Lectura 6 A

 Variación de la forma del tubérculo y la profundidad del ojo en una familia diploide de papas andinas

Hannele Lindqvist-Kreuze, Awais Khan, Elisa Salas, Sathiyamoorthy Meiyalaghan, Susan Thomson, René Gómez, Merideth Bonierbale

Abstract: Tuber appearance is highly variable in the Andean cultivated potato germplasm. The diploid backcross mapping population ‘DMDD’ derived from the recently sequenced genome ‘DM’ represents a sample of the allelic variation for tuber shape and eye depth present in the Andean landraces. Here we evaluate the utility of morphological descriptors for tuber shape for identification of genetic loci responsible for the shape and eye depth variation. Phenotypic data obtained from three trials and male–female based genetic maps were used for quantitative trait locus (QTL) identification. Seven morphological tuber shapes were identified within the population. A continuous distribution of phenotypes was found using the ratio of tuber length to tuber width and a QTL was identified in the paternal map on chromosome 10. Using toPt-437059, the marker at the peak of this QTL, the seven tuber shapes were classified into two groups: cylindrical and non-cylindrical. In the first group, shapes classified as ‘compressed’, ‘round’, ‘oblong’, and ‘long-oblong ’mainly carried a marker allele originating from the male parent. The tubers in this group had deeper eyes, for which a strong QTL was found at the same location on chromosome 10 of the paternal map.

 

KEYWORDS: TUBER SHAPE, EYE DEPTH, MORPHOLOGICAL DESCRIPTORS, QUANTITATIVE TRAIT LOCI (QTL)

 

1. Introducción

Existe una gran variabilidad en la apariencia de los tubérculos en el germoplasma de papa cultivada en los Andes. Mientras que las papas silvestres son generalmente pequeñas y redondas con ojos bastante superficiales, los tubérculos de las variedades autóctonas de domesticación temprana son más grandes y tienen una gran variabilidad en la forma y la profundidad del ojo. Los agricultores andinos buscan mantener esta rica diversidad cultivando mezclas de razas locales en sus campos. En las variedades modernas se prefieren los ojos superficiales, el color uniforme y la forma redonda u oblonga, ya que facilitan la manipulación y el procesamiento.

Con el fin de revelar el control genético de la forma del tubérculo y la profundidad del ojo, se han utilizado varias categorías de clasificación que reflejan la variabilidad presente. Algunos estudios con Solanum tuberosum (ya sea a nivel tetraploide o diploide), han utilizado dos categorías de forma (redonda, larga), tres (redonda, ovalada y larga) o cuatro (redonda, ovalada, ovalada larga, ovalada muy larga). en una población híbrida entre S. verrucosum y S. microdontum, Se registraron seis tipos de formas (larga, ovalada larga, ovalada, ovalada redonda, redonda, comprimida). en un S. phureja población derivada, inicialmente se puntuaron ocho tipos de formas, pero para el mapeo genético se agruparon en tres clases principales (redonda, ovalada, larga).

El Centro Internacional de la Papa (CIP) posee actualmente la mayor biodiversidad de papas cultivadas. Los descriptores morfológicos para la forma del tubérculo utilizados por el banco de germoplasma del CIP incluyen ocho categorías básicas: comprimida, redonda, ovoide, obovoide, elíptica, oblonga, alargada y alargada.

La población de mapeo de retrocruzamiento diploide ' DMDD ' se desarrolló en el CIP y se utilizó para anclar la primera secuencia publicada del genoma de la papa (DM) y para desarrollar un mapa genético denso. La abuela de la población, DM, pertenece a la S. tuberosum Grupo Phureja y el padre masculino recurrente, DI, a S. tuberosum diploide Andigenum Grupo Goniocalyx, proporcionando así algunas de las variaciones alélicas presentes en las razas locales andinas.

El presente trabajo se realizó para evaluar la utilidad de los descriptores morfológicos para la forma del tubérculo para la identificación de los loci genéticos responsables de la variación de la forma y profundidad del ojo. Además, la secuencia del genoma de referencia de la patata se utilizó para buscar genes candidatos potenciales responsables del efecto QTL encontrado.

2. Métodos

2.1 Evaluación de material vegetal, campo e invernadero

La población de retrocruzamiento diploide DMDD [17,18] ((DM XDI) X DI) se desarrolló cruzando el DM1-3 516 R44 homocigótico como hembra con el diploide heterocigoto Grupo S.tuberosum Stenotomum (anteriormente S. stenotomum ssp. goniocalyx accession CIP703825 (DI) como macho, y retrocruzar un híbrido resultante CIP305156.17 (DMDI) de nuevo con el DI como progenitor masculino.

La progenie consta en total de 227 individuos, y de esos 180 se utilizaron para construir el mapa genético. La población se cultivó en tres ensayos de campo: La Molina, Lima (campo1, n = 134), San Agustín, Junín (campo2, n = 148) y Acos, Pasco (campo3, n = 117).

En ensayos de campo1 y campo2, in vitro las plantas se plantaron por primera vez en Jiffy ™ tiras y después de 15 días se sembraron en el campo utilizando un diseño de celosía alfa con dos repeticiones. Cada genotipo estuvo representado por diez plantas en cada una de las réplicas. En el campo de prueba3, se sembraron tubérculos de segunda generación con el mismo diseño, pero con tres repeticiones y 15 plantas por genotipo por repetición.

Todas las pruebas fueron irrigadas: campo 1 con canales de riego, campo 2 y 3 con aspersores. Los campos fueron fertilizados al momento de la siembra aplicando 160 kg / ha

cloruro de potasio (KCl), 180 kg / ha de fosfato ((NH4) 2 HPO 4), y 100 kg / ha de nitrógeno (CO (NH 2) 2). Se aplicó nitrógeno por segunda vez a la misma dosis durante la primera aporque. Los tubérculos se cosecharon cuando más del 75% de las plantas habían alcanzado la senescencia foliar.

Evaluación fenotípica y análisis estadístico

Después de la cosecha, se lavaron los tubérculos y se seleccionaron los tubérculos completamente desarrollados para la evaluación fenotípica.

La escala consiste de las siguientes ocho categorías basadas en la longitud y el ancho en diferentes partes del tubérculo: los tubérculos comprimidos son ligeramente más anchos que largos; los tubérculos redondos y ovoides son más largos que anchos y tienen un ápice más estrecho (extremo rosado) que la base (talón); Los tubérculos obovoides son más largos que anchos y tienen una base más estrecha; Los tubérculos elípticos tienen un ápice y una base significativamente más estrechos que el medio; los tubérculos oblongos tienen un ancho similar en todas las partes del tubérculo y son como máximo dos veces más largos que anchos; Los tubérculos alargados y oblongos también tienen un ancho similar en todas las partes del tubérculo y su relación entre el largo y el ancho del tubérculo está entre dos y tres; y los tubérculos alargados son más de tres veces más largos que anchos. La profundidad del ojo se estimó mediante examen visual y se clasificó en cuatro clases: protuberante, superficial (<2 mm), ligeramente profunda (2-4 mm).

La forma del tubérculo también se midió como la relación entre el largo y el ancho del tubérculo dividiendo el largo (mm) del tubérculo desde la base hasta el ápice, por el ancho (mm) en el medio del tubérculo.

Tabla 1. Ubicación geográfica detalla de las pruebas de campo y las características del suelo y los datos climáticos registrados en los sitios.

2.2 Construcción de mapas genéticos y análisis QTL

La población se construyó utilizando datos de marcadores desarrollados previamente por el Potato Genome Sequencing Consortium (PGSC) para construir mapas genéticos y físicos para ' DMDD'. Se establecieron mapas genéticos para cada padre por separado, como describen Khan et al. (2013).

Los marcadores que eran heterocigotos en el padre femenino y homocigotos en el padre masculino se utilizaron para construir el mapa materno, mientras que los marcadores que eran heterocigotos en el padre masculino y homocigotos en el padre femenino, se utilizaron para construir el mapa paterno.

El mapeo se realizó utilizando el ' CP ' opción de JoinMap® 4 [50]. Los datos fenotípicos de cada experimento y los mapas genéticos masculinos y femeninos se utilizaron para el análisis de QTL utilizando las opciones predeterminadas para el mapeo de intervalos (IM) en MapQTL® 6. Se realizó la prueba de Kruskal-Wallis para las variables categóricas utilizando opciones predeterminadas en MapQTL® 6, mientras que los datos cuantitativos se analizaron mediante mapeo de intervalos. Se determinó un umbral de LOD usando una prueba de permutación con 1000 permutaciones para declarar un QTL significativo en todo el genoma al 99% del umbral de significancia. El marcador toPt-437059 con el valor LOD más alto se utilizó para validar la asociación rasgo-QTL.

Los individuos de la progenie se agruparon según el genotipo del marcador (nn o np) para comparar los datos fenotípicos entre los dos grupos.

3. Resultados

3.1 Datos fenotípicos

Se encontraron siete formas diferentes en la progenie en todos los ensayos, siendo las categorías más prevalentes obovoide, elíptica, oblonga, alargada y alargada. Los valores medios en todos los experimentos fueron bastante similares para la relación entre la longitud del tubérculo y el ancho, pero la distribución se inclinó hacia los valores más pequeños en los ensayos de campo 1 y campo 2.

3.2 Características de los mapas genéticos parentales de DMDD

Ambos mapas parentales tenían 12 cromosomas correspondientes a los cromosomas de la papa. Para el mapa paterno, la longitud media de los cromosomas fue de 58,7 cM, el intervalo de marcador medio fue de 1,9 cM y contenía un promedio de 29 marcadores. Un total de 423 marcadores mapeados en el mapa materno con una longitud de cromosoma promedio de 65,4 cM, un intervalo de marcador promedio de 2,1 cM y un promedio de 35 marcadores por cromosoma.

3.3 Forma del tubérculo y profundidad del ojo QTL

 El QTL de mayor efecto se encontró para la relación de base y / o ápices marcadamente más estrechos en comparación con el ancho medio. Los tubérculos cilíndricos encontrados tienen ojos muy profundos con mayor frecuencia que los tubérculos no cilíndricos, pero ambos tipos de formas tienen ojos profundos (Tabla 1). También se encontró un QTL para la profundidad del ojo en el cromosoma 12 en el mapa materno.

Tabla 2. Clasificación de los individuos de la progenie de DMDD basada en el marcador del genotipo Pt-437059, la forma del tubérculo y la profundidad del ojo en los tres ensayos de campo

3.3 Genes candidatos

Las secuencias de pseudomoléculas correspondientes a aproximadamente 2 cM en los picos de QTL por mapeo de intervalo en los cromosomas 5, 10 y 12 escaneados en busca de genes candidatos. Había un total de 607, 375 y 133 genes dentro de las regiones que rodean el QTL en los cromosomas 5, 10 y 12 respectivamente.

El marcador en el pico de este QTL es toPt437059 y el alelo np del padre DI asociado con las formas comprimidas, redondas, oblongas y alargadas. También se encontraron tres miembros de la familia de genes de expansina en la región de QTL significativo en los cromosomas 5 y 10; β- expansin y expansin se ubicaron a una distancia de 1.03 Mb y 1.12 Mb respectivamente del marcador QTL PM0333_219 en cromosoma 5.

También se identificaron tres genes de extensión dentro de 1,11 Mb del marcador QTL PM0333_219 en genes de factores de transcripción notables subyacentes al marcador principal del cromosoma 10 QTL toPt-437059, como el factor de transcripción GRAS ESPANTAPÁJAROS, y el factor de transcripción que contiene el dominio AP2 / ERF, ERF5.

4. Discusión

 Se encontraron siete formas diferentes de tubérculos en la progenie de DMDD de acuerdo con los descriptores generales de forma de tubérculos actualmente en uso en el banco de germoplasma del Centro Internacional de la Papa. Con la ayuda del marcador QTL toPt-437059, las siete formas de tubérculos pudieron clasificarse en dos grupos: cilíndrico y no cilíndrico al igual a estudios realizados por (Hara et al.,2018) que realizo un mapeo de papa diploide que consta de 149 individuos en tres años consecutivos para determinar características agronómicas y de calidad importantes: forma del tubérculo, regularidad de la forma del tubérculo, profundidad del ojo, peso medio del tubérculo y color de la pulpa del tubérculo. Las formas comprimidas, redondas, oblongas y alargadas, pertenecientes al primer grupo, llevan el alelo marcador que se origina en el progenitor masculino recurrente; mientras que las formas obovoide, elíptica y alargada forman el segundo grupo y llevan el alelo marcador del progenitor femenino.

El QTL se encuentra en la misma región genómica que los genes dominantes mapeados previamente para la forma del tubérculo redondo (Stiekema & Jacobsen, 1994), la profundidad del ojo (Li et al.,2005) y la forma QTL (Prashar et al.,2014). El lugar de la forma Ro (forma de tubérculo redondo) en el cromosoma 10 está controlado por múltiples alelos en S. tuberosum (Stiekema & Jacobsen, 1994). Los alelos en el Ro locus en los diploides andinos nativos, como los progenitores de DMDD S. tuberosum phureja y S. tuberosum goniocalyx puede diferir de los de S. tuberosum, dando como resultado una variación no solo en la longitud del tubérculo, sino también en la forma del ápice y la base.

En total, hay 17 formas diferentes de tubérculos reconocidas como descriptores morfológicos formales (Ortiz & Huaman, 1994), pero se desconoce si toda esta variación puede explicarse por diferentes alelos en el Ro lugar. Se requiere registrar descriptores generales de forma de tubérculo en una población base más amplia y mapeo de asociación para probar esta hipótesis. Estudios realizados por Chan (2019), demostraron que el locus Ro en el cromosoma X es el locus principal que controla la forma del tubérculo, y el alelo de forma redonda, Ro, es dominante sobre el alelo de forma larga, ro. Mientras que el mayor QTL en el cromosoma 10 juega el papel más importante en la clasificación de la forma del tubérculo cilíndrico y no cilíndrico en DMDD, otro QTL menor en el cromosoma 5 que se origina en el progenitor femenino también tiene un efecto sobre la forma del tubérculo.

 Esto es consistente con otros estudios que reportan varios otros QTL menores que explican la variación de la forma del tubérculo (Prashar et al.,2014; Ortiz & Huaman, 1994) Se encontró que la forma redonda estaba relacionada con ojos profundos en estudios que involucraban diploides S. tuberosum x S. phureja segregación de poblaciones.

La profundidad del ojo está influenciada por el entorno y, además, puede resultar difícil distinguir visualmente ojos ligeramente profundos y profundos. Los estudios han sugerido un gen importante para la profundidad del ojo en material basado en tuberosum, sin embargo, están estrechamente unidos y separados por aproximadamente 4 cM (Li et al.,2005).

 En nuestro estudio, el intervalo LOD para la profundidad del ojo QTL es más amplio que el de la relación entre la longitud del tubérculo y anchura. La interacción de los genes principales con uno o más genes modificadores se ha sugerido como una razón para los fenotipos intermedios, como la forma de tubérculo ovalado y ojos de profundidad media (Li et al.,2005). También se han identificado QTL menores para la profundidad del ojo (Ś liwka et al., 2008-, Cuesta, 2013). En un estudio de la utilidad práctica de los descriptores de papa recomendados para DHE de variedades modernas de papa, la forma general de la papa fue rechazado por tener un alto coeficiente de variación entre evaluadores independientes. Los datos de las mediciones cualitativas que incluyen el ancho del tubérculo en los extremos de la rosa y el talón podrían usarse para mejorar la precisión de la clasificación y capturar la mayor parte de la variación en un cruce biparental.

 La elucidación de la secuencia del genoma de la papa de referencia, incluida la anotación de alrededor de 39.000 genes codificadores de proteínas (Potato Genome Sequencing Consortium, 2011). En el QTL significativo para la forma y la profundidad del ojo se encontraron varias familias de genes asociadas con la estructura y función celular en los tubérculos de papa.

Los genes son miembros primarios de la superclase de genes homeobox de extensión de tres aminoácidos (TALE) en plantas. La asociación del BEL-1 como factor de transcripción StBEL5 y KNOX POTH1, ha demostrado tener un papel clave en el desarrollo de tubérculos (Von et al., 1934).

Las expansinas están implicadas en el aflojamiento de la pared celular, la separación celular y la expansión celular en tubérculos y tallos (Banerjee, Lin & Hannapel, 2009). Varias familias de genes componen la superfamilia de las extensinas, como las glicoproteínas ricas en hidroxiprolina (HRGP) que abundan en las paredes celulares de las dicotiledóneas (Maris B, 1966) y se ha demostrado que intervienen en la cicatrización de heridas en los tubérculos de patata (Banerjee, Lin & Hannapel, 2009). Varios estudios han demostrado el papel de los genes relacionados con la pectina en el desarrollo del tubérculo de papa, incluida la regulación de la adhesión, expansión y diferenciación celular, así como las propiedades mecánicas de la pared celular (Ortiz & Huaman, 1994).Se ha demostrado que las proteínas AP2 / ERF desempeñan un papel importante en la regulación de una variedad de procesos biológicos relacionados con el crecimiento y desarrollo de las plantas (Banerjee, Lin & Hannapel, 2009; Rosin et al., 2003).

5. Conclusiones

 El QTL en el cromosoma 10 controla en gran medida la forma del tubérculo y la profundidad del ojo en el cruce biparental DMDD, que muestra algunas de las variaciones de forma presentes en las papas nativas andinas. El marcador molecular en este QTL permitió la reclasificación de la gran variación que abarca siete clases de formas diferentes en dos grupos principales, cilíndricos y no cilíndricos, que reflejan la relación entre la longitud y el ancho del tubérculo. La clasificación del descriptor morfológico sigue siendo importante en la caracterización del germoplasma variable, pero debe ir acompañada de la medición cuantitativa de la longitud y el ancho en diferentes partes del tubérculo para capturar correctamente la variación de forma.

6. Referencias

Banerjee AK, Lin T, Hannapel DJ. (2009). Untranslated regions of a mobile transcript mediate RNA metabolism. Plant Physiol.151:1831–43

Cuesta Subía, X (2013). Rasgos de calidad de la papa: variación y genética en variedades locales de papa ecuatoriana. Tesis doctoral. Holanda: Universidad de Wageningen.

Chen, N., Zhu, W., Xu, J., Duan, S., Bian, C., Hu, J., ... y Jin, L. (2019). Desarrollo de marcadores moleculares y construcción de mapas físicos primarios para el locus del gen Ro en forma de tubérculo en papa diploide (Solanum tuberosum L.). Mejoramiento molecular, 39 (1), 6.

Hara-Skrzypiec, A., Śliwka, J., Jakuczun, H. y Zimnoch-Guzowska, E. (2018). QTL para rasgos de morfología de tubérculos en papa diploide. Revista de genética aplicada, 59 (2), 123-132.

Khan A, Bonierbale M, Amoros W, Lindqvist-Kreuze H, Munive S, Salas E, et al. (2013). DMDD, una población de recursos biparentales, tiene un gran potencial como plataforma de descubrimiento genético de rasgos complejos en la papa. China.

Li XQ, De Jong H, De Jong DM, De Jong WS. (2005). Herencia y mapeo genético de la profundidad del ojo del tubérculo en papas diploides cultivadas. Theor Appl Genet; 110: 1068 - 73.

Maris B. (1966). The modifiability of characters important in potato breeding. Euphytica. 15:18–31.

Ortiz R, Huaman Z. (1994). Inheritance of morphological and tuber characteristics. In: Potato genetics. Edited by Bradshaw JE, Mackay GR. Wallingford, UK: CAB International. 263–283

Potato Genome Sequencing Consortium. (2011). Genome sequence and analysis of the tuber crop potato. Nature. 475:189–95.

Prashar A, Hornyik C, Young V, McLean K, Sharma S, Dale MF. (2014). Construcción de un mapa SNP denso de una población de papa diploide altamente heterocigótica y análisis QTL de la forma del tubérculo y la profundidad del ojo. Theor Appl Genet.; 127: 2159 - 71.

Rosin FM, Hart JK, Horner HT, Davies PJ, Hannapel DJ. (2003). Overexpression of a knotted-like homeobox gene of potato alters vegetative development by decreasing gibberellin accumulation. Plant Physiol.132:106–17

Ś liwka J, Wasilewicz-Flis I, Jakuczun H, Gebhardt C. (2008). Etiquetado de los loci de rasgos cuantitativos para la latencia, la forma del tubérculo, la regularidad de la forma del tubérculo, la profundidad de los ojos y el color de la pulpa en la papa diploide originada en seis Solanum especies. Raza de plantas. 27: 49 - 55.

Stiekema WJ, Jacobsen E. (1994) Alelos múltiples para la forma del tubérculo en papa diploide detectados por análisis genético cualitativo y cuantitativo usando RFLPs. Genética, 137: 303 - 309.

Von Rathlef H, Siebeneick H. Über Einige Kreuzungen Eruanischer Sorten von Solanum andigenum Juz. et Buk. Mit Richters Jubel und Die Genetik von Schalenfarbe, Knollenfarbe, Fleischfarbe, Blütenfarbe und Knollenform Bei Der Kartoffel.(1934).On some crosses of Peruvian sorts of Solanum andigenum Juz. et Buk. with Richters Jubel and the genetics of colour of skin, tuber, flesh and flower colour and of tuber shape in the potato. Genetica.;16:153–76

AUTORAS DEL RESUMEN

María Lamiña ⁶, e Ivette Poaquiza⁷

^6,7  Estudiante de la catedra de genotecnia, UCE Ciencias de la Vida, Av. Universitaria, Ecuador