Identificación de genes y/o alelos que determinan el tiempo a floración y la longitud de distintas fases del periodo reproductivo en soja a través de mapeo asociativo

Tesis para obtener el grado de Doctor en Ciencias Agrarias presentada en la Universidad Nacional de Rosario en 2022 La soja es una planta anual con respuesta cuantitativa a días cortos, ampliamente cultivada en el mundo y uno de los principales cultivos en la Argentina por sus múltiples usos. En los últimos años el cambio climático ha condicionado la producción y estabilidad de los cultivos, principalmente por eventos transitorios de estrés hídrico y/o térmico. En este sentido, estudios previos sugieren que la adaptación a estos cambios, puede lograrse modificando el tiempo a floración y prolongando el período reproductivo y que existen en grupos de genotipos con igual duración de ciclo, algunos que se destacan con periodos reproductivos y/o sus diferentes fases prolongadas y con mayor estabilidad de rendimiento. Con el objetivo de identificar marcadores moleculares y genes asociados a diferentes longitudes de la fase días a floración y diferentes fases del periodo reproductivo en germoplasma de soja mediante el uso de mapeo asociativo, se utilizó un set de 94 genotipos de soja compuesto por cultivares y líneas experimentales de Argentina y germoplasma exótico, con diferente duración de ciclo y características agronómicas. Los ensayos se realizaron en condiciones de campo, en tres localidades y seis ciclos agrícolas. Los genotipos se agruparon de acuerdo a su duración de ciclo (Ciclo) y se estudiaron las variables días a floración (E-R1) y las fases desde inicio de floración a inicio de fructificación (R1-R3), días desde inicio de fructificación a pleno llenado de granos (R3-R6) y días desde inicio de fructificación a madurez fisiológica (R3-R7). Se seleccionaron los genotipos con E-R1 cortos (E-R1c) y R1-R3, R3-R6p y R3-R7 prolongados (R1-R3p, R3-R6p y R3-R7p). Se determinó la estructura poblacional con 14 marcadores SSR y se realizó una genotipificación a alta escala con marcadores DarTs y SNPs para identificar genes candidatos por mapeo asociativo. La búsqueda de genes candidatos se realizó en los genotipos que se seleccionaron por presentar E-R1c, R1-R3p, R3-R6p o R3-R7p o una combinación de éstas. Luego se seleccionaron los genes con procesos biológicos o anotaciones Gene Onthology (GO) coincidentes con genes descriptos previamente asociados a floración y periodo reproductivo en soja y A. thaliana, así como genes con distinta función, pero conteniendo marcadores asociados en su secuencia. Los resultados mostraron una importante variación fenotípica en la población estudiada, incluyendo la variación de los genotipos, los ambientes y su interacción significativas para Ciclo. Se agruparon los genotipos por Ciclo en cada localidad y se identificaron 37, 19 y 5 genotipos en Paraná, Marcos Juárez y Cerro Azul respectivamente, por poseer una o más de las características buscadas, cinco genotipos se destacaron por combinar E-R1c, R1-R3p, R3-R6p y R3-R7p y dos por combinar E-R1c, R1-R3p y R3-R6p. Se analizaron 7125 SNPs y 6465 DArTs y la estructura de la población que mejor ajustó fue K=2, que correspondió al origen y al grado de mejoramiento que presentó el germoplasma. El rango de selección de genes candidatos fue de 100 Kb a ambos lados de cada marcador seleccionado. Para un total de 209 marcadores seleccionados por estar asociados a E-R1c y/o R1-R3p, R3-R6p y R3-R7p, se identificaron 1252 genes candidatos que poseían GO iguales a los de los genes descriptos en estudios previos asociados a floración y periodo reproductivo, de los cuales 11 genes ya habían sido citados previamente y 31 genes contenían el marcador en su secuencia. Por otro lado, se identificaron 45 genes conteniendo los marcadores, con distinto GO a los descriptos en la bibliografía, de los cuales 3 estaban asociados a crecimiento, desarrollo y cambio de fases fenológicas. La separación del periodo reproductivo en fases permitió detectar variabilidad a lo largo del periodo reproductivo. Los genes candidatos se asociaron en forma individual o en diferentes combinaciones con las fases estudiadas y con los marcadores. Se comprobó la existencia dentro de germoplasma con similar Ciclo, de genotipos con floraciones anticipadas y fases prolongadas del periodos reproductivo que resulta de alto interés y puede ser explotada. Del gran número de genes identificados, 95 podrían seleccionarse para su validación y posterior estudio, lo que permitiría incorporarlos como herramienta en los programas de mejoramiento para acelerar la selección en busca de genotipos con estas características. Soybean is widely cultivated in the world and one of the main crops in Argentina. In recent years, climate change has conditioned crop production and stability, mainly due to temporal stress. Adaptation can be achieved by modifying flowering time and lengthening the reproductive period. With the aim of identifying molecular markers and genes associated with different lengths of days to flowering and in reproductive period phases through the use of association mapping, a set of 94 soybeans was used. The trials were carried out under field conditions, at three locations and six years. The genotypes were grouped according to their duration cycle (Cycle) and the following variables were analyzed: days from emergence to beginning bloom (E-R1), days from beginning bloom to beginning pod (R1-R3) days from beginning pod to full seed (R3-R6) and days from beginning pod to physiological maturity (R3-R7), selecting the genotypes with short E-R1 (E-R1c) and prolonged R1-R3, R3-R6 and R3-R7 (R1-R3p, R3-R6p and R3-R7p). Significant variation of the genotypes, the environments and their interaction for Cycle was observed. Genotypes were grouped by Cycle in each locality and 61 genotypes were identified with 1 or more of the traits sought. For the association mapping 7125 SNPs and 6465 DArTs were analyzed and the population structure determined with 14 SSR markers that best adjusted was K = 2. Candidate genes were selected in a range of 100 Kb at both sides of a selected marker. For a total of 209 markers associated with E-R1c, R1-R3p, R3-R6p and R3-R7p, 1252 candidate genes were identified, being only 11 of them previously cited. Splitting the reproductive period in different phases allowed the detection of variability through it. Candidate genes were associated individually or in different combinations with the traits and with the markers. It was verified the existence of genotypes with early blooms and or prolonged phases of the reproductive periods within germplasm with similar Cycle. Of the large number of genes identified, 95 could be selected for validation and subsequent study, which would allow their incorporation as a tool in breeding programs to accelerate the selection in search of genotypes with these characteristics. EEA Paraná Fil: Vicentin, Ignacio Gabriel. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Estación Experimental Agropecuaria Paraná; Argentina