Genomic prediction of maize single-crosses

Métodos de predição podem aumentar consideravelmente a eficiência dos programas de melhoramento de milho. O objetivo deste estudo foi predizer a performance de 250 híbridos simples de milho avaliados em múltiplos ambientes utilizando a informação de marcadores moleculares. Para isso, 50 linhagens endogâmicas provenientes de diferentes populações foram cruzadas com cinco linhagens elite, também endogâmicas, para obtenção dos 250 híbridos simples. As matrizes moleculares das linhagens e dos híbridos foram obtidas a partir da genotipagem das 55 linhagens com 614 marcadores AFLP. Os híbridos simples foram avaliados para produção de grãos em 13 ambientes. A predição dos híbridos foi realizada utilizando o modelo misto BLUP considerando diferentes coeficientes de parentesco e similaridade no estado na predição dos efeitos das capacidades geral e específica de combinação dos genitores. As médias preditas dos híbridos a partir de cada coeficiente foram correlacionadas com as médias fenotípicas para obtenção da acurácia de predição. A predição também foi realizada utilizando o modelo de seleção genômica ampla RR-BLUP. Nesse caso, a matriz molecular dos híbridos foi utilizada diretamente no modelo misto de estimação dos efeitos dos marcadores e da contribuição de cada um deles para o valor genético dos híbridos. Foram realizadas validações cruzadas entre e dentro de ambientes e entre e dentro de grupos de híbridos relacionados a fim de verificar os efeitos do tamanho da população de treinamento (N), número de marcas (NM), interação híbridos x ambientes (H x A) e da estrutura da população na estimativa da acurácia de predição. A predição genômica foi comparada com a seleção fenotípica quanto à eficiência em identificar híbridos superiores em um esquema de melhoramento de milho. Todos os coeficientes de parentesco e similaridade no estado apresentaram elevadas estimativas de acurácia, contudo foi possível observar considerável superioridade dos coeficientes Wang e Rogers Modificado tanto na predição quanto na seleção dos híbridos superiores, demonstrando o potencial dessas metodologias como ferramentas a serem utilizadas nos programas de melhoramento de milho. Os resultados da predição utilizando o modelo de seleção genômica ampla indicaram que o aumento de N e NM não alteraram significativamente as estimativas de acurácia. As estimativas da acurácia na validação cruzada dentro de ambientes foram superiores às obtidas entre ambientes, inferindo que o efeito da interação H x A foi expressivo. Também foram observadas estimativas de acurácia expressivamente maiores para populações de treinamento e validação compostas por híbridos relacionados. Em todos os casos, as estimativas de acurácia apresentaram amplos intervalos em função da amostra de híbridos utilizada nas populações de treinamento e validação, indicando que a seleção genômica pode não ser eficiente dependendo da população amostrada. Os resultados deste estudo sugerem que a predição genômica é uma ferramenta para aumentar a eficiência da seleção nos programas de melhoramento se utilizada de forma adequada pelo melhorista, considerando os efeitos de estrutura de população e interação H x A de forma a maximizar a acurácia e, consequentemente, o sucesso da predição.Prediction using molecular markers information can greatly increase the efficiency of maize breeding programs. This study aimed to predict the performance of maize single-crosses evaluated in multiple environments and using molecular markers information. Five inbred lines used as testers were crossed to 50 inbred lines from multiple populations to obtain 250 maize single-crosses. 614 AFLP markers were used to asses molecular matrices of the inbred lines and single-crosses. The 250 single-crosses were evaluated for grain yield in 13 environments. Genomic prediction was performed using the mixed model BLUP considering different genomic relationship and similarity in state coefficients to predict the effect of general and specific combining abilities of the parents. Predicted means from each coefficient were correlated with phenotypic means for obtaining prediction accuracy. Genomewide prediction was also performed using the linear regression model RR-BLUP in the estimation of markers genotypic values and its contribution to hybrids genetic values. Cross-validations between and within environments and between and within groups of related single-crosses were performed to verify the effects of training population size (N), number of markers (NM), genotype-by-environment interaction (G x E) and population structure in estimating accuracy. Genomic prediction was compared with phenotypic selection in efficiency of selecting better hybrids in a maize breeding program. All relationship coefficients and similarity in state coefficients showed high values of accuracy, however we observed superiority of Wang relationship coefficient and Modified Rogers similarity coefficient both in predicting and in identifying the best single-crosses, showing the potential of these approaches as tools to be used in maize breeding programs. Genomewide prediction results showed that increasing N and NM did not led to higher accuracy estimates. Predicted accuracies of cross validation analysis within environments were higher than between environments, indicating that the effect of G x E interaction was significant. Greater accuracies were achieved when training and validation set were from related single-crosses. In all scenarios, wide intervals of accuracy were found, meaning that genomic prediction may not be effective depending on the sample used. Therefore, the results of this study suggest that genomic prediction is a tool to increase the efficiency of selection in breeding programs if used properly by breeders, considering the population structure and G x E interaction effect so as to reduce sample problems and maximize accuracy and hence the success of prediction