Variabilidad genética en agropyron cristatum y su uso en la mejora de trigo
- Autores: Alejandro Copete Parada
- Directores de la Tesis: Dori Cabrera Caballero (dir. tes.), Roberto Moreno (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2018
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Teresa Millán (presid.), Eva Maria Madrid Herrero (secret.), Elena Benavente Bárzana (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biociencias y Ciencias Agroalimentarias por la Universidad de Córdoba
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
1. Introducción o motivación de la tesis El trigo es uno de los cultivos más importantes del mundo ya que constituye una de las principales fuentes de alimento. La evolución de la agricultura durante el siglo pasado y la búsqueda de variedades de alto rendimiento ha llevado al estrechamiento de la base genética de los cultivos, incluido el trigo (Pingali 2012). Este proceso ha ocasionado una deriva muy importante de genes causando su desaparición gradual de las variedades cultivadas. Las especies de la tribu Triticeae, a la que pertenece el trigo (Triticum spp.), representan una excelente fuente de diversidad genética de la que extraer nuevas variaciones alélicas requeridas en los programas de mejora (Prohens et al 2017). El trigo es uno de los cultivos en los que las especies silvestres y relacionadas han contribuido con caracteres beneficiosos en el desarrollo de nuevas variedades, principalmente proporcionando genes de resistencia a enfermedades y plagas (Kumar-Chaudhary et al. 2014). Entre las especies de la tribu Triticeae, Agropyron cristatum (L.) Gaertn. (genoma P) presenta numerosos caracteres de interés agronómico que pueden transferirse al trigo mediante cruzamiento (Wu et al. 2006; Ochoa et al. 2015; Zhang et al. 2015; Lu et al. 2016). La presente Tesis Doctoral plantea como objetivo general evaluar la variabilidad genética en Agropyron cristatum y utilizar esta especie como recurso genético del trigo harinero con el fin último de ampliar la base genética de este cultivo.
2 .Contenido de la investigación La presente Tesis se ha estructurado en cuatro capítulos. En el capítulo I se ha caracterizado una colección mundial de 115 accesiones de A. cristatum procedentes de 17 países diferentes. Los resultados citológicos, moleculares y agronómicos revelan que existe una gran variabilidad en esta especie. Se han encontrado accesiones diploides, tetraploides y hexaploides, siendo las tetraploides las más frecuentes, observándose una correlación entre la distribución geográfica y el nivel de ploidía. La evaluación por electroforesis capilar empleando 6 marcadores microsatélites (SSR) muestran altos niveles de polimorfismo, generándose 166 alelos diferentes con un rango entre 84 y 256 pb. El contenido de información polimórfica (PIC) de dichos marcadores presenta un rango entre 0.579 a 0.968. La alta variabilidad genética detectada se refleja en la gran variabilidad fenotípica de la colección encontrándose diferencias significativas entre accesiones para los caracteres longitud y ancho de la espiga y número de espiguillas por espiga (Copete et al 2018).
En el capítulo II se evalúan las líneas de adición de A. cristatum en trigo común (Triticum aestivum L.) para resistencia a enfermedades fúngicas demostrándose que la resistencia a oídio (Blumeria graminis f. sp. tritici) en plántula y planta adulta está determinada por genes localizados en los brazos cromosómicos 2PL y 6PL. Se han desarrollado un conjunto de marcadores COS (Conserved Ortologous Set) específicos para ambos brazos cromosómicos útiles en la detección de introgresiones de ambos brazos cromosómicos en el fondo genético de trigo (Copete y Cabrera 2017).
En el capítulo III se ha utilizado la acción gametocida del gen/es de Aegilops cylindrica Host para inducir intercambio de genes entre el genoma de trigo y el genoma de A. cristatum obteniéndose líneas de introgresión en trigo para los cromosomas 4P, 5P y 6P. Estas líneas se han caracterizado citológicamente mediante hibridación in situ fluorescente (FISH) y mediante marcadores moleculares. De igual forma, se han desarrollado un conjunto de marcadores COS específicos para los cromosomas 4P y 5P, que junto con los marcadores COS específicos del cromosoma 6P desarrollados en el capítulo II fueron útiles para detectar las introgresiones cromosómicas obtenidas.
En el capítulo IV se ha identificado y caracterizado un gen candidato de respuesta a la vernalización (VRN-P1) en la variedad “Ruff” de A. cristatum. El alineamiento de la región codificante de la secuencia VRN-P1 de A. cristatum presenta una similitud del 95% y 96%con el gen VRN-A1 de trigo y VRN-H1 de cebada, respectivamente. La localización del gen VRN-P1 en el brazo cromosómico 5PL indica que este gen es ortólogo al VRN1 de trigo y cebada. Del mismo modo, el análisis filogenético de la proteína deducida en especies pertenecientes a la familia Poaceae, reveló una relación genética muy cercana entre VRN-P1 y el gen VRN1.
3. Conclusiones 1. La evaluación citológica, molecular y agro-morfológica realizada en una colección mundial de 115 accesiones de Agropyron cristatum procedentes de 17 países revelaron la alta diversidad genética presente en esta especie y por lo tanto constituyen un recurso genético valioso a emplear en los programas de mejora genética.
2. El análisis mediante citometría de flujo realizado en la colección de A. cristatum reveló que el nivel tetraploide (74.8 %) es el más frecuente en esta especie seguido del diploide (18.3 %) y el hexaploide (6.9 %) observándose además que existe una relación entre la distribución geográfica y el nivel ploídico de las accesiones.
3. Todos los marcadores microsatélites desarrollados en trigo utilizados en el estudio de la diversidad genética de la colección de A. cristatum presentaron altos niveles de polimorfismo generando un total de 166 alelos diferentes. Los valores del Contenido de Información Polimórfica (PIC) obtenidos (0.579-0.968) indican que todos los marcadores son informativos.
4. Se ha detectado resistencia genética a oídio (Blumeria graminis f. sp. tritici) en A. cristatum. La resistencia a esta enfermedad fúngica es conferida por genes localizados en los brazos largos de los cromosomas 2P y 6P.
5. La transferencia de marcadores COS de trigo al genoma de A. cristatum ha permitido asignar 60 marcadores a distintos brazos cromosómicos al genoma de esta especie: 13 localizados en el cromosoma 2P, 18 en el cromosoma 4P, 11 en el cromosoma 5P y 18 en el cromosoma 6P. Los marcadores mapeados en los brazos cromosómicos 2PL y 6PL podrían facilitar la selección por marcadores en la mejora de trigo contra el oídio.
6. Se ha identificado un gen candidato para la respuesta de vernalización, designado como VRN-P1, en A. cristatum en base a la homología de la secuencia de ADN con el gen VRN-A1 del trigo hexaploide (T. aestivum). La secuencia codificante de VRN-P1 muestra una alta similitud con el gen VRN-A1 de T. aestivum (95%). La localización de VRN-P1 en el brazo largo del cromosoma 5P en A. cristatum indicó que VRN-P1 es ortólogo al gen VRN1 de trigo, cebada y centeno.
7. Se han obtenido líneas de translocación entre los cromosomas de trigo y los cromosomas 4P, 5P y 6P de A. cristatum. La translocación obtenida con el brazo cromosómico 6PL puede ser de especial interés para introgresar resistencia a oídio en trigo.
8. Los marcadores COS mapeados en A. cristatum junto con el gen VRN-P1 han permitido establecer un mapeo comparativo entre el trigo y el genoma P. Los resultados obtenidos indican que en general se conserva la macrosintenia entre los cromosomas de ambas especies lo que sugiere que es posible la introgresion de genes de A. cristatum en el genoma de trigo.
4. bibliografía Copete A, Cabrera A (2017) Chromosomal location of genes for resistance to powdery mildew in Agropyron cristatum and mapping of Conserved Orthologous Set molecular markers. Euphytica 213:189-297 Copete A, Moreno R, Cabrera A (2018) Characterization of a world collection of Agropyron cristatum accessions. Genet Resour Crop Evol 65: 1455-1469. DOI 10.1007/s10722-018-0630-9 Kumar-Chaudhary H, Kaila V, Rather SA, Badiyal A, Hussain W, Jamwal NS, Mahato A (2014) Wheat. In: Pratap A, Kumar J (eds) Alien gene transfer in crop plants, Volume 2: Achievements and impacts. Springer, New York, pp 1-26 Lu M, Lu Y, Li H, Pan C, Guo Y, Zhang J, Yang X, Li X, Liu W, Li L(2016) Transferring desirable genes from Agropyron cristatum 7P chromosome into common wheat. PloS ONE 11:e0159577 Pingali PL (2012) Green revolution: Impacts, limits and the path ahead. Proc Natl Acad Sci 109:12302-12308 Prohens J, Gramazio P, Plazas M, Dempewolf H, Kilian B, Díez MJ, Fita A, Herraiz FJ, Rodríguez-Burruezo A, Soler S, Knapp S, Vilanova S (2017) Introgressiomics: A new approach for using crop wild relatives in breeding for adaptation to climate change. Euphytica 213:158 Ochoa V, Madrid E, Said M, Rubiales D, Cabrera A (2015) Molecular and cytogenetic characterization of a common wheat-Agropyron cristatum chromosome translocation conferring resistance to leaf rust. Euphytica 201:89-95 Wu J, Yang X, Wang H, Li H, Li L, Li X, Liu W (2006) The introgression of chromosome 6P specifying for increased numbers of florets and kernels from Agropyron cristatum into wheat. Theor Appl Genet 114:13-20 Zhang J, Liu W, Han H, Lu Y, Yang X, Li X, Li L (2015) Introgression of Agropyron cristatum 6P chromosome segment into common wheat for enhanced thousand-grain weight and spike length. Theor Appl Genet 128:1827-1837
