Caracterización genética mediante mapeo por asociación de la restauración de la androfertilidad en germoplasma templado de maíz (Zea mays L.) con citoplasma androestéril CMS-C

Abstract

El uso de macho / andro esterilidad citoplasmática (CMS) tiene importantes ventajas económicas y logísticas en la producción de semilla híbrida de maíz (Fu et al., 2014). Es posible distinguir varios tipos de citoplasma androestériles en función de los genes nucleares específicos que restauran dicha fertilidad, entre ellos, el grupo CMS-C ha sido el más atractivo para la producción híbrida de maíz (Kheyr-Pour et.al., 1981). El objetivo de este trabajo fue caracterizar la variabilidad genética existente en el germoplasma del programa de mejoramiento de maíz híbrido de una empresa de semillas en Argentina para la restauración de la androfertilidad bajo citoplasma estéril CMS-C en un panel de 360 F1 (Donante CMS x líneas a ser usadas como machos y hembras en la generación de hibridos). Las líneas fueron genotipadas con 45.514 SNPs y su respuesta a la restauración de la androfertilidad fue evaluada con una escala de 1 (completamente estéril) a 9 (completamente fértil) en cinco momentos, comenzando con el 50% de estigmas visibles, en cuatro ambientes representativos de producción de semillas durante las campañas 2019/2020 y 2021/2022. La estructura poblacional se evaluó mediante un análisis de componentes principales en el cual las CP uno a diez explicó el 45,26% de la variación entre individuos para LPM-H y el 55,4% de la variación para LPM-M. Los coeficientes de parentesco relativo para la mayoría de las comparaciones entre pares de líneas fueron igual a cero (56,9% LPM-M y 59,9% LPM-H) indicando ningún tipo de relacionamiento o parentesco para estas comparaciones. El desequilibrio de ligamiento, medido como r2, estuvo en valores promedio de entre 0,40 y 0,42 en distancias superiores a 1.000.000 pb para ambos grupos heteróticos, indicando un nivel relativamente fuerte de desequilibrio de ligamiento entre los marcadores analizados. El análisis fenotípico involucró la nota máxima del valor de ruptura alcanzado (STR90_6) para los LPM-M y el cálculo del Área Integrada Debajo del Polígono para LPM-H. Este último permitió integrar mediciones temporales de la restauración de la androfertilidad en un único índice (AUBPC). Las medias de AUBPC para LPM-H mostraron en los cuatro ambientes evaluados valores de 3 a 29, indicando variabilidad fenotípica en el panel estudiado que permitió identificar grupos de genotipos con alta, media y baja ruptura (31,8%, 21,5%, 46% respectivamente). Para LPM-M, las medias de STR90_6 en las cuatro localidades mostraron valores entre 0 y 2 para el 95,7% de los individuos indicando un alto nivel de esterilidad en todos los ambientes y baja variabilidad fenotípica. El mapeo por asociación a través de la caracterización de marcadores homogéneamente distribuidos en el genoma (GWAS) involucró 27882 SNPs para LPM-H y permitió identificar 50 SNPs en cromosomas 1, 2, 3 y 8 que presentaron asociaciones significativas con la restauración de la androfertilidad (p<0,00067), los cuales fueron agrupados en cinco QTL. Los QTL Qrf8.1 y Qrf2.2 reportados en este estudio se ubican en posiciones que ya han sido reportadas en estudios previos de restauración de la androfertilidad, mientras que Qrf1.1 constituyó un falso positivo y Qrf3.1 reportado en el presente trabajo en bin 3.11 no pareciera ubicarse en la misma región reportada por Kohls et al., 2011. En conjunto, Qrf3.1 y Qrf2.1 podrían representar modificadores de la restauración o loci adicionales no descritos previamente para CMS-C, aunque estudios posteriores mediante otras técnicas, como el ML, serán necesarios para su confirmación. El GWAS para LPM-M no se reportó en este trabajo debido a las características del panel utilizado: solo el 5% de los individuos presentó restauración de la fertilidad, limitando la capacidad del modelo mixto para establecer relaciones robustas entre genotipo y fenotipo. Por el lado de LPM-H, un estudio más exhaustivo y sobre poblaciones segregantes F2 o F3 de cruzas dirigidas será necesario para identificar los genes relacionados a estos QTL identificados, que potencialmente pudieran tener valor en técnicas de selección para el desarrollo de líneas puras CMS promisorias (estériles y estables) en un programa de mejoramiento.

Cytoplasmic male sterility (CMS) is a maternally inherited condition in which a plant is unable to produce functional pollen. Nuclear restoration allows the commercial exploitation of CMS systems in the production of hybrid maize seeds. The objective of this study was to characterize the genetic and phenotypic variation to the restoration of androfertility under sterile cytoplasm CMS-C in a panel of 360 lines related to hybrid corn program (females and males’ heterotic groups) developed by the Breeding department of an Industry Partner in Argentina. A genome-wide association study, using 27882 SNPs identified 50 SNPs significantly associated to restoration of androfertility in females’ heterotic group (p<0,0006) which were grouped in five QTL. In the male’s side, the limited phenotypic variation for restoration of androfertility hindered the identification of robust genotype phenotype associations. Qrf8.1 and Qrf2.2 have correspondence to regions reported by other authors except for Qrf3.1 and Qrf2.1. More detailed studies will be necessary to identify or confirm candidate genes associated with the QTL reported in females.