Association mapping for salinity tolerance in rice germplasm used in Brazil

Rice (Oryza sativa L.) is one of the three major cereals grown and is termed as staple food for the majority of the population worldwide. Rising the yield is important to cope with the high demand for this cereal. However, the yield is limited when the crop is exposed caused by agents to abiotic and biotic stresses. Salinity is an environmental factor that impairs mostly the plant growth and development, causing a series of molecular, biochemical, physiological and morphological changes. This condition affects millions of hectares of irrigated rice all around the world and also in Brazil. Because salinity tolerance is a quantitative trait, and due plants present different responses at the different stages of development, it becomes a complex trait, and represents a challenge for researchers that aim to identify the genes responsible for this mechanism. The search for tolerant genotypes is essential to mitigate this problem and the understanding of the genetic basis of tolerance enhances the breeding process. Molecular biology techniques, such as genetic mapping using molecular markers present enormous potential to reach this goal. Association mapping or genome-wide association studies (GWAS) is efficient when applied to complex traits, since they detect genetic variants simultaneously at several loci, therefore, being able to find genes related to salinity tolerance. Thus, the aim of this study was to map the genomic regions associated to salinity tolerance in rice genotypes grown and used in breeding programs in Brazil. A total of 94 rice accessions were used to sample the genetic diversity of the Brazilian elite germplasm. The DNA of each access was sent to IRRI in the Philippines for genotyping. Phenotyping was scored at the Plant Genomics and Breeding Center, at a hydroponic tank using 40mM NaCl in order to induce the salinity stress. The data analysis was performed with the aid of Tassel V.5.2.41 software. The low genetic diversity found was expected, since the panel was basically composed by Brazilian elite rice accessions. The linkage disequilibrium decay presented a gentle slope, which could be expected, since rice is an autogamous plant and also due to the narrow genetic diversity available. For the population structure, eight subpopulations were formed, and the grouping of these accessions was performed mostly according to the breeding program in which they were developed. The genome-wide association study allowed to mapping seven QTNs associated with salinity response. Two QTNs located in the chromosomes 6 and 10 associated with shoot length, one QTN located in the chromosome 9 associated with root length, one QTN located in the chromosome 11, associated with shoot dry mass and three QTNs located in the chromosomes 5 and 9 associated with root dry mass. Based on the results obtained it is concluded that the rice panel studied can be applied in genome-wide association studies and the seven QTNs identified bring evidence of underlying QTLs associated with salinity response in rice seedlings.Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqO arroz (Oryza sativa L.) é um dos três principais cereais cultivados e é considerado alimento básico para a maioria da população mundial. Elevar a produtividade é importante para lidar com a alta demanda pelo cereal. No entanto, a produtividade fica limitada quando a cultura é exposta a estresses causados por agentes abióticos e bióticos. A salinidade é um fator ambiental que prejudica o desenvolvimento e crescimento da maioria das plantas, provocando uma série de modificações moleculares, bioquímicas, fisiológicas e morfológicas. Essa condição afeta milhões de hectares de solo irrigado para o cultivo de arroz no mundo, e também no Brasil. Devido a tolerância à salinidade ser uma característica quantitativa, e devido as plantas apresentarem diferentes respostas nos distintos estádios de desenvolvimento, se torna uma característica complexa, e representa um desafio para os pesquisadores que almejam a identificação de genes responsáveis por esse mecanismo. A busca por genótipos tolerantes é essencial para mitigar o problema e o conhecimento da base genética da tolerância potencializa o processo de melhoramento. Técnicas de biologia molecular, tais como mapeamento genético utilizando marcadores moleculares, apresentam enorme potencial para atingir esse objetivo. Dentre elas, o mapeamento associativo ou estudo de associação genômica ampla é eficiente quando aplicado em caracteres complexos, uma vez que detecta variantes genéticos em vários locos ao mesmo tempo, podendo, nesse caso, encontrar genes relacionados à tolerância a salinidade. Desta forma, o objetivo deste estudo foi mapear regiões genômicas associadas à tolerância à salinidade em genótipos de arroz cultivados e utilizados em programas de melhoramento no Brasil. Um total de 94 acessos de arroz foram utilizados para amostrar a variabilidade genética do germoplasma elite brasileiro. O DNA de cada acesso foi enviado para o laboratório do IRRI nas Filipinas para genotipagem. A fenotipagem foi feita no Laboratório de Genômica e Fitomelhoramento, em tanque hidropônico utilizando dose de 40mM de NaCl para indução de estresse salino. Para análise dos dados foi utilizado o programa Tassel V.5.2.41. A variabilidade genética encontrada representa um valor baixo, e isso é devido ao painel ser composto basicamente por acessos elite de arroz brasileiros. O desequilíbrio de ligação apresentou uma queda lenta, sendo esperada, já que o arroz é uma planta autógama e também decorrente da estreita variabilidade genética disponível. Para a estrutura da população houve a formação de oito subpopulações, sendo o agrupamento dos acessos feito em grande maioria de acordo com os programas de melhoramento genético em que foram desenvolvidos. O estudo de associação genômica ampla possibilitou o mapeamento de sete QTNs associados a resposta à salinidade. Dois QTNs localizados nos cromossomos 6 e 10, associados ao comprimento de parte aérea, um QTN localizado no cromossomo 9, associado ao comprimento de raiz, um QTN localizado no cromossomo 11, associado à massa seca de parte aérea e três QTNs localizados nos cromossomos 5 e 9, associados a massa seca de raiz. Com base nos resultados obtidos conclui-se que o painel de arroz 10 estudado pode ser aplicado em estudos de associação genômica ampla e os sete QTNs identificados trazem indícios de QTLs subjacentes associados à resposta à salinidade em plântulas de arroz