Diversidade genética, estrutura populacional e mapeamento associativo para características nutricionais e agronômicas em um painel de feijão mesoamericano brasileiro
Data
2020-11-27
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Universidade Estadual de Londrina
Resumo
Resumo: O feijão (Phaseolus vulgaris L.) é um dos alimentos básicos na dieta do brasileiro, bem como é considerado uma das leguminosas mais importantes no mundo. É reconhecidamente uma excelente fonte de proteínas, carboidratos e micronutrientes, e devido aos seus atributos nutricionais e importância na alimentação em países em desenvolvimento, se torna uma cultura adequada para biofortificação. A identificação de genes e regiões genômicas relacionados com características nutricionais e agronômicas, é de grande importância para o melhoramento genético de feijão, podendo acelerar o desenvolvimento de novas cultivares. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo acessar a diversidade genética, estrutura populacional e desequilíbrio de ligação em um painel de diversidade de feijão designado Brazilian Diversity Panel (BDP), e em seguida identificar regiões genômicas associadas a características nutricionais e agronômicas. A genotipagem por sequenciamento (Genotyping by sequencing – GBS) de 219 acessos pertencentes ao BDP permitiu a identificação de 49.817 SNPs com MAF > 0,05. A análise bayesiana da estrutura populacional evidenciou a subdivisão do painel em 3 grupos, um formado por feijões de origem andina, outro formado predominantemente por feijões de origem mesoamericana pertencentes ao grupo comercial carioca, e outro por feijões de origem mesoamericana com cor da semente preta, creme, vermelho e outras. A análise do desequilíbrio de ligação evidenciou a existência de longos blocos de ligação e um baixo decaimento do LD em função da distância física entre os SNPs. Para os estudos de mapeamento associativo (Genome wide association studies -GWAS) foram utilizados 178 acessos de origem mesoamericana pertencentes ao BDP e 25.011 SNPs de boa qualidade. O painel foi fenotipado para nove nutrientes (fósforo, potássio, cálcio, magnésio, cobre, manganês, enxofre, zinco e ferro) e dez características agronômicas (altura de planta, altura de inserção da primeira vagem, número de nós, comprimento da vagem, número total de vagens por planta, número de locos por vagem, número de sementes por vagem, peso total de sementes por planta, peso de 100 sementes e rendimento de grãos) em três e quatro ambientes, respectivamente. Quatro métodos multi-locus de GWAS foram empregados nesse estudo (mrMLM, FASTmrMLM, pLARmEB e ISIS EM-BLASSO). Apenas QTNs (Quantitative Trait Nucleotide) detectados por diferentes métodos ou ambientes, foram considerados verdadeiramente significativos, resultando em 48 e 64 QTNs estáveis relacionados com o conteúdo nutricional e características agronômicas, respectivamente. QTNs pleiotrópicos e regiões genômicas sobrepostas em torno dos QTNs foram identificadas para entre diferentes características, demonstrando que os mecanismos relacionados a expressão dessas características podem estar associados. O acúmulo de alelos superiores revelou aumento gradual do teor de nutrientes no grão, bem como causaram um incremento positivo para a característica agronômicas. O BDP se mostrou eficiente para estudos de associação e a exploração de diferentes métodos e ambientes demonstrou a confiabilidade dos marcadores associados as características. Os lócus identificados no presente trabalho serão importantes para o melhoramento de feijões de origem mesoamericana e mais especificamente para os principais grupos consumidos no Brasil, preto e carioca.
Abstract: The common bean (Phaseolus vulgaris L.) is one of the staple foods in the Brazilian diet, as well as being considered one of the most important legumes in the world. It is recognized as an excellent source of proteins, carbohydrates and micronutrients, and due to its nutritional attributes and importance in developing countries, it becomes a suitable crop for biofortification. The identification of genes and genomic regions related to nutritional and agronomic traits is of great importance for the genetic improvement of beans, being able to accelerate and provide more efficiency in the development of new cultivars. In this context, the present work aims to access the genetic diversity, population structure and the linkage disequilibrium in a common bean diversity panel called Brazilian Diversity Panel (BDP), and then identify genomic regions associated with nutritional and agronomic traits. Genotyping by sequencing (GBS) of 219 accessions belonging to the BDP allowed the identification of 49,817 SNPs with MAF> 0.05. The Bayesian analysis of the population structure showed that the panel was subdivided into 3 groups, one formed by common beans of Andean origin, another formed predominantly by Mesoamerican origin belonging to the carioca commercial group, and another by common beans of Mesoamerican origin with black seed color, cream, red and others. The analysis of the linkage disequilibrium showed the existence of long linkage blocks and a low LD decay due to the physical distance between the SNPs. For the genome wide association studies (GWAS) 178 accessions of Mesoamerican origin belonging to the BDP and 25,011 good quality SNPs were used. The panel was phenotyped for nine nutrients (phosphorus, potassium, calcium, magnesium, copper, manganese, sulfur, zinc and iron) and ten agronomic traits (plant height, first pod insertion height, number of nodes, pod length, total number of pods per plant, number of locules per pod, number of seeds per pod, total seed weight per plant, weight of 100 seeds and grain yield) in three and four environments, respectively. Four multi-locus GWAS methods were employed in this study (mrMLM, FASTmrMLM, pLARmEB and ISIS EM-BLASSO). Only QTNs (Quantitative Trait Nucleotide) detected by different methods or environments, were considered truly significant, resulting in 48 and 64 stable QTNs related to the mineral content and agronomic traits evaluated, respectively. Pleiotropic QTNs and overlapping of the genomic regions surrounding the QTNs were identified among different traits, demonstrating that the mechanisms related to expression between these characteristics may be associated. The accumulation of superior alleles revealed a gradual increase in the content of nutrients in the grain, as well as causing a positive increase for the agronomic traits. The BDP proved to be efficient for association studies and the exploration of different methods and environments demonstrated the reliability of the markers associated with the traits. The loci identified in the present study will be important for the breeding of common beans of Mesoamerican origin and more specifically for the main groups consumed in Brazil, black and carioca.
Descrição
Palavras-chave
Phaseolus vulgaris L., Genotyping by sequencing (GBS), Desequilibrio de ligação, Single nucleotide polymorphism (SNP), Genome wide association studies (GWAS)