Mejora genética del guisante por resistencia a roya en ambientes mediterráneos
- Autores: Salvador Osuna Caballero
- Directores de la Tesis: Diego Rubiales Olmedo (dir. tes.), Nicolás Rispail (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2024
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Ana María Campa Negrillo (presid.), Jose Vicente Die Ramon (secret.), Maria Carlota Vaz Patto (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Agraria, Alimentaria, Forestal y del Desarrollo Rural Sostenible por la Universidad de Córdoba y la Universidad de Sevilla
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
1. Introducción o motivación de la tesis: Las royas son una preocupación importante en la producción de leguminosas en todo el mundo y causan pérdidas sustanciales, particularmente en los países en desarrollo que dependen de las leguminosas como alimento básico y fuente clave de proteínas (Toome-Heller 2016). Las especies de hongos de los géneros Uromyces, Phakopsora y Puccinia son los principales agentes causantes. Contribuyen a pérdidas de rendimiento de hasta el 100% en cultivares susceptibles y están surgiendo como una amenaza sustancial para la seguridad alimentaria mundial. Por lo tanto, desarrollar una resistencia duradera a las royas se ha convertido en un objetivo crítico en el fitomejoramiento, junto con los esfuerzos para mejorar las prácticas culturales y el manejo de enfermedades (Rubiales et al. 2015). El guisante (Pisum sativum L.) es una leguminosa de grano de zona templada que se cultiva extensivamente. Se sitúa como la segunda leguminosa más cultivada en el mundo y la primera en Europa, incluyendo tanto los guisantes secos como los verdes. Su uso se extiende a los alimentos y piensos y representa una fuente de proteínas versátil y económica, que ofrece beneficios para la salud humana. La roya del guisante se ha convertido en una gran preocupación a nivel mundial, provocando pérdidas de entre el 30 y el 50 % en condiciones climáticas adecuadas para el hongo (Singh et al. 2023). Dependiendo de la región, se ha informado que la roya del guisante es causada por Uromyces viciae-fabae (Pers. de Bary) en zonas tropicales y subtropicales, o por U. pisi (Pers.) (Wint.) en áreas más templadas. Hasta la fecha, sólo se han identificado niveles moderados de resistencia parcial contra U. pisi en los guisantes, lo que insta a ampliar los niveles de resistencia disponibles para el mejoramiento (Osuna-Caballero et al. 2022).
2.Contenido de la investigación: Considerando la roya una de las principales enfermedades a nivel mundial, esta tesis doctoral se centra en el patógeno U. pisi para el estudio e identificación de nuevas fuentes/mecanismos de resistencia en guisante y su uso en la selección asistida por marcadores en el fitomejoramiento. Teniendo en cuenta este objetivo general, el contenido de esta investigación cumple con los siguientes objetivos específicos:
* Identificación de nuevas fuentes de resistencia a U. pisi en una colección de Pisum spp. en condiciones de campo y condiciones controladas (Capítulos 2 y 3).
* Identificación de accesiones resistentes con base en índices de estabilidad en condiciones de campo, permitiendo la selección de potenciales donantes de resistencia (Capítulo 5).
* Caracterización de los mecanismos de resistencia que ocurren en diferentes accesiones de guisantes resistentes a U. pisi a nivel histológico (Capítulo 2).
* Desarrollar un flujo de trabajo de procesamiento de imágenes utilizando el software R para producir mediciones confiables y repetibles del área de las hojas de guisantes infectadas con roya, contando el número de pústulas y realizando un seguimiento automático de los parámetros de progresión de la enfermedad (Capítulo 3).
* Identificación de nuevos marcadores moleculares asociados con la resistencia a la roya que permitan su uso en el mejoramiento por selección asistida por marcadores (Capítulo 4).
* Proponer genes candidatos responsables de la susceptibilidad/resistencia a la roya causada por U. pisi mediante un enfoque de asociación genómica (Capítulo 4).
* Evaluar diferentes modelos de predicción genómica para seleccionar el más apropiado en futuros escenarios de mejoramiento de la resistencia a la roya (Capítulo 5).
* Evaluar el efecto la interacción del genotipo por el ambiente en diferentes estrategias de validación cruzada para mejorar la capacidad predictiva y la precisión en los mejores modelos de selección genómica propuestos (Capítulo 5).
3.Conclusión: Esta tesis ha identificado con éxito nuevas fuentes de resistencia a la roya dentro de una colección diversa de accesiones de guisantes, lo que subraya el valor de las colecciones principales de cultivos extensivos para identificar rasgos clave. Más allá de revelar fuentes adicionales de resistencia parcial comparables a las muestras más resistentes conocidas anteriormente, también hemos descubierto un caso único de respuesta hipersensible (HR) moderada y tardía en una muestra. Esta respuesta particular a U. pisi en los guisantes no se había documentado antes. Se espera que la integración de esta accesión, junto con las fuentes de resistencia parcial recientemente identificadas, en nuestros programas de mejoramiento amplíe la base genética de la resistencia (Capítulo 2).
Esta tesis presenta un nuevo método de fenotipado basado en imágenes para la roya en guisantes, utilizando segmentación de índices espectrales RGB y umbrales de píxeles para una evaluación precisa de la enfermedad. Esta técnica eficiente, que procesa rápidamente imágenes con demandas computacionales mínimas, mide con precisión la gravedad de la enfermedad y el recuento de pústulas en los folíolos. Su velocidad y precisión, comparables a los métodos visuales tradicionales, marcan un avance significativo con respecto a los flujos de trabajo existentes. Este enfoque basado en scripts R, con una capacidad única para rastrear diariamente parámetros complejos de progresión de enfermedades, también ofrece adaptabilidad para estudiar la roya en otros patosistemas. Al reducir el sesgo subjetivo inherente a las evaluaciones manuales, este método mejora tanto la investigación fundamental como el mejoramiento vegetal, allanando el camino para un manejo más eficaz de las enfermedades y el desarrollo de variedades de guisantes genéticamente resistentes (Capítulo 3).
El estudio GWAS propuesto aquí avanza significativamente nuestra comprensión de la resistencia a la roya en los guisantes, revelando 95 marcadores moleculares y 62 genes candidatos vinculados a la resistencia parcial. Estos hallazgos no solo validan el poder de GWAS para identificar nuevos QTL asociados a resistencia, sino que también proporcionan un conjunto diverso de objetivos genéticos potenciales para futuras investigaciones y estrategias de mejoramiento. La identificación de genes análogos a los de la resistencia a la roya de los cereales sugiere un mecanismo de resistencia compartido. Estos conocimientos son fundamentales para desarrollar programas de mejoramiento específicos y modelos de predicción genómica, mejorar la resiliencia de los cultivos de guisantes contra la roya y apoyar prácticas agrícolas sostenibles al reducir la dependencia de fungicidas (Capítulo 4).
Se destacó la superioridad del modelo GBLUP al tener en cuenta los complejos factores genéticos y ambientales que influyen en la resistencia a la roya en los guisantes. En particular, la incorporación de interacciones Marcador x Entorno en GBLUP mejoró significativamente la precisión predictiva, especialmente en escenarios que involucran entornos y líneas no probados. Este avance subraya el potencial de GS para identificar eficientemente variedades de guisantes resistentes a la roya, reduciendo así la dependencia del fenotipado que suele requerir mucha mano de obra. El uso del índice FAI-BLUP, que integra múltiples rasgos de resistencia a enfermedades, mejoró aún más la solidez de nuestras predicciones. Nuestros hallazgos ofrecen información valiosa para el fitomejoramiento, sugiriendo un enfoque prometedor para desarrollar cultivos resistentes a las enfermedades y contribuir a la seguridad alimentaria mundial y la agricultura sostenible (Capítulo 5).
4. Bibliografía: * Osuna-Caballero S, Rispail N, Barilli E, Rubiales D (2022) Identification and Characterization of Novel Sources of Resistance to Rust Caused by Uromyces pisi in Pisum spp. Plants 11(17):2268. https://doi.org/10.3390/plants11172268 * Rubiales D, Fondevilla S, Chen W, Gentzbittel L, Higgins TJV, Castillejo MA et al (2015) Achievements and Challenges in Legume Breeding for Pest and Disease Resistance. CRC Crit Rev Plant Sci 34:195¿236. https://doi.org/10.1080/07352689.2014.898445 * Singh AK, Kushwaha C, Shikha K, Chand R, Mishra GP, Dikshit HK et al (2023) Rust (Uromyces viciae-fabae Pers. de Bary) of Pea (Pisum sativum L.): Present Status and Future Resistance Breeding Opportunities. Genes 14(2):374. https://doi.org/10.3390/genes14020374 * Toome-Heller M (2016) Latest Developments in the Research of Rust Fungi and Their Allies (Pucciniomycotina). In: Li D-W (ed) Biology of Microfungi, Springer International Publishing, pp. 147¿68.
