Development of haploid Inducers and characterization of unilateral cross-incompatibility in popcorn germplasm

Abstract

Although unilateral cross-incompatibility (UCI) represents a significant barrier to the implementation of in vivo induction of maternal haploids in popcorn, the main limitation remains the absence of efficient haploid inducers adapted to this germplasm. This study aimed to evaluate the genetic potential of the Krasnodar Haploid Inducer (KHI) population to increase the rate of haploid induction (HIR) and to characterize the UCI between KHI and popcorn germplasm. HIR was evaluated in two cycles of mass selection of KHI, using tester hybrids, and in S progenies derived from selected plants from both cycles (CI and CII). The UCI (Unit of Competence) was evaluated through direct (KHI × popcorn ) and reciprocal (popcorn × KHI ) controlled crosses, involving 56 tropical and temperate popcorn lines. The experiment was conducted in a completely randomized design with three replications. The HIR (Human Influence Ratio) was analyzed using a generalized linear mixed model, while the compatibility probabilities of the crosses were estimated by generalized linear models with a logit link function. Compatibility was defined as the probability of occurrence of compatible crosses, and the differences between direct and reciprocal crosses were used to characterize the UCI. The posterior mean of the HIR was 0.28%, 0.30%, and 0.34% in Cycle I, Cycle II, and in the S progenies, respectively. Additive genetic variance ranged from 2.75 to 4.39, and heritability ranged from 0.39 to 0.51. The highest predicted HIR was 5.97% in Cycle II. The compatibility probabilities in self-fertilizations were 89.6% and 93.6% for tropical and temperate germplasm, respectively. The compatibility probabilities of crosses were 53.7% and 82.8% for direct and reciprocal crosses, respectively, with greater asymmetry in temperate germplasm (45.4 percentage points) than in tropical germplasm (12.6 percentage points). The observed frequencies of compatibility varied widely among the lines, from 0.0% to 95.2% in direct crosses and from 25.0% to 100.0% in reciprocal crosses. Compatibility in reciprocal crosses was generally higher than that observed in direct crosses, particularly among temperate lines, although some tropical lines showed the opposite pattern. The low average HIR limits the use of KHI alone for the development of efficient haploid inducers. Crossing KHI with other sources of haploid inducers or with adapted non-inducing germplasm constitutes a strategy to generate transgressive segregants and enable the selection of haploid inducers with higher HIR. The compatibility patterns observed between the different crossing directions highlight the occurrence of UCI and reveal variation between germplasm groups, populations, and lines.These results are relevant for identifying the incompatibility systems present in popcorn germplasm, particularly for determining which system is associated with the incompatibility observed in tropical germplasm and confirming the presence of the system.Ga1 in temperate germplasm, whose origin suggests the occurrence of this system. The diversity of compatibility patterns observed may also support strategies to overcome crossing barriers between the haploid inducer and popcorn. Keywords: Zea mays L. var. Evert; maternal haploid; gametophytic factors;Embora a incompatibilidade cruzada unilateral (UCI) represente uma importante barreira para a implementação da indução in vivo de haploides maternos em milho- pipoca, a principal limitação ainda é a ausência de indutores de haploides eficientes e adaptados a esse germoplasma. Neste estudo, objetivou-se avaliar o potencial genético da população Krasnodar Haploid Inducer (KHI) para o aumento da taxa de indução de haploides (HIR) e caracterizar a UCI entre a KHI e o germoplasma de milho-pipoca. A HIR foi avaliada em dois ciclos de seleção massal da KHI, utilizando híbridos testadores, e em progênies S derivadas de plantas selecionadas de ambos os ciclos (CI e CII). A UCI foi avaliada por meio de cruzamentos controlados diretos (KHI × milho-pipoca ) e recíprocos (milho-pipoca × KHI ), envolvendo 56 linhagens de milho-pipoca tropicais e temperadas. O experimento foi conduzido em delineamento inteiramente casualizado, com três repetições. A HIR foi analisada por meio de um modelo linear generalizado misto, enquanto as probabilidades de compatibilidade dos cruzamentos foram estimadas por modelos lineares generalizados com função de ligação logit. A compatibilidade foi definida como a probabilidade de ocorrência de cruzamentos compatíveis, e as diferenças entre os cruzamentos diretos e recíprocos foram utilizadas para caracterizar a UCI. A média posterior da HIR foi de 0,28%, 0,30% e 0,34% no Ciclo I, Ciclo II e nas progênies S, respectivamente. A variância genética aditiva variou de 2,75 a 4,39, e a herdabilidade variou de 0,39 a 0,51. A maior HIR predita foi de 5,97% no Ciclo II. As probabilidades de compatibilidade em autofecundações foram de 89,6% e 93,6% para os germoplasmas tropical e temperado, respectivamente. As probabilidades de compatibilidade dos cruzamentos foram de 53,7% e 82,8% para os cruzamentos diretos e recíprocos, respectivamente, com maior assimetria no germoplasma temperado (45,4 pontos percentuais) do que no germoplasma tropical (12,6 pontos percentuais). As frequências observadas de compatibilidade variaram amplamente entre as linhagens, de 0,0% a 95,2% nos cruzamentos diretos e de 25,0% a 100,0% nos cruzamentos recíprocos. A compatibilidade nos cruzamentos recíprocos foi geralmente superior à observada nos cruzamentos diretos, particularmente entre as linhagens temperadas, embora algumas linhagens tropicais tenham apresentado o padrão oposto. A baixa HIR média limita o uso do KHI isoladamente para o desenvolvimento de indutores de haploides eficientes. O cruzamento do KHI com outras fontes de indutores de haploides ou com germoplasma não indutor adaptado constitui uma estratégia para gerar segregantes transgressivos e possibilitar a seleção de indutores de haploides com maior HIR. Os padrões de compatibilidade observados entre as diferentes direções de cruzamento evidenciam a ocorrência de UCI e revelam variação entre grupos de germoplasma, populações e linhagens. Esses resultados são relevantes para identificar os sistemas de incompatibilidade presentes no germoplasma de milho-pipoca, particularmente para determinar qual sistema está associado à incompatibilidade observada no germoplasma tropical e confirmar a presença do sistema Ga1 no germoplasma temperado, cuja origem sugere a ocorrência desse sistema. A diversidade de padrões de compatibilidade observada também pode subsidiar estratégias para superar as barreiras de cruzamento entre o indutor de haploides e o milho-pipoca. Palavras-chave: Zea mays L. var. Evert; haploide materno; fatores gametofíticos;