Dissecando a arquitetura genética de características quantitativas em feijoeiro (Phaseolus vulgaris L.): resposta a infecção por nematoide de galhas e morfologia de sementes

Common bean (Phaseolus vulgaris L.) is the leading legume grain for human consumption and a staple food in many regions of the world. Since most common bean is produced in the tropics under low-input systems, phytosanitary issues often severely impact yield. Among the principal Phaseolus spp. pathogens, root-knot nematodes (RKN), particularly Meloidogyne incognita, are probably the most widespread and damaging. Despite their importance, effective control is still not available and due to the imprecision and slowness of the traditional phenotyping procedures, common bean breeding programs have faced huge challenges in developing routine nematode resistance screening. Likewise, another complex task tackled by bean breeders is the need to focus on specific traits to satisfy the requirements of farmers, industry and end consumers. This applies to seed size, weight and shape. With the advent of low-cost next-generation sequencing, genetic mapping approaches such as quantitative trait loci (QTL) analysis and genome-wide association studies (GWAS) have proved to be remarkable approaches to quantitative trait genetic architecture studies. The Laboratory of Molecular Genetics of Crop Plants has, as one of its main research activities, the development of fundamental studies on diversity and genetic mapping in P. vulgaris. This has entailed developing a core collection panel of 180 accessions, genotyped using 10,362 SNPs and recommended for use in association mapping. In this thesis, two distinct investigations are described, each detailing an individual study, converging to achieve the overarching goal of expanding the comprehension about the genetic factors underlying common bean traits. The first study combines two genetic mapping approaches (GWAS and QTL mapping), bioinformatics and histochemical analysis to dissect the complex genetic architecture of the common bean response to RKN. GWAS identified independent genomic regions associated with the number of RKN egg masses (Pv06, Pv07, Pv08 and Pv11) and the root-galling index (Pv01, Pv02, Pv05 and Pv10), and several genes were highlighted as prominent candidates in common bean response to the pathogen. In the second study, GWAS and high-throughput image-based phenotyping were applied to pinpoint loci associated with common bean seed morphology. Seven marker-trait associations, explaining a considerable amount of phenotypic variation, were discovered for seed length, width, projected area, perimeter and circularity in four distinct genomic regions of chromosomes Pv02, Pv08 and Pv11, and at least 13 genes were considered promising candidates for regulating seed morphology. From a practical standpoint, the studies documented in this thesis provide SNP markers that may help breeders in marker-assisted selection, and the genes suggested herein are promising candidates for functional analysis in common bean and eventually other related crops.O feijão comum (Phaseolus vulgaris L.) é o mais importante grão de espécies leguminosas para o consumo humano e um alimento básico na dieta de populações em diversas regiões do planeta. Uma vez que a maior parte do cultivo ocorre nos trópicos, sob baixo nível de investimento, problemas fitossanitários costumam causar severos impactos sobre a produtividade do feijoeiro. Entre os principais patógenos que atacam Phaseolus spp. estão os nematoides das galhas (RKN), particularmente da espécie Meloidogyne incognita, que são tidos como os mais dispersos e impactantes. Apesar da importância, ainda não existem estratégias efetivas para o controle de RKN e, devido à imprecisão e morosidade das abordagens de fenotipagem tradicionais, os programas de melhoramento do feijoeiro têm enfrentado enormes desafios para avaliar a resistência a nematoides nas atividades de rotina. Além disso, outro gargalo enfrentado pelos melhoristas é a necessidade de buscar características específicas que atendam não só os agricultores, mas também a demanda da indústria e dos consumidores finais, como ocorre para tamanho, peso e forma das sementes. Com o advento e a redução no custo do sequenciamento de nova geração, as abordagens de mapeamento genético, como a análise de locos envolvidos em caracteres quantitativos (QTL) e estudos de associação genômica (GWAS), se consolidaram como métodos proeminentes para estudar a arquitetura genética de características quantitativas. O Laboratório de Genética Molecular de Plantas Cultivadas tem como uma de suas principais atividades de pesquisa o desenvolvimento de estudos fundamentais sobre diversidade e mapeamento genético em P. vulgaris. Para isso, foi desenvolvido um painel de uma coleção de 180 acessos que foram genotipados com 10.362 SNPs e recomendados para uso em análises de mapeamento associativo. Nesta tese, duas investigações distintas são descritas, cada uma detalhando um estudo individual, mas que convergem para atingir o objetivo geral de expandir a compreensão sobre os fatores genéticos envolvidos no controle de características de importância para o feijoeiro. O primeiro estudo combina duas abordagens de mapeamento genético (GWAS e mapeamento de QTLs), bioinformática e análise histoquímica para dissecar a complexa arquitetura genética da resposta do feijão comum ao RKN. O GWAS identificou oito regiões genômicas independentes associadas ao número de massas de ovos de RKN (Pv06, Pv07, Pv08 e Pv11) e índice de galhas (Pv01, Pv02, Pv05 e Pv10), além de indicar vários genes como promissores candidatos para o envolvimento nos mecanismos de resistência do feijoeiro. No segundo estudo, GWAS e fenotipagem de alto rendimento baseada em imagens foram aplicados para localizar locos associados à morfologia de sementes de feijão. Sete associações explicando considerável porção da variabilidade fenotípica foram identificadas para comprimento, largura, área projetada, perímetro e circularidade das sementes, em quatro regiões genômicas distintas dos cromossomos Pv02, Pv08 e Pv11, e pelo menos 13 genes foram considerados candidatos promissores para regular a morfologia das sementes. Do ponto de vista prático, os estudos documentados nesta tese fornecem marcadores SNP que podem auxiliar os melhoristas na seleção assistida por marcadores, bem como os genes aqui sugeridos são proeminentes candidatos para uso em análises funcionais em feijoeiro ou eventualmente outras culturas relacionadas