Caracterização fenotípica e molecular e análise de GWAS e GWS para caracteres de raiz em um conjunto de linhagens endogâmicas de milho tropical

Abstract

A arquitetura de raiz do milho é importante para a ancoragem das plantas e para a absorção de nutrientes e água. Ferramentas como a associação genômica ampla (GWAS) e a seleção genômica ampla (GWS) podem ajudar os melhoristas a tomar decisões sobre quais genótipos devem avançar em seus programas de melhoramento. Foi realizada a caracterização fenotípica e molecular de um conjunto de 187 linhagens endogâmicas de milho tropical do programa de melhoramento público da Universidade Federal de Viçosa e posteriormente a análise de GWAS para identificar polimorfismo de nucleotídeo único (SNP) associados a caracteres de morfologia de raiz relacionados a eficiência no uso de nitrogênio e possíveis genes candidatos que afetam o desenvolvimento das raízes e avaliar a acurácia da seleção genômica (GWS). Os resultados mostraram que existe uma grande variação fenotípica e genotípica no conjunto de linhagens. Também foi encontrado alta diversidade genética (GD = 0,34) e baixos coeficientes de parentesco entre as linhagens de milho. O declínio do LD com o aumento da distância física em todos os dez cromossomos em todo o conjunto de linhagens de milho com r2 = 0,2 foi de 86.899 pb. Em relação à estrutura populacional, os resultados do STRUCTURE e da análise de componentes principais distinguiram as linhagens endogâmicas em três subpopulações, com muita consistência entre os dois resultados. Além disso, os resultados da análise de agrupamento com base em dados fenotípicos e moleculares agruparam as linhagens em 14 e 22 agrupamentos de divergência genética, respectivamente. Na GWAS, um total de 10 SNPs acima do limite de significância foi detectado. Esses SNPs levaram a 16 genes candidatos. Na GWS, as acurácias para o modelo que incorpora todos os 3.083 SNPs variaram de -0,22 a 0,16. Quando foi considerado apenas os SNPs associados significativamente as acurácias variaram de -0,17 a 0,46. A análise de GWAS revelou marcadores associadas aos caracteres de morfologia de raiz, localizados em regiões que contém genes ou modelos de genes com funções celulares relacionados de proteção das plantas a estresses ambientais, incluindo estresse de nitrogênio. Na GWS, as acurácias do modelo que utilizaram apenas os SNPs associados aos caracteres foram significativamente maiores do que as acurácias obtidas no modelo que incorporaramtodos os SNPs para todos os 14 caracteres avaliados nas condições de BN e AN. Os genes encontrados podem ser mais estudados para ajudar a entender a base genética do desenvolvimento radicular e auxiliar no desenvolvimento de cultivares de milho mais eficientes no uso de nitrogênio. Palavras-chave: Diversidade genética. Estrutura de população. Desequilíbrio de ligação. Associação genômica ampla. Seleção genômica.

The root architecture of maize is important for plant anchorage and for the absorption of nutrients and water. Tools such as Genome Wide Association Studies (GWAS) and Genomic Wide Selection (GWS) can help breeders to make decisions about which genotypes should advance in their breeding programs. We carried out the phenotypic and molecular characterization of a set of 187 inbred lines of tropical maize from the public breeding program of the Universidade Federal of Viçosa (UFV) and later the GWAS analysis to identify single nucleotide polymorphism (SNP) associated with root morphology characters related to the efficiency in the use of nitrogen and possible candidate genes that affect root development and evaluate the accuracy of genomic selection. The results showed that there is a great phenotypic and genotypic variation in the set of inbred lines of tropical maize from the UFV corn breeding program. We also found a high genetic diversity (GD = 0.34) and low coefficients of kinship between maize line (only about 4.00% of the kinship relative to the pairs was above 0.50). The LD decay distance on all ten chromosomes across the set of maize lines with r2 = 0.2 was 86,899 kb. Regarding the population structure, the results of STRUCTURE and the analysis of main components distinguished inbred lines in three subpopulations, with much consistency between the two results. In addition, the results of the UPGMA cluster analysis based on phenotypic and molecular data grouped the lines into 14 and 22 genetic divergence clusters, respectively. At GWAS, a total of 10 SNPs above the significance limit were detected. These SNPs led to 16 candidate genes. At GWS, the accuracy for the model that incorporates all 3,083 SNPs ranged from -0.22 to 0.16. When only the significantly associated SNPs were considered, the accuracy varied from -0.17 to 0.46. The GWAS analysis revealed markers associated with the root morphology characters, located in regions that contain genes or models of genes with related cellular functions to protect plants from environmental stresses, including nitrogen stress. At GWS, the accuracy of the model that used only the SNPs associated with the characters was significantly higher than the accuracy obtained in the model that incorporated all SNPs for all 14 characters evaluated under the conditions of BN and AN. The genes found canbe further studied to help understand the genetic basis of root development and assist in the development of corn cultivars that are more efficient in using nitrogen. Keywords: Genetic diversity. Population structure. Linkage Disequilibrium. Genome wide association studies. Genomic wide selection.