Análise genômica de um painel de diversidade de milho tropical: um estudo sobre caracterização molecular e resistência ao complexo do enfezamento do milho

The tropical maize is an important pool of genetic diversity to be explored in breeding programs to face new agricultural challenges, nevertheless it requires genetic characterization. For instance, the corn stunt disease complex (corn stunt disease and maize bushy stunt disease) caused significative losses in the last crop seasons, but its genetic control and resistant germplasm are poorly comprehended. In this study, we assembled and genetically characterized a tropical maize diversity panel in order to construct a representative pool of tropical germoplasm for genetic studies and to investigate the genes associated with the resistance of corn stunt disease complex, as well as the potential sources of resistance. For that, 360 inbred lines highly diverse were genotyped using a genotyping-by-sequencing approach with restriction enzymes PstI and MseI and aligned to the version 5 of the B73 reference genome. For genetic assessments, two datasets were considered: one with the raw data, and the second one with data imputed and filtered for quality control, retaining only biallelic markers with minor allelic frequency higher than 0.05, call rate higher than 0.95, and linkage disequilibrium (r2) lower than 0.99. Genome wide association study (GWAS) was performed incorporating the genomic relationship matrix and 3 main principal components to deal with panel structure. Using the filtered dataset, we analyzed the traits proportion of survivor plants (PSP), sanity score in survivor plants (SSSP), and whole sanity score (WSS) which were evaluated in two sites in the State of São Paulo, Brazil. The raw dataset contained 196,803 SNPs well distributed across the chromosomes. The proportion of missing data was 0.391 and the average observed heterozygosity was 0.036. The filtered dataset, containing 14,655 SNPs, showed similar estimates of populational genetic parameters compared to the first one. The structure analysis indicated that this panel comprises nine subpopulations. Through GWAS, 13 markers were significant to the traits and presented functions mainly related to cellulose metabolism, auxin pathway, genes of defense and response to phagocyte oxidase activity, and anthocyanin production. The candidate genes were associated, for example, with the response of glucose accumulation in leaves, the reduction of auxin content, and the direct defense-attack against the pathogens. For each of the traits, we found lines with the totality of favorable alleles in homozygosis, which would facilitate transfering resistance genes to other genotypes. Additionally, the lines from the ancestral PF-41X05-33-05B exhibited high content of favorable alleles to all the traits simultaneously. Our findings reveal underlying genetic mechanisms triggered by plants in response to the corn stunt disease complex and allowed the identification of potential resistant inbred lines. These results can substantially improve the genetic gains when incorporated in breeding programs and constitute an important contribution to the genetic comprehension of the tropical maize germplasm.O milho tropical é uma importante fonte de diversidade genética a ser explorada por programas de melhoramento para lidar com novos desafios agrícolas, mas isto demanda caracterização genética. Por exemplo, o complexo do enfezamento do milho (enfezamento pálido e enfezamento vermelho) tem causado perdas significativas de produtividade nas últimas safras, contudo o controle genético e o germoplasma resistente para estas doenças são pouco compreendidos. Neste trabalho, um painel de diversidade de milho tropical foi construído e caracterizado geneticamente visando delinear um pool representativo de germoplasma tropical para estudos genéticos e investigar os genes associados à resistência do complexo do enfezamento do milho, assim como as potenciais fontes de resistência. Para isso, 360 linhagens altamente diversas geneticamente foram genotipadas usando a abordagem de genotipagem por sequenciamento com as enzimas de restrição PstI e MseI e alinhadas com a versão 5 do genoma de referência B73. Para as avaliações genéticas, foram considerados dois conjuntos de dados: um com dados brutos e o segundo com dados imputados e filtrados para controle de qualidade, mantendo apenas marcadores bialélicos com frequência alelo raro maior que 0,05, valor de chamada de SNPs maior que 0,95 e desequilíbrio de ligação (r2) menor que 0,99. O estudo de associação ampla do genoma (GWAS) foi realizado incorporando a matriz de relacionamento genômico e três componentes principais para lidar com a estrutura do painel. Usando o conjunto de dados filtrado, foram analisadas as características proporção de plantas sobreviventes (PSP), nota de sanidade das plantas sobreviventes (SSSP) e nota de sanidade total (WSS), cujas mensurações ocorreram em dois locais no estado de São Paulo, Brasil. O conjunto de dados brutos incluiu 196.803 SNPs bem distribuídos pelos cromossomos. A proporção de dados faltantes foi de 0,391 e a heterozigosidade média observada foi de 0,036. O conjunto de dados filtrados, contendo 14.655 SNPs, apresentou estimativas semelhantes de parâmetros genéticos populacionais em comparação ao primeiro conjunto. A análise da estrutura do painel apontou a existência de nove subpopulações. Através da GWAS, 13 marcadores foram significativos para as características avaliadas e apresentaram funções relacionadas principalmente ao metabolismo da celulose, via da auxina, genes de defesa e resposta associados à atividade de fagócito oxidase e produção de antocianinas. Os genes candidatos foram associados, por exemplo, à resposta do acúmulo de glicose nas folhas, redução do teor de auxina na planta e ataque direto aos patógenos. Para cada característica, foi possível identificar linhagens com todos os alelos favoráveis em homozigose, o que facilitaria a transferência de genes de resistência para outros genótipos. Além disso, as linhagens advindas do ancestral PF-41X05-33-05B apresentaram alta concentração de alelos favoráveis a todas as características simultaneamente. Os presentes resultados revelam mecanismos genéticos subjacentes desencadeados por plantas em resposta ao complexo do enfezamento do milho e permitiram a identificação de potenciais linhagens resistentes. Tais inferências podem melhorar substancialmente os ganhos genéticos quando incorporadas em programas de melhoramento e constituem uma importante contribuição para a compreensão genética do germoplasma de milho tropical