Identification of genomic regions related to drought and phosphorus deficiency by linkage analysis and association mapping in tropical maize

Estresses abióticos são aqueles impostos pelas condições edafo-climáticas ao longo do ciclo de uma cultura, que afetam seu desenvolvimento. Dentre os estresses abióticos que reduzem significativamente a produção de grãos do milho, podemos destacar a seca e a deficiência de fósforo. A compreensão dos mecanismos genéticos e fisiológicos em resposta a esses estresses pode fornecer ferramentas importantes para aumentar a tolerância e a produtividade das culturas, por meio da seleção assistida ou da transgenia. Estratégias de mapeamento de QTLs (Quantitative Trait Loci) e mapeamento associativo vêm sendo amplamente utilizadas com o objetivo de dissecar características complexas com elevado efeito de background genético e influência ambiental, tornando-os passíveis de seleção. Assim, o presente trabalho utilizou essas duas estratégias de mapeamento para identificar regiões genômicas envolvidas na resposta do milho à seca e à deficiência de fósforo. No mapeamento de QTLs, foi utilizada uma abordagem de modelos mistos em duas populações de milho tropical sob condições contrastantes de disponibilidade de água, sendo avaliados: produção de grãos, altura de planta e intervalo de florescimento. Altura de plantas e intervalo de florescimento foram incluídos como cofatores, contribuindo para melhorar a precisão na identificação de QTLs para a produção de grãos. Dezessete regiões genômicas foram identificadas para produção de grãos com ou sem co-fatores, além de dez QTLs para altura de planta e sete para intervalo de florescimento detectados nas duas populações de mapeamento. Em geral, ambos os pais de cada população contribuíram com alelos favoráveis. O efeito dos cofatores foi mais expressivo na população derivada do cruzamento L1761121 x L521237. Nessa população, QTLs para intervalo de florescimento nos cromossomos 3, 4 e 9 foram co-localizados com QTLs para produção de grãos, exceto quando o intervalo de florescimento foi incluído como co-fator no modelo, indicando que fatores genéticos comuns possam controlar ambas as características nessas regiões. Em quatro regiões genômicas nos cromossomos 1, 3, 6 e 8, foram detectados QTLs para produção de grãos coincidentes em ambas as populações, que também foram consistentemente identificados em outros estudos, sugerindo uma estabilidade desses QTLs em diferentes ambientes e background genéticos, com uso potencial no melhoramento assistido. A deficiência de fósforo (P) é um problema recorrente principalmente em solos tropicais. A proliferação e o desenvolvimento do sistema radicular são estratégias para maximizar a exploração do solo, aumentando a eficiência na aquisição de P pelas plantas. Esse estresse abiótico foi abordado por meio do mapeamento associativo em um painel composto por 561 linhagens de milho tropical. O painel foi genotipado com marcadores SNPs gerados pela genotipagem por sequenciamento (GBS) e fenotipado para características de morfologia radicular e aquisição de P em solução nutritiva sob baixa e alta concentração de P. Modelos lineares mistos corrigidos para os efeitos de estrutura de populações e de parentesco permitiram a identificação de 136 SNPs associados com um conjunto de seis características, considerando a significância de –log10 (P-valor) ≥ 5. O decaimento médio do desequilíbrio de ligação foi de 1000 pares de bases, demonstrando uma alta diversidade genética das linhagens. Os SNPs significativos foram bem distribuídos em todos os cromossomos, confirmando a complexidade genética das características de morfologia radicular e de aquisição de P. O SNP apresentando a maior probabilidade de associação (S8_89092905) foi localizado dentro do gene GRMZM2G044531 no cromossomo 8, que codifica uma provável proteína da família AGC quinase. Esse SNP aumenta o comprimento e a área superficial das raízes, principalmente sob baixa concentração de P, com influência mínima no diâmetro radicular. Além disso, a uma distância de 127,4 kbp desse SNP, um outro SNP (S8_88964594), posicionado no gene GRMZM2G057116, que codifica um fator de transcrição da família WRKY, foi também associado com tais características fenotípicas. Apesar desses SNPs estarem fisicamente distantes, eles compartilham um alto desequilíbrio de ligação (r2 = 0,77), superior ao valor médio encontrado (r2 = 0,18) da região de 610 kbp onde eles estão localizados. Tais informações associadas com a natureza desses genes preditos, os tornam candidatos para futuros estudos de validação. Integrando os resultados desses dois estudos, uma região no cromossomo 8 entre os bins 8.02 e 8.03 merece destaque por terem sido detectados QTLs para produção de grãos sob estresse hídrico em duas populações e SNPs significativamente associados com morfologia. Assim, essa região genômica é altamente recomendada como alvo tanto para o melhoramento assistido quanto para a busca por genes candidatos, visando desenvolver genótipos de milho adaptados e produtivos em condições de estresses.Abiotic stresses are those imposed by soil and climatic conditions throughout the cycle of a culture that affect their development and production stability. Among the abiotic stresses that significantly reduce maize grain yield, we can highlight the drought and phosphorus deficiency. Understanding the genetic and physiological mechanisms in response to these stresses can provide important tools to increase tolerance and crop productivity, through assisted selection or genetic modification. QTL (Quantitative Trait Loci) and association mapping strategies have been widely used in order to dissect complex traits with high genetic background effect and environmental effect, making them eligible for selection. Thus, the present study used these two mapping strategies to identify loci that are involved in maize response to drought and phosphorus deficiency. In the QTL mapping it was used a mixed model approach in two populations of tropical maize in contrasting conditions of water availability, in which we evaluated grain yield, plant height and anthesis- silking interval. The traits plant height and anthesis-silking interval were included as cofactors in QTL model, contributing to improved precision in the QTL identification for grain yield. Seventeen genomic regions were identified for grain yield with or without co-factors, additionally ten QTLs for plant height and seven for anthesis-silking interval were also detected in both mapping populations. In general, both parents of each population contributed with favorable alleles. The effect of cofactors was more marked in the population derived from the cross L1761121 x L521237. In this population, QTL for anthesis-silking interval on chromosomes 3, 4 and 9 were co-located with QTLs for grain yield, except when the anthesis-silking interval was included as co-factor in the model, indicating that common genetic factors may control both traits in these regions. On four genomic regions on chromosomes 1, 3, 6 and 8, QTLs were detected for grain yield in both populations, which have also been consistently identified in other studies, suggesting stability of these QTLs in different environments and genetic background, with potential use in assisted breeding. Phosphorus deficiency (P) is a recurring problem mainly in tropical soils. The proliferation and development of the root system are strategies to maximize the soil exploitation, increasing P acquisition efficiency by plants. This abiotic stress was addressed through association mapping on a panel of 561 tropical maize inbreed lines. The panel was genotyped with SNP markers generated by genotyping-by-sequencing (GBS) and phenotyped for root morphology traits and P acquisition in nutrient solution under low and high P concentration. Mixed linear models corrected for population structure and kinship effects allowed the identification of 136 SNPs associated with a set of six traits considering the significance of -log10 (P-value) ≥ 5. The average decay of linkage disequilibrium was 1000 base pairs, showing a high genetic diversity in this panel. The significant SNPs were well distributed in all chromosomes, confirming the genetic complexity of root morphology traits and P acquisition. The SNP presenting the highest association probability (S8_89092905) was placed inside the GRMZM2G044531 gene on chromosome 8, which encodes a putative AGC kinase family protein. This SNP increases the root length and surface area, particularly under low P concentration with minimal influence on root diameter. Furthermore, at a distance of 127.4 kbp upstream, another SNP (S8_88964594) placed inside the gene GRMZM2G057116, encoding a putative WRKY transcription factor, also associated with such phenotypic traits. Despite these SNPs are physically distant, they share high linkage disequilibrium (r2 = 0.77), higher than the average found (r2 = 0.18) of 610 kbp region where they are located. Such information associated with the nature of these predicted genes, makes them candidates for future validation studies. Integrating the results of these two studies, a region on chromosome 8 between the bins 8.02 and 8.03 was noteworthy for have detected QTLs for grain yield under water stress in two populations and SNPs significantly associated with root morphology. Thus, this genomic region is highly recommended as target for marker-assisted breeding and for search of candidate genes in order to develop maize genotypes adapted and productive under stress conditions.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológic