Molecular breeding approaches for the improvement of oil content and fatty acids composition in exotic-derived maize germplasm

Abstract

Molecular breeding strategies such as genome-wide association studies (GWAS) and genomic prediction have revolutionized crop improvement by enhancing selection accuracy and genetic gains. Through a comprehensive evaluation of a large set of lines from Germplasm Enhancement of Maize (BGEM) and their testcross hybrids, we aimed to elucidate the genetic basis of oil content and fatty acid compositions and predict superior hybrids as well as breeding populations. Our study revealed wide phenotypic variation among BGEM lines and testcrosses for such traits, with promising genotype mean values. Leveraging GWAS, we identified significant genomic regions associated with oil content and fatty acids composition, unveiling candidate genes putatively for trait improvement. Incorporating both additive and non-additive genomic prediction model did not enhance the prediction accuracy, suggesting that the additive effects play a major role in the genetic architecture of these traits. Furthermore, our predictive modeling facilitated the identification of breeding populations with heightened oil content and superior fatty acid profiles compared to original BGEM lines. These findings highlight how effective we can be using BGEM germplasm and molecular breeding approaches to improve oil-related traits in maize germplasm, offering insights for future crop improvement endeavors. Keywords: Zea mays L.; Germplasm Enhancement of Maize; GWAS; Genomic prediction; Breeding populations.Estratégias de melhoramento molecular tais como estudo de associação genômica ampla (GWAS) e predição genômica revolucionaram o melhoramento de plantas ao aumentar a acurácia de seleção e o ganho genético. Neste contexto, o objetivo deste trabalho consistiu em elucidar a base genética do conteúdo de óleo e a composição de ácidos graxos e predizer híbridos superiores bem como populações de melhoramento ao avaliar um grande número de linhagens pertencentes ao Germplasm Enhancement of Maize (BGEM) e seus híbridos testcross. De acordo com os resultados, observou-se ampla variação fenotípica entre as linhagens BGEM e os testcrosses, sendo possível identificar genótipos com médias promissoras. Além disso, identificaram-se regiões genômicas significativas associadas com o conteúdo de óleo e composição de ácidos graxos, revelando genes candidatos para o melhoramento destes caracteres. A incorporação de efeitos aditivos e não-aditivos no modelo genômico não aumentou a acurácia de predição, sugerindo que os efeitos aditivos são os que mais contribuem para a arquitetura genética do conteúdo de óleo e ácidos graxos. Além disso, os modelos preditivos facilitaram a identificação de populações de melhoramento com maior conteúdo de óleo e melhor composição de ácidos graxos comparado com as linhagens BGEM parentais. Estes resultados reforçam o quão efetivo pode ser o uso do germoplasma BGEM bem como a adoção de abordagens de melhoramento molecular para melhorar caracteres relacionados ao óleo em milho, oferecendo uma melhor compreensão para futuros esforços de melhoramento de plantas. Palavras-chave: Zea mays L.; Germplasm Enhancement of Maize (GEM); GWAS; Seleção genômica; Populações de melhoramento.