QTL mapping, genome-wide association mapping, and genomic selection for abiotic stress tolerance in sorghum

O cultivo de sorgo em solos ácidos, caracterizados por múltiplos estresses como deficiência de fósforo (P) e toxidez por alumínio (Al), relevou uma necessidade pelo desenvolvimento de cultivares adaptados, uma vez que a susceptibilidade a estas condições acarreta reduções na produção de grãos. Nesse contexto, este estudo almejou elucidar o controle genético da resposta a condições baixa disponibilidade de P e níveis tóxicos de Al em sorgo. Assim, buscou-se: i) identificar regiões genômicas, via mapeamento associativo (GWAS) e mapeamento de QTLs (Quantitative trait loci), associadas a características relacionadas à eficiência no uso de P, produção de grãos e morfologia radicular em baixo P, bem como à tolerância ao Al, utilizando uma população RILs (396 linhagens) e uma população multiparental de acasalamento ao acaso (200 progênies em ciclo S2); ii) selecionar progênies S2 superiores de acordo com a presença de alelos favoráveis para SNPs que no GWAS foram associados a características de interesse; iii) realizar análises de seleção genômica sem e com genes de efeito maior. RILs e progênies S2 foram genotipadas via genotipagem por sequenciamento (GBS) e via Kasp para SNPs gene-específicos para os genes SbPSTOL1 e SbMATE (relacionados à eficiência na aquisição de P e à tolerância ao Al em sorgo, respectivamente). Ambas as populações apresentaram variabilidade genética para todas as características avaliadas, com valores de herdabilidade entre 0,34 e 0,83. Constatou-se que a eficiência na aquisição de fósforo é o principal componente na eficiência do uso de P em sorgo. As co-localizações entre genes SbPSTOL1 e QTLs para eficiência de P nas RILs, sugeriram que os genes SbPSTOL1 são uma ferramenta promissora para desenvolvimento de cultivares superiores em condições de estresse de P. A população BRP13R foi considerada um recurso polivalente, útil para a descoberta de genes e para a seleção de progênies que acumulem alelos favoráveis em múltiplos locos, ocasionando uma adaptação mais ampla a diversas condições de estresse. Além disso, a população BRP13R é indicada para estudos de seleção genômica usando modelos que acomodem efeitos aditivos e dominantes, sendo a acurácia preditiva aprimorada pela adição de marcadores de efeito fixo em desequilíbrio de ligação com os genes principais. Palavras-chave: Mapeamento de QTLs. GWAS. Seleção genômica. Sorgo. Estresse abiótico.Sorghum cultivation on acidic soils is limited by phosphorus deficiency (P) and aluminum (Al) toxicity, which reduce grain yield. Hence, the development of sorghum cultivars adapted to acidic soils is needed. In the context, this study aimed at elucidating the genetic control of a P efficiency and Al tolerance, and to explore genomic selection as a tool to enhance sorghum adaptation to acidic soils. With this purpose we: i) identified via genome-wide association mapping (GWAS) and Quantitative Trait Loci (QTL) mapping genomic regions associated with phosphorus efficiency, focusing on grain yield under low P availability in the soil and root morphology traits, in addition to Al tolerance. Both a recombinant inbred line population (396 lines) and half-sib progeny derived from a multiparental population (BRP13R, with 200 S2 progeny) were used; ii) selected superior S2 progeny based on the presence of favorable alleles for SNPs associated with the target traits; and iii) performed genomic selection with and without major-effect SNPs as cofactors. Both populations were genotyped by genotyping- by-sequencing (GBS) and with tag markers specific to SbPSTOL1 and SbMATE, which have been previously shown to influence P efficiency and Al tolerance, respectively. Phenotypic analyses revealed the presence of genetic variability for all characteristics evaluated in the two populations, the heritabilities varied from 0.34 to 0.83. Phosphorus acquisition efficiency was the main component of phosphorus use efficiency in sorghum. We observed co-localization between P efficiency QTLs SbPSTOL1 genes in the RIL population, suggesting that SbPSTOL1 genes can be used to speed up cultivar development targeting low-P soils. The random mating population, BRP13R, was found to be a multipurpose resource useful both for gene discovery and selection of progeny accumulating favorable alleles at multiple loci, which can lead to broader adaptation to multiple stress conditions. BRP13R was also found to be amenable for genomic selection approaches using models accommodating both additive and dominant effects, and prediction accuracies can be enhanced by adding as fixed effects marker in linkage disequilibrium with major genes. Keywords: QTLs mapping. GWAS. Genomic selection. Sorghum. Abiotic stress