Identificación de genes de resistencia a mancha de la hoja y otros caracteres de importancia agronómica en trigo

Abstract

El trigo pan (Triticum aestivum L.) es sembrado en una superficie de tierra mayor que la de cualquier otro cultivo, representando la fuente de grano alimenticio más importante de la humanidad. Su rendimiento ha experimentado incrementos sustanciales a través del tiempo, sin embargo, en los últimos años las tasas de ganancia se han visto disminuidas. Adicionalmente, se prevé que la demanda mundial de trigo, a causa del incremento demográfico, aumente a un ritmo más rápido que las ganancias genéticas del cultivo. Lo que, sumado al efecto del cambio climático y las pérdidas ocasionadas por enfermedades y plagas, deja en claro la necesidad de incrementar las tasas de ganancia. A fin de alcanzar este objetivo, el estudio y explotación de la diversidad genética a niveles moleculares y su integración con métodos de mejora convencionales es fundamental. En este contexto, la incorporación de resistencia durable es requerida, ya que no es posible obtener genotipos de alto rendimiento estable sin adecuada resistencia a las principales enfermedades del cultivo. La mancha de la hoja del trigo, causada por el ascomicete Z. tritici, es considerada una de las enfermedades de mayor importancia en la mayoría de las regiones productoras de trigo del mundo. Su manejo en gran medida se ha basado en el uso de fungicidas, sin embargo, el aumento de la resistencia o menor sensibilidad frente a los grupos químicos más utilizados, revela la necesidad e importancia de alcanzar adecuados niveles de resistencia genética. Esta medida de manejo presenta una baja relación costo-beneficio, evita la contaminación ambiental, determinando además el éxito de otras estrategias de manejo. Sin embargo, hasta la fecha solo 21 genes de resistencia han sido identificados. Esto sumado a la especificidad que en general presentan los mismos frente a los aislamientos del patógeno, evidencia la necesidad de explorar nuevo germoplasma a fin de identificar nuevos genes. En el Capítulo 1 se presenta una introducción general a la tesis, en la que se describen las características del cultivo de trigo y el contexto actual. Adicionalmente, se presentan las características de Z. tritici y su implicancia sobre las medidas disponibles para su manejo. Finalmente, se describen las metodologías utilizada en la identificación de genes asociados a caracteres de importancia agronómica en trigo. En el Capítulo 2 se presenta la caracterización fenotípica de un panel compuesto por 21 líneas diferenciales y 11 cultivares argentinos actuales frente a 10 aislamientos de Z. tritici. En este estudio se identificaron genotipos con ambos tipos de resistencia frente a los aislamientos utilizados. La interacción entre líneas diferenciales portadoras de genes Stb y los aislamientos utilizados permitió postular la presencia de algunos de dichos genes en cultivares argentinos. Adicionalmente, se pudo demostrar la efectividad y espectro de la resistencia de algunos genes Stb frente a variantes locales del patógeno, por lo que podrían utilizarse en programas locales de mejoramiento. Finalmente, el análisis permitió identificar nuevas y promisorias fuentes de resistencia en cultivares argentinos y los posibles aislamientos a utilizar en futuros estudios de mapeo. El Capítulo 3 describe el análisis fenotípico de la resistencia a Z. tritici en una población doble haploide originada a partir dos cultivares argentinos con comportamiento contrastante a la enfermedad. Ambos análisis, en plántula y estado adulto, mostraron una herencia compleja de la resistencia y la utilización de 3 aislamientos genéticamente diversos permitió demostrar la presencia de múltiples factores genéticos en el parental resistente. La presencia de líneas exhibiendo resistencia frente a todos los aislamientos indicó en principio la presencia de factores genéticos con efectos aditivos y el potencial de la estrategia de piramización de QTL en el mejoramiento. Finalmente, se identificó una relación genética entre severidad y ciclo de cultivo, pero la misma fue atribuida a unas pocas líneas. El Capítulo 4 incluye un estudio de mapeo asociativo de todo el genoma sobre 96 genotipos de trigo. En la población de mapeo se evaluaron 23 caracteres de importancia agronómica a través de tres ambientes y por medio del análisis de desequilibrio de ligamiento se logró identificar un total de 213 marcadores DArT asociados a los mismo, en al menos dos de los tres ambientes. Varias regiones genéticas identificadas se correspondieron con genes o QTL previamente reportados, mientras que muchas otras parecen ser nuevas y por lo tanto recursos adicionales posibles de utilizar en programas de mejora posterior a su confirmación. En las enfermedades fúngicas evaluadas nuevamente se observaron efectos aditivos de los factores genéticos, identificándose diferencias significativas a través de la acumulación de los mismos en un mismo fondo genético. Las funciones biológicas identificadas a través de búsquedas in silico, en general presentaron relación con el carácter asociado. La asociación genética reportada entre resistencia a Z. tritici y ciclo fue corroborada a nivel genético pero la misma nuevamente solo fue observada en algunos genotipos. Por último, en el Capítulo 5 se presenta una discusión general de los resultados y a partir de ello posibles futuras investigaciones.

Summary Wheat (Triticum aestivum L.) is grown on larger area than any other crop, representing the most important food source of humankind. Its yield has increased substantially over time. However, in recent years, the yield improvement rate has been diminished. In addition, global demand for wheat is predicted to increase at a faster rate than the genetic gains of the crop due to the population increase. Thus, together with the effect of climate change and yield losses caused by diseases and pests, makes clear the need of increasing the rate of yield gain. In order to achieve this goal, studying and exploring the genetic variability at molecular levels, and its integration with conventional breeding methods, is fundamental. In this context, the incorporation of durable resistance is required, since it is not possible to obtain stable high yielding genotypes without adequate resistance to the major diseases of the crop. Septoria tritci bloch (STB), caused by the ascomycete Z. tritici, is a major disease of wheat in the most wheat growing areas of the world. Management of STB usually relies to a large extent on the use of fungicides. However, increased resistance or reduced sensitivity against the most widely used chemical groups, reveals the need and importance of achieving adequate levels of genetic resistance. This management measure, presents a low cost-benefit ratio, avoids environmental contamination, and also determines the success of other management strategies. To date, however, only 21 resistance genes have been identified, which added to the specificity that the isolates presents, shows the need to explore new germplasm in order to identify new genes. Chapter 1 is a general introduction to the thesis and covers wheat characteristics and the current context. In addition, the characteristics of Z. tritici and its implication on the measures available for its management are presented. In Chapter 2, the phenotypic characterization of a panel of 21 differential lines and 11 current argentine cultivars against 10 isolates of Z. tritici is presented. In the present study, genotypes with both types of resistance were identified. Interactions between differential lines carrying Stb genes and the isolates, enabled to postulate the presence of some of them in Argentine cultivars. Additionally, it was possible to demonstrate the effectiveness and resistance spectrum of some Stb genes to local variants of the pathogen, which could be used in local breeding programs. Finally, the analysis also allowed to identify new and promising sources of resistance in Argentine cultivars and possible isolates to be used in future mapping studies. Chapter 3 describes the phenotypic analysis of resistance to Z. tritici in a double haploid population originated from two Argentine cultivars with contrasting behaviors to the disease. Both analyzes, at seedling and adult plant stages, showed a complex inheritance of resistance, and the use of 3 genetically diverse isolations, allowed to demonstrate the presence of multiple genetic factors in the resistant parent. The presence of lines exhibiting resistance to all isolates, indicated the presence of genetic factors with additive effects and the potential of the QTL pyramiding strategy in breeding. Finally, a genetic relationship between severity and earliness was identified, but only in a few lines. Chapter 4 includes a genome-wide associative mapping study using 96 wheat genotypes. In the mapping population, 23 traits of agronomic importance through three environments were evaluated and using linkage disequilibrium analysis, a total of 213 DArT markers associated with them were identified in at least two of the three environments. Several genetic regions identified corresponded to previously reported genes or QTLs, while others, appeared to be new, and therefore, additional resources to be used in breeding programs. In the evaluated fungal diseases, additive effects of genetic factors were again observed, demonstrating a significant pyramiding effect. The identified biological functions through in silico searches were generally related to the associated character. The genetic association reported between resistance to Z. tritici and earliness was corroborated at the genetic level, however this was only observed in some genotypes. Finally, Chapter 5 presents a general discussion of the results and possible future research.