QTL mapping and gene expression associated with soybean resistance to stink bug complex

O grupo de percevejos que mais frequentemente causa perdas econômicas à soja no Brasil é composto pelas espécies: Nezara viridula, Piezodorus guildinii e Euchistus heros. Assim, os objetivos desta pesquisa foram avaliar parâmetros genéticos e correlações entre as diferentes características de desenvolvimento e produção, mapear QTL associados à resistência da soja aos percevejos e determinar respostas de expressão gênica associadas à alimentação do inseto. Uma população F2:3 foi desenvolvida através do cruzamento de IAC- 100 (resistente) e CD-215 (suscetível) e avaliada em campo experimental. As características agronômicas avaliadas foram: número de dias para o florescimento (NDF), altura da planta no florescimento (APF), número de dias para a maturidade (NDM), altura da planta na maturidade (APM), acamamento (AC), valor agronômico (VA) e produtividade de grãos (PG). As características de resistência a percevejos avaliadas foram: período de enchimento de grãos (PEG), retenção foliar (RF), índice percentual de danos nas vagens (IPDV), número de vagens por planta (NVP), número de sementes (NS), peso de sementes manchadas (PSM), peso de sementes boas (PSB), e peso de cem sementes (PCS). Para se ter um total de 96 amostras, os dois pais foram genotipados juntamente com as 12 mais resistentes e 12 mais suscetíveis plantas F2 para as características PEG, PCS e PSB, e as 11 mais resistentes e 11 mais suscetíveis para a característica RF. Para determinar o tempo de resposta de expressão gênica nas vagens à alimentação de percevejos, um estudo de microarranjo foi realizado com CD-215 avaliando a expressão relativa 5.5, 21, 24 e 41 horas após infestação em condições de casa-de-vegetação. Dentre as características de resistência, os maiores valores de herdabilidade foram observados para PCS e PEG. O caráter PCS apresentou correlação genética positiva e significativa com PSM e PEG. Neste estudo, 337 SNP, 28 SSR, 13 TRAP e 41 AFLP foram mapeados em 20 grupos de ligação. Quatorze QTL foram encontrados usando o modelo restrito de múltiplos QTL e análise de Kruskal-Wallis. A maioria dos QTL foi detectada para mais de uma característica e composta por genes com efeito menor. Na análise de microarranjo foi observada uma expressão diferencial clara para as amostras de 21, 24 e 41 horas com P. guildinii. Assim, para o experimento de campo as vagens foram infestadas com esta espécie e amostras de vagens foram coletadas 0, 8, 24 e 46 horas após infestação. Nesta etapa foi sequenciado somente o RNA mensageiro da amostra 24 horas. Na análise de RNA-seq realizada nas vagens sem nenhum tratamento, a cultivar resistente (IAC- 100) apresentou 39,4% dos genes com maior expressão e 11,68% dos genes com menor expressão do que a cultivar suscetível (CD-215). Baseado nos resultados, a seleção indireta para PCS associado com PSB pode ser realizada com sucesso para a obtenção de genótipos resistentes a percevejo. Além disso, os resultados de mapeamento de QTL foram parcialmente consistentes com estudos anteriores para característica agronômicas, sugerindo que QTL reais foram mapeados.The group of stink bugs most frequently causing economic losses in soybean in Brazil consists of the species: Nezara viridula, Piezodorus guildinii, and Euchistus heros. Therefore, the objectives of the current research were to evaluate genetic parameters and correlations among distinct development and yield traits, map QTL associated with soybean resistance to stink bugs, and determine plant gene expression profiles associated to insect feeding. An F2:3 population was developed by crossing IAC-100 (resistant) and CD-215 (susceptible) and it was evaluated at an experimental field. The agronomic traits evaluated were number of days to flowering (NDF), plant height at flowering (PHF), number of days to maturity (NDM), plant height at maturity (PHM), lodging (L), agronomic value (AV), and grain yield (GY). The characteristics of stink bug resistance evaluated were grain filling period (GFP), leaf retention (LR), percentage index of pod damage (PIPD), number of pods per plant (NPP), number of seeds (NS), weight of spotted seeds (WSS), healthy seed weight (HSW), and weight of a hundred seeds (WHS). To have a total of 96 samples, the two parent lines were genotyped along with the 12 most resistant and 12 most susceptible F2 plants for the traits GFP, WHS, and HSW, and the 11 most resistant and 11 most susceptible for the trait LR. In order to determine the timing of gene expression response in pods under stink bug feeding, a microarray study was carried out with the cultivar CD-215, evaluating relative transcription levels at 5.5, 21, 24, and 41 hours post-infestation under greenhouse conditions. Among the characteristics of resistance, the highest values of heritability were observed for WHS and GFP. The trait WHS exhibited positive and significant genotypic correlation with WSS and GFP. In this study, 337 SNP, 28 SSR, 13 TRAP, and 41 AFLP markers were mapped to 20 linkage groups. Fourteen QTL were found using the restricted multiple QTL model and Kruskal-Wallis analyses. The majority of the QTL was detected for more than one trait and consisted of genes with minor effects. A clear differential gene expression was observed in the microarray analysis for the samples at time points 21, 24, and 41 hours infested with P. guildinii. Thus, in field trials the pods were infested with this species and samples of pods were taken at 0, 8, 24, and 46 hours. In this study, only RNA from the 24 hour sample was sequenced. From RNA-seq analysis performed on pods without treatment, the resistant cultivar (IAC-100) showed 39.4% of genes with induced expression and 11.68% of genes with repressed expression in comparison to the susceptible cultivar (CD-215). Based on the results, indirect selection for WHS associated with HSW can be successfully employed for obtaining stink bug resistant genotypes. Moreover, mapping QTL results were partially consistent with previous studies for agronomic traits, suggesting that real QTL were mapped