regiões genômicas, podem ser consideradas alvo para programas de seleção assistida por marcadores moleculares (MAS) no desenvolvimento de genótipos tolerantes à seca. Foram avaliadas três populações de milho tropicais desenvolvidas pelo CIMMYT, em condições hídricas normais (WW) e de estresse hídrico (WS) no México, Quênia e Zimbábue para estudo da base genética de rendimentos de grão e características morfofisiológicas envolvidas na resposta ao estresse hídrico durante período de floração. Para atingir este objetivo foram realizados estudos de mapeamento de QTL em simples e múltiplos ambientes, bem como uma meta-QTL análise para identificar as regiões genômicas estáveis entre populações, e portanto mais promissoras em programas de seleção assistida por marcadores. O rendimento de grãos (GY) e intervalo de florescimentos feminino e masculino (ASI) foram mensurados em ambientes Mexicanos e Africano, enquanto que características secundárias como o números de espigas por planta, stay-green e alturas da plantas e de espigas foram realizadas apenas no México. O estresse hídrico claramente reduziu o GY cerca de 50% e aumentou a ASI acima de 80%. Interessantemente, outros caracteres secundários, como EPP, SG e PEH não foram significativamente afetados pelo estresse hídrico. Em geral, o estresse hídrico tende a reduzir a variância genética de GY, enquanto que para características morfofisiológicas a variância genética pode se mostrar estável ou mesmo superior em condições de seca. Além disso, correlações significantes entre características morfofisiológicas e GY foram observadas. QTLs para produtividade de grãos mostraram fortes interações com o ambiente (QEI). Enquanto que QTLs para características secundárias tenderam ser mais estáveis entre nos regimes hídricos. A meta-análise revelou clusteres de QTLs para produtividade de grãos e características morfofisiológicas, como o intervalo de florescimento, espigas por planta, stay-green e alturas de plantas e espigas, principalmente, nos cromossomos 1 (bin 1.06 em 161.07-183.83 Mb ) e 10 (bin 10.04-06 em 111.26-141.82 Mb), enquanto um cluster de todas as características secundárias foi detectado no cromossomo 3 (bin 3.06 em 169.75-178.23 Mb) sob ambos os regimes hídricos. O intervalo de confiança dos metaQTLs abrigou vários genes, disponíveis no banco de dados de milho (http://www.maizegdb.org), que estão envolvidos em diversas vias que controlam o metabolismo, desenvolvimento e respostas a estresses bióticos e abióticos. As regiões genômicas alvo identificados pelo mapeamento de QTLs podem contribuir para complementar a avaliação e seleção de germoplasma melhorado, especialmente em regiões pobre sujeitas à seca como a África subsaariana.
Palavras-chave: Drought tolerance
Maize
QTL
SNP
QTL x Environment Interaction
Meta-QTL analysis
Secondary traits
Tolerância à seca
Milho
QTL
SNP
QTL x Interação ambiente
Meta-análise de QTL
Caracteres secundários
CNPq: CNPQ::CIENCIAS AGRARIAS::AGRONOMIA::FITOTECNIA::MELHORAMENTO VEGETAL
Idioma: eng
País: BR
Editor: Universidade Federal de Viçosa
Sigla da Instituição: UFV
Departamento: Genética animal; Genética molecular e de microrganismos; Genética quantitativa; Genética vegetal; Me
Programa: Doutorado em Genética e Melhoramento
Citação: ALMEIDA, Gustavo Dias de. Mapeamento de QTL revela regiões genômicas constitutivas e adaptativas para tolerancia à seca em milho tropical (Zea mays L.). 2012. 141 f. Tese (Doutorado em Genética animal; Genética molecular e de microrganismos; Genética quantitativa; Genética vegetal; Me) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2012.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://locus.ufv.br/handle/123456789/1348
Data do documento: 17-Jul-2012
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