Assessing genotypic variation and association mapping for nitrogen use efficiency in tropical maize

Abstract

In tropical regions, nitrogen (N) is one of the main limiting factors for maize grain yield production. Therefore, characterizing maize germplasm for N-use traits is essential for developing cultivars with improved tolerance to low-N stress. In this context, the objectives of this study were to estimate genetic parameters and perform association mapping for N-use traits. A panel of 182 tropical maize inbred lines was evaluated under contrasting N inputs. Mixed-model methodology was used to estimate variance components and predict the breeding values of each inbred line. For association mapping, the FarmCPU model was applied to detect markers associated with the evaluated traits. Substantial genetic variability was observed in the inbred-line panel for all traits under both N environments; however, genetic variability was lower under low-N than high-N. The traits N-harvest index and grain N concentration showed strong positive and negative, respectively, correlations with N utilization efficiency, which is an important component of overall N use efficiency. We identified nine and 17 single nucleotide polymorphisms (SNPs) under low-N and high-N conditions, respectively. Based on linkage disequilibrium with these SNPs, 54 candidate genes were identified, several of which encode proteins directly or indirectly involved in N metabolism. Notably, a nitrate transporter family gene was detected for nitrogen harvest index under high-N conditions. Collectively, these results highlight the strong potential of this tropical maize inbred-line panel for supporting the development of cultivars with improved nitrogen-use efficiency. Keywords: Zea mays L.; GWAS ; Contrasting N inputs; Abiotic stress; N utilization efficiency ; N uptake efficiency.Em regiões tropicais, o nitrogênio (N) é um dos principais limitantes da produtividade de grãos de milho. Assim, a caracterização do germoplasma de milho para caracteres relacionados à eficiência do uso de N é fundamental no desenvolvimento de cultivares mais tolerantes ao estresse. Nesse contexto, o objetivo com este trabalho foi estimar os parâmetros genéticos e realizar mapeamento associativo para caracteres relacionados ao uso e à eficiência de N. Para isso, um painel de 182 linhagens endogâmicas de milho tropical foi avaliado em condições contrastantes de N. Modelos mistos foram empregados para estimar os componentes de variância e a predição dos valores genéticos de cada linhagem. Em relação ao mapeamento associativo, empregou-se o modelo FarmCPU na detecção de marcadores associadas aos caracteres avaliados. Foi observada ampla variabilidade genética no painel de linhagens endogâmicas para todos os caracteres avaliados em ambos os ambientes de N. Entretanto, observou-se uma menor variabilidade genética em baixo N comparado ao alto N. Os caracteres índice de colheita de N e concentração de N nos grãos apresentaram correlações fortes, positiva e negativa, respectivamente, com a eficiência de utilização de N, que é um dos componentes da eficiência no uso de N. Foram identificados nove e 17 single nucleotide polymorfism (SNP) em baixo N e alto N, respectivamente. A partir desses SNPs, 54 genes em desequilíbrio de ligação foram encontrados. Entre esses, diversos genes codificam para proteínas que participam diretamente ou indiretamente no metabolismo de N. Particularmente, foi encontrado um gene candidato que codifica uma proteína da família dos transportadores de nitrato para índice de colheita de N em alto N. Por fim, estes resultados demostram o alto potencial do painel de linhagens de milho tropical para subsidiar o desenvolvimento de cultivares mais eficientes do uso do N. Palavras-chave: Zea mays L.; GWAS; condições contrastantes de N; estresse abiótico; eficiência na utilização de N; eficiência na absorção de N.