Effects of breeding on genetic differentiation and genome variability in the elite soybean germplasm (Glycine max (L.) Merr.)

Identifikacija genomskih regiona na koje je delovala selekcija tokom stvaranja elitnih sorti soje (Glycine max (L.) Merr.) može ukazati na pozicije gena koji determinišu važna agronomska svojstva ili su odgovorni za adaptabilnost. U radu su sagledani efekti oplemenjivanja u agroklimatskim uslovima centralne i istočne Evrope koristeći pristup “hitchhiking” mapiranja i analizu pedigrea. U ovu svrhu su primenjeni molekularni markeri, mikrosateliti i principi populacione genetike, koristeći više različitih pristupa za identifikaciju selektivno značajnih lokusa. Analiza je obuhvatila populacije soje koje su se sastojale od predačkih genotipova i elitnih genotipova koji su nastali u Institutu za ratarstvo i povrtarstvo u Novom Sadu. Analizom pedigrea je potvrđena uska genetička osnova sorti soje elitne populacije. Kao posledica dugogodišnjeg oplemenjivanja, svi analizirani parametri su ukazali na statistički značajno smanjenje genetičkog diverziteta elitne populacije u odnosu na predačku. Usled specifične strukture populacija soje, koja je u velikoj meri bila pod uticajem pedigrea elitnih genotipova, uočen je nizak nivo genetičke diferencijacije među ispitivanim populacijama. Primenom najmanje dva različita pristupa identifikovano je devet mikrosatelitskih lokusa koji su ukazivali na regione genoma na koje je delovala selekcija, a koji su bili uključeni u proces adaptacija u agroklimatskim uslovima centralne i istočne Evrope. U elitnoj populaciji je potvrđeno povećanje stope gametskog disekvilibrijuma, najverovatnije kao posledica delovanja selekcije. „Bottleneck” test je ukazao na značajno smanjenje diverziteta samo kod lokusa na koje je delovala selekcija u elitnoj populaciji, što najverovatnije nije uzrokovano demografskim faktorima, nego takođe predstavlja posledicu delovanja selekcije. Analizom kolokacije poznatih QTL regiona i identifikovanih, selektivno značajnih genomskih regiona, uočeno je ukupno 264 QTL-ova, od kojih su najzastupljeniji bili lokusi koji su determinisali svojstva u vezi sa reproduktivnim razvojem biljke. In silico analizom je utvrđeno da su lokusi na koje je delovala selekcija, determinisali agronomski značajna svojstva koja su na direktan ili indirektan način uticala na povećanje prinosa elitnih sorti soje u specifičnim agroklimatskim uslovima gajenja. Rezultati istraživanja su takođe ukazali da E1 gen, koji ima važnu ulogu u regulisanju vremena cvetanja i sazrevanja kod soje, ili region u okolini ovog gena, verovatno ima glavni uticaj na adaptaciju na agroklimatske uslove područja centralne i istočne Evrope. Takođe se pretpostavlja da je najveći broj selektivno značajnih gena imao regulatornu ulogu, delujući kao transkripcioni faktori, kao i ulogu u procesima transporta. Identifikovani selektivno značajni genomski regioni u okviru oplemenjivačkog programa mogu imati praktičnu primenu u povećanju efikasnosti oplemenjivanja u narednom periodu.The identification of genomic regions affected by selection during breeding of soybean (Glycine max (L.) Merr.) may indicate the positions of important agronomic traits genes or genes underlying adaptation to a specific target environment. This study investigated the effects of breeding in Central-East European environments by a hitchhiking mapping approach and pedigree analysis. Population genetic principles were applied to microsatellite markers using multiple outlier detection tests. The analysed populations comprised ancestral genotypes and elite varieties, developed at the Institute of Field and Vegetable Crops, Novi Sad. The pedigree analysis confirmed narrow genetic base of elite genotypes. As a result of long-term breeding, all analysed parameters showed significant reduction in genetic diversity in the elite population, compared to the ancestral. Specific population structure of analysed varieties, which has been largely influenced by the pedigree, probably caused a low level of genetic differentiation between the populations. Using at least two approaches, nine markers were considered as strong positive selection candidates, indicating regions involved in the adaptation to Central-East Europe environments. Also, an excess of linkage disequilibrium was confirmed in the elite population, probably caused by selection. Bottleneck tests provided evidence of population bottlenecks only for the candidate positive selection loci in the elite population, suggesting that selection might shaped the pattern of genetic diversity in these regions. The co-localisation analysis of the candidate positive selection loci and previously mapped quantitative trait loci (QTLs), identified in total 264 QTLs in selectively important genomic regions. The highest number of identified QTLs had impact on the reproductive period. In silico analysis revealed a high level of agreement between the identified QTLs and the traits expected to be under selection during soybean breeding, indicating that selection was mostly directed towards increasing the yield of elite varieties in a specific environmental conditions. Furthermore, E1 gene that controls flowering time and maturity in soybean, or its surrounding region, seems to be a major contributor for adaptation to environmental conditions of Central-East Europe. It is assumed that most of the selectively important genes had regulatory role, acting as transcription factors, as well as a role in the processes of transport. The identified selectively important genomic regions in a specific breeding program could have practical importance for future breeding and yield improvement