Desarrollo de poblaciones base de mejora y de un mapa genético en espárrago (Asparagus officinalis L.)

Abstract

El espárrago (Asparagus officinalis L.) es un apreciado cultivo conocido desde la antigüedad en el que diversos estudios han puesto de manifiesto su escasa variabilidad genética, posiblemente ocasionada por el origen común de la mayoría de los cultivares actuales. Esta reducida variabilidad ha comprometido el desarrollo de nuevos cultivares poniendo en riesgo la adaptabilidad del cultivo a los nuevos escenarios impuesto por el cambio climático. Como parte de esta tesis y con el objetivo de ampliar el acervo genético de esta especie se han desarrollado dos poblaciones base de mejora, una hexaploide y otra diploide, de aproximadamente 1000 plantas cada una con introgresiones de especies CWR (Crop Wild Relatives, parientes silvestres del cultivo) y de la variedad local tetraploide “Morado de Huétor” (A. officinalis x A. maritimus). En el desarrollo de la nueva población hexaploide se han empleado 4 especies CWR (A. maritimus, A. pseudoscaber, A. brachyphyllus y A. macrorrhizus), esta población es la segunda generación de un primer retrocruzamiento utilizando la variedad local tetraploide "Morado de Huétor" como progenitor recurrente. La nueva población diploide con introgresiones de la variedad local “Morado de Huétor” es la segunda generación de un primer retrocruzamiento que ha empleado diferentes plantas cultivadas diploides como padre recurrente. Ambas poblaciones se han obtenido en polinización abierta. La diversidad de las poblaciones se analizó mediante seis marcadores EST-SSR (Expressed Sequence Tag-Simple Sequence Repeat). Se utilizo un muestreo aleatorio de 60 y 57 plantas, en las poblaciones hexaploide y diploide, respectivamente, para estimar la variabilidad genética. Los resultados se compararon con los datos obtenidos previamente en las colecciones parentales de origen, en un grupo de plantas de la variedad local "Morado de Huétor" y en un conjunto representativo de plantas de diferentes cultivares diploides disponibles en la actualidad de espárrago. Los valores medio de PIC (contenido de información polimórfica) de las nuevas poblaciones hexaploide y diploide con respecto a la colección de plantas “Morado de Huétor”, mostro un valor similar en la nueva población hexaploide (>0,8) y uno ligeramente inferior en la diploide (0.75). Ambas colecciones presentaron valores de PIC superiores a la colección de cultivares diploides (0,61). Además en la nueva colección hexaploide se detectó que el 22,2% de los alelos que presentaba pertenecían exclusivamente a especies CWR empleadas en este estudio, mientras que la nueva población diploide el 52.4 % de sus alelos eran específicos de “Morado de Huétor”. Los análisis de coordenadas principales (ACoP) realizados en ambas poblaciones revelaron una clara diferencia de la diversidad genética entre las nuevas poblaciones del estudio. Además, ambas poblaciones de 1000 plantas se evaluaron para caracteres agronómicos de interés agronómicos (precocidad, numero de tallos, altura de ramificación y grosor de los tallos) durante dos años y se seleccionaron un total de 80 en la población hexaploide y 67 en la diploide, con el objetivo de desarrollar una población base de mejora. Ambas poblaciones mostraron una variación significativa para todos los caracteres (P<0,001). Ambas colecciones de plantas seleccionadas se analizaron mediante el conjunto de marcadores EST-SSR mostrando que conservaban la variabilidad presente en las poblaciones de inicio. Los resultados obtenidos en ambas poblaciones han mostrado un aumento de la variabilidad genética y ofrecen un nuevo material para el desarrollo de nuevos cultivares, poliploide o diploide, o la mejora de los existentes. Además, se ha realizado un análisis de los caracteres cuantitativos (QTL) número y diámetro del tallo, precocidad y la altura de ramificación, todo ellos relacionados con el rendimiento del cultivo. Para ello, se ha genotipado por secuenciación (GBS, genotyping-by-sequencing) una población F1 de 175 individuos obtenida del cruzamiento entre dos parentales heterocigotos PS010 x WN124, y junto con el genotipado de la población por un conjunto de marcadores EST-SSR, se ha realizado el primer mapa de ligamiento altamente saturado disponible hasta la fecha en el espárrago. Un total de 1376 SNP (Single Nucleotide Polymorphism, polimorfismos de un solo nucleótido) y 27 EST-SSR se han distribuidos en dos mapa parentales de 10 grupos de ligamiento, uno de origen materno (PS010) formado por 907 marcadores y una longitud de 1947 cM, y uno de origen paterno (WN124) compuesto por 678 marcadores con una longitud de 1814 cM. El alineamiento de estos marcadores frente al genoma del espárrago ha permitido detectar en el mapa de origen paterno dos QTL mayores en el cromosoma 1, para el numero de tallos de la esparraguera y la precocidad en el rendimiento, con una variación fenotípica explicada media del 27,5 % y 14 %, respectivamente, ambos situados en la región cromosómica de determinación sexual del espárrago (SDR), y en el cromosoma 5 un QTL para altura de ramificación con una variación fenotípica explicada de 10,78 %. La detección de estos QTL podría emplearse en la búsqueda de genes relacionados con estos caracteres y facilitar la mejora del cultivo.

Garden asparagus (Asparagus officinalis L.) is a well appreciated crop known since ancient times, but several studies have shown its low genetic variability, possibly due to the common origin of most of the cultivars currently available. This reduced variability has compromised the development of new cultivars, putting at risk the adaptability of the crop to the new scenarios imposed by climate change. As part of this thesis and with the aim of broadening the gene pool of garden asparagus, two pre-breeding populations have been developed, one hexaploid and one diploid, of approximately 1000 plants each with introgression of crop wild relatives (CWR) and the landrace "Morado de Huétor" (A. officinalis x A. maritimus). We used four CWR species (A. maritimus, A. pseudoscaber, A. brachyphyllus and A. macrorrhizus) in the development of the new hexaploid population; this population is the second generation of a first backcross using the landrace "Morado de Huétor" as recurrent parent. The new diploid population with introgression of the landrace "Morado de Huétor" is the second generation of a first backcross using different diploid cultivars plants as recurrent parent. Both populations were obtained in open pollination. The diversity of the populations was analysed using six EST-SSR (Expressed Sequence Tag-Simple Sequence Repeat) markers. A random sampling of 60 and 57 plants, in the hexaploid and diploid populations, respectively, was used to estimate genetic diversity. The results were compared with previously obtained data in the parental collections of origin, from a group of plants of the landrace "Morado de Huétor" and on a representative set of plants of different diploid cultivars of asparagus currently available. The mean PIC (Polymorphic Information Content) values of the new hexaploid and diploid populations respect to the "Morado de Huétor" plant sample showed a similar value in the new hexaploid population (>0.8) and a slightly lower one in the diploid (0.75). Both collections showed higher PIC values than the diploid cultivar collection (0.61). Furthermore, in the new hexaploid population 22.2% of the alleles presented were unique to the CWR species used in this study, while in the new diploid population 52.4% of its alleles were specific to landrace "Morado de Huétor". Principal coordinate analyses (PCoA) performed on both populations revealed a clear difference in genetic diversity between the new study populations. In addition, both populations of 1000 plants were evaluated for agronomic traits of interest for breeding (earliness, number of stalks, branching height and stalk thickness) for two years. A total of 80 and 67 plants, from the hexaploid and diploid populations, respectively, were selected to develop breeding base populations. Results from both selected populations showed significant variation for all traits (P<0.001). Also, both collections were analysed using the EST-SSR marker set showing that they retained the variability present in the initial populations. The results obtained in both populations have revealed a broader gene pool and offer new material for the development of new cultivars, polypoid or diploid, or the improvement of existing ones. In addition, an analysis of the quantitative traits loci (QTL) of stalk number, stalk diameter, earliness and branching height, all of them related to crop yield, has been carried out. For this aim, an F1 population of 175 individuals obtained from the cross between two heterozygous parents PS010 x WN124 has been genotyped by sequencing (GBS), and together with the genotyping of the population by a set of EST-SSR markers, the first highly saturated linkage map available to date in asparagus has been performed. A total of 1376 SNPs (Single Nucleotide Polymorphism) and 27 EST-SSRs have been distributed in two parental maps of 10 linkage groups each, one of maternal origin (PS010) composed of 907 markers and a length of 1947 cM, and one of paternal origin (WN124) comprising 678 markers with a length of 1814 cM. The alignment against the asparagus genome of these markers has allowed revealing in the paternal origin map two major QTL on chromosome 1, for the number of stalks and earliness in yield, with a phenotypic variation explained (PV) mean of 27.5 % and 14 %, respectively, both located in the sex determination region (SDR) of asparagus, and on chromosome 5 a QTL for branching height with PV of 10.78 %. The detection of these QTL could be used to search for genes related to these traits and facilitate crop improvement.