Clustering of Brazilian maize hybrids grown under contrasting nitrogen inputs: genetic diversity and characterization

Abstract

Under tropical environments, maize cultivars are often exposed to abiotic and biotic stresses, particularly low-fertility soils with nitrogen (N) deficiency. Understanding genetic diversity and germplasm characterization is essential to guide the use of germplasm for N-resilient improvements. This study aimed to assess the genetic diversity and trait profiles of maize hybrids in Southeastern Brazil under low (LN) and high (HN) N inputs. Two sets of maize hybrids were evaluated: set#1 (114 hybrids) evaluated during two seasons under both N inputs and set#2 (140 hybrids) evaluated across two locations under HN. N-use traits were measured in set#1, while plant architecture, grain yield (GY) and GY components were evaluated in both sets. Adjusted means and variance components were obtained using mixed models with spatial analysis. These means were used to assess trait associations, determine trait importance to GY, and characterize genetic diversity using self-organizing maps (SOM). Significant (P<0.01) variance components were observed for N-use traits, plant architecture, GY and its components. Reliability estimates were lower under LN than HN, highlighting the importance of spatial analysis to improve model fit. N-use traits were more informative for explaining GY variation, whereas their absence reduced the ability to discriminate GY. Across both N inputs, grain N concentration (GNC) and N utilization efficiency (NUtE) were consistently among the most important traits associated with GY. Under LN, higher GY was associated with greater N uptake at maturity, reflecting sustained N acquisition during grain filling. Under HN, NUtE and N-remobilization efficiency (NRE) better differentiated hybrid performance. Reduced genetic diversity was observed among clusters with superior GY under LN, indicating convergence in trait profiles, whereas under HN, high- yielding clusters were more diverse. A group of Brazilian maize hybrids showed high and stable GY across both N inputs. Increases in N content in grain, total N uptake and N uptake post-silking under LN, as well as NUtE under HN, were the key important traits associated with clusters combining high GY and stable. The analysis enabled detailed evaluation of genetic diversity and characterization of hybrids based on their trait profiles, providing a useful basis for guiding breeding decisions. Keywords: Zea mays L; trait profiles; traits relationship; N stress; N-use traits; self- organizing maps.

Cultivares de milho são frequentemente expostas a estresses abióticos e bióticos em ambientes tropicais, particularmente solos com baixa fertilidade de N. Nesse contexto, a caracterização da diversidade genética é essencial para orientar o melhoramento voltado à eficiência do nitrogênio. Portanto, objetivamos avaliar a diversidade genética e o perfil de caracteres de híbridos brasileiros de milho em condições de baixo (BN) e alto nitrogênio (AN). Dois conjuntos de híbridos foram avaliados: set#1 (114 híbridos), em duas safras nas duas condições de N, e set#2 (140 híbridos), em duas localidades em AN. Foram coletados dados de caracteres de eficiência na utilização do N (EUN) no set#1 e de arquitetura de planta, produtividade de grão (PG) e seus componentes em ambos os conjuntos. Média ajustadas e componentes de variância foram obtidas por modelos mistos com análise espacial. As médias ajustas foram utilizadas para estudar a associação entre caracteres e a diversidade genética por meio de mapas auto-organizáveis (MAO). Componentes de variância foram significativos para EUN caracteres, arquitetura de plantas, PG e seus componentes em ambas as condições de N. As estimativas de confiabilidade foram menores em BN do que em AN. Caracteres de EUN foram mais informativos para explicar a variação em PG; na ausência desses caracteres, houve menor capacidade de discriminar a variação em PG. Em ambos os níveis de N, concentração de N no grão (GNC) e eficiência na utilização do N (NUtE) foram os principais caracteres associados a PG. Em BN, híbridos com maior capacidade de absorver N no período reprodutivo apresentaram maior PG, devido a capacidade de sustentar a aquisição de N durante o enchimento de grão. Em AN, NUtE e a eficiência na remobilização foram mais informativos para diferenciar híbridos produtivos. Observou-se menor diversidade genética para PG entre as unidades do MAO em BN, indicando convergência de perfis de caracteres em híbridos de alto desempenho. Em AN, a maior diversidade genética resultou em alto PG associado a conjunto amplo de caracteres. Foram identificados híbridos estáveis e produtivos para ambas as condições de N. Aumento no teor de N no grão, absorção total de N e absorção pós-florescimento em BN, bem como NUtE em AN, foram os principais caracteres associados a híbridos produtivos e estáveis. A análise permitiu avaliar a diversidade genética e caracterizar os híbridos, e assim auxiliar as decisões de melhoramento para eficiência no uso do N. Palavras-chave: Zea mays L; perfis de caracteres; relação entre caracteres; N stress; eficiência na utilização do N; mapas auto-organizáveis.