Mapeo por asociación para capacidad fotosintética y eficiencia de uso de agua en sorgo bajo condiciones óptimas

Abstract

El sorgo (Sorghum bicolor L. Moench) es el quinto cultivo alimenticio más importante del mundo y uno de los cereales más tolerantes a la sequía y más eficientes en el uso del agua. En el contexto actual de cambio climático, los cultivos C4 juegan un papel importante ya que su mecanismo de concentración de CO2 en las hojas conduce a una mayor productividad y eficiencia intrínseca de uso de agua. La tasa de asimilación neta de carbono es la base fundamental de la productividad de los cultivos, aunque es un rasgo complejo para ser caracterizado en grandes cantidades de genotipos. El sorgo es un cultivo con una gran diversidad genética que puede ser utilizada para la obtención de germoplasma con mayor potencial de crecimiento. El mapeo por asociación es un estudio que permite identificar regiones específicas del genoma relacionados con la variación de un carácter fenotípico de interés. Estos estudios de mapeo a partir de paneles que capturan la diversidad del cultivo brindan una excelente oportunidad para descubrir y explorar la arquitectura genética de la fotosíntesis y de los atributos fisiológicos y morfológicos a nivel de planta y hoja. Como objetivo general se planteó en este trabajo de tesis entender las bases genéticas y fisiológicas de la variabilidad fotosintética en una población diversa de sorgo apta para estudios de mapeo por asociación y como objetivos específicos se plantearon: caracterizar la variabilidad fenotípica presente para caracteres relacionados a fluorescencia de clorofila, arquitectura de planta, morfología de hoja y estomas en un panel de asociación de sorgo a campo, descubrir regiones genómicas que regulan la capacidad fotosintética y características morfológicas a nivel de planta y hoja a partir de la variabilidad fenotípica del panel de asociación de sorgo, desarrollar una versión reducida del panel de asociación de sorgo que mantenga la variabilidad genética de la colección y que permita validar los marcadores encontrados a campo en la población total en invernadero y describir los mecanismos fisiológicos asociados a la variabilidad fotosintética en grupos contrastantes de sorgo en fluorescencia de clorofila e identificar caracteres fácilmente medibles que sirvan como sustitutos de la eficiencia intrínseca de uso de agua (EUAi).Se llevaron a cabo dos ensayos a campo con más de 300 genotipos de sorgo pertenecientes al Panel de Asociación de Sorgo (PAS). En ambos, se realizaron mediciones de altura (ALT), contenido de clorofila en hoja (SPAD), tasa de aparición de hojas (TAH), días a floración (DAF), eficiencia de energía capturada (Fv´/Fm´), rendimiento cuántico efectivo de PSII (ΦPSII), área foliar específica (AFE), área total de hoja (ATH), largo de hoja (LH), ancho de hoja (AH), peso seco de hoja (PSH), densidad estomática (DE), largo de estoma (LE), ancho de estoma (AE), número de estomas (NE) y tamaño de estoma (TE). En los dos años los genotipos presentaron suficiente variabilidad fenotípica para la mayoría de las variables analizadas. Se encontraron correlaciones positivas y altas entre las variables de morfología de hoja y entre las de caracteres estomáticos, y a su vez, ambos conjuntos de variables entre sí. Se encontró otra correlación relevante entre ALT y SPAD. Se detectaron heredabilidades en sentido amplio (H2 ) significativas con rangos medios a altos (0,45-0,95) para la mayoría de los caracteres evaluados. Los datos de los ensayos a campo se analizaron en conjunto con un modelo mixto, y a partir de los BLUPs (mejor predictor lineal insesgado) obtenidos se realizó un mapeo por asociación para cada variable con el software TASSEL. Se encontraron regiones genómicas significativas para ALT, AH, ATH, PSH, SPAD, AFE, LE y DAF. El número de marcadores significativos varió entre 1 polimorfismo de un solo nucleótido (SNP) para DAF, hasta 290 para ALT. Luego se obtuvo un subconjunto representativo de 150 líneas de esta colección a través de un análisis factorial múltiple (AFM), manteniendo la variabilidad fenotípica y genotípica del panel. Esta versión reducida se evaluó en invernadero para validar el efecto genético de los SNPs significativos encontrados en el mapeo por asociación realizado en los ensayos a campo. Se seleccionaron 48 marcadores para validar, de los cuales 29 fueron significativos para los análisis de varianza, determinando que estos marcadores se encontraron en el ensayo de invernadero a pesar de haber reducido la cantidad de genotipos. Por último, se llevó a cabo un ensayo a campo con dos grupos de genotipos contratantes obtenidos a partir de datos de los ensayos anteriores, a través de un índice de selección teniendo en cuenta la capacidad fotosintética y contenido de clorofila en hoja. Además de las variables antes mencionadas, se registraron parámetros de intercambio de gases: tasa de asimilación de carbono (A), conductancia estomática (gs), transpiración (T). A su vez se registró la relación de fotosíntesis a transpiración (A/T), y se determinó la eficiencia intrínseca de uso de agua (EUAi). Los parámetros de fluorescencia incluyeron: rendimiento cuántico efectivo del PSII (ΦPSII), eficiencia de la energía capturada por los centros de reacción abiertos de PSII (Fv´/Fm´), y extinción fotoquímica (qP). Se calculó la tasa de asimilación neta (TAN), se determinó el consumo de agua a través del método de humedad gravimétrica, y se estimó la eficiencia de uso de agua (EUA). La mayoría de las variables se correlacionaron significativamente con al menos otra variable. Los parámetros de intercambio gaseoso y fluorescencia de clorofila se correlacionaron entre sí, y estas en su conjunto con la mayoría de los caracteres estomáticos. Los grupos estudiados presentaron diferencias significativas en fotosíntesis, y estas diferencias estuvieron asociadas principalmente a caracteres de fluorescencia y SPAD, tal como se había seleccionado. La correlación positiva encontrada en nuestro ensayo entre AH y gs, la mayor dependencia de EUAi en gs que en A, y la correlación negativa entre AH y EUAi revelaron caminos prometedores para mejorar la EUAi en cultivos C4. En esta tesis se utilizó la variabilidad natural del cultivo de sorgo para investigar simultáneamente caracteres de arquitectura de planta, morfología de hoja, contenido de clorofila, caracteres estomáticos y parámetros de fluorescencia de clorofila, algunos de ellos altamente correlacionados. Los resultados de nuestros estudios se compararon con regiones genómicas previamente identificadas a través de mapeo por asociación y estudios de mapeo de QTL. Es necesario profundizar el estudio de la respuesta fotosintética en sorgo para entender los mecanismos asociados a las diferencias genotípicas y avanzar hacia protocolos de selección por eficiencia fotosintética.Sorghum (Sorghum bicolor L. Moench) is the fifth most important food crop globally and one of the most drought-tolerant cereals, with significant genetic diversity for enhancing germplasm potential. This study aimed to investigate the genetic and physiological bases of photosynthetic variability in a diverse sorghum population suitable for association mapping studies. Two field trials were carried out with more than 300 sorghum genotypes belonging to the Sorghum Association PanelTraits evaluated were height (PH), leaf chlorophyll content (SPAD), leaf emergence rate (LAR), days to flowering (DF), energy capture efficiency (Fv´/Fm´), effective quantum yield of PSII (ΦPSII), specific leaf area (SLA), total leaf area (TLA), blade length (BL), leaf width (LW), leaf dry weight (LDW), stomatal density (SD), stomatal length (SL), stomatal width (SW), number of stomata (NS) and stomatal size (SS). Strong correlations were observed between leaf morphology variables and stomatal traits. Broad-sense heritabilities (H²) ranged from 0.45 to 0.95 for most traits. A mixed model analysis identified significant genomic regions for PH, LW, TLA, LDW, SPAD, SLA, SL, and DF. A representative subset of 150 lines maintaining phenotypic and genotypic diversity was selected via MFA and evaluated in a greenhouse to validate significant SNPs identified in field trials. Of the 48 markers selected for validation, 29 were significant, confirming their genetic effects despite the smaller sample size. Finally, a field trial was conducted with two contrasting groups of genotypes, obtained through a selection index taking into account photosynthetic capacity and leaf chlorophyll content. In addition, gas exchange parameters (A, gs, T), the WUEi, and fluorescence parameters (ΦPSII, Fv´/Fm´ and qP) were determined. The net assimilation rate (NAR) was calculated, water consumption was determined and water use efficiency (WUE) was estimated. The studied groups showed significant differences in photosynthesis, whichh were mainly associated with fluorescence and SPAD traits. The positive correlation found in our trial between LW and gs, the greater dependence of WUEi on gs than on A, and the negative correlation between LW and WUEi revealed promising ways to improve WUEi in C4 crops. It is necessary to perform further studies on the photosynthetic response in sorghum to understand the mechanisms associated with genotypic differences and move towards selection protocols for photosynthetic efficiency.