Genome wide association study (GWAS) for herbicide tolerance in lentils (Lens culinaris)

Abstract

Cool Season grain legumes are vulnerable to the presence of weeds, resulting in significant yield and economic losses all over the world annually. Among these legumes, lentil crop (Lens culinaris ssp.) is one of the most susceptible crops to this biotic stress leading potentially to 100% losses in some cases. To lessen and to cease the impact of this problem, herbicide application is considered as the most effective tool. However, optimal control of weeds requires a post-emergence application of herbicides which leads to severe phytotoxicity symptoms in lentil crop. Hence, post-emergence tolerance in lentil crops has become mandatory. Additionally, the overreliance on the application of the same herbicide in a cropping system led to the occurrence of weed resistance against herbicides. Thus, for an optimal chemical control of weeds, the selection for tolerance to at least two herbicides applied alternatively in post-emergence stage has become crucial. Therefore, a set of 221 lentil accessions were screened at the experimental research station of the International Center for Agricultural Research in the Dry Areas, Terbol (Lebanon) over four crop seasons (2014/15–2018/19). The preliminary screening of 221 lentil accessions during 2014/15 season, at 150% of the recommended dose of imazethapyr (112.5 g active ingredient/ha (g a.i./ha)) or metribuzin (315 g a.i./ha /ha) resulted in the selection of 38 accessions. These selected lines were screened at 100% and 150% of the recommended doses of imazethapyr or metribuzin. Based on the phenological, and yield components data and the stability analysis, four accessions were found independently tolerant to metribuzin and imazethapyr; two of them (IG4400 and IG323) adapted to high rainfall environments and two others (IG5722 and IG4605) adapted to low rainfall environments. Additionally, to enhance the selection process of a breeding program, the adaptability and stability of 42 lentil accessions with different degrees of tolerance to imazethapyr and metribuzin were investigated using five stability parameters under eight different environments from 2015 to 2019, under three herbicide treatments imazethapyr: 75 (g a.i. ha-1); metribuzin: 210 (g a.i. ha-1) and without herbicide treatment at two locations; Marchouch, Morocco and Terbol, Lebanon. In this study, the adopted stability parameters are Cultivar Superiority, Finlay–Wilkinson, Shukla, Static Stability, and Wricke’s Ecovalence and each environment is the result of the interaction of seasons, locations, and herbicide treatments. Results showed that Genotype–Environment (GE) interaction was found significant for days to flowering (DF), days to maturity (DM), and seed yield per plant (SY). The tested accessions were ranked differently confirming that the adaptability and stability of a group of lentil accessions should be studied using a combination of stability parameters. GGE biplot of the SY trait showed that cool and high rainfall environments are ideal for testing the agronomic performance of tolerant accessions and IG70056(38) was identified as a superior line having a high and stable yield across environments. Finally, to identify marker traits associated with herbicide tolerance, the meta-GWAS analysis was deployed using genome-wide single nucleotide polymorphism (SNP). A set of 292 lentil accessions were genotyped and phenotyped under different dosages of metribuzin and imazethapyr, during two seasons at Marchouch, Morocco and Terbol, Lebanon. A total of 10271 SNPs markers uniformly distributed along the lentil genome were assayed using Multispecies Pulse SNP chip developed at Agriculture Victoria, Melbourne. 36 SNPs were detected highly associated with phenological and yield components traits under herbicide treatments and eighteen of them were located within the genes. Moreover, gene annotation showed that four SNPs of Peptide/nitrate transporter type I/II extracellular region ABC transporter related, Allantoinase / Dihydroorotase, Biotin carboxyl carrier acetyl-CoA carboxylase, and Myelodysplasia-myeloid leukemia factor 1-interacting protein were found to be highly significantly associated with herbicide tolerance traits. The identified SNPs could be used to promote marker assisted selection programs which will enhance and facilitate selections for herbicide tolerance in lentil crop.

Las leguminosas son muy vulnerables a la infestación de malas hierbas, lo que resulta en importantes pérdidas económicas y de rendimiento en todo el mundo anualmente. Entre ellas, destaca la lenteja (Lens culinaris) por las graves pérdidas que puede sufrir. El control con herbicidas de post-emergencia es complicado, debido a la baja tolerancia a los herbicidas disponibles que causan problemas de fitotoxicidad. Además, el desarrollo de resistencia a estos herbicidas en las malas hierbas hace necesario la rotación de herbicidas. Por lo tanto, para un control químico óptimo de malas hierbas en lenteja es recomendable la selección de tolerancia a al menos dos herbicidas aplicados alternativamente en la etapa de postemergencia. Para resolver esta problemática se plantearon tres objetivos principales en este estudio: 1) identificar variabilidad para tolerancias a dos herbicidas de amplio espectro (imazetapir y metribuzina) aplicados en postemergencia. 2) evaluar el rendimiento y la estabilidad del rendimiento de las líneas seleccionadas tolerantes a herbicidas en diferentes ambientes, para identificar el ambiente ideal para la selección y el genotipo ganador ideal que tenga un alto rendimiento medio y una alta estabilidad en todos los ambientes. 3) identificar marcadores moleculares (SNP) asociados significativamente con la tolerancia a imazetapir y metribuzina mediante meta-GWAS. Esto nos ayudará a localizar el gen de la tolerancia y descifrar las asociaciones y mecanismos de tolerancia a herbicidas entre los marcadores SNPs detectados en las regiones genómicas y los rasgos fenotípicos. Las evaluaciones se realizaron en campo sembrando un conjunto de 221 genotipos de lenteja en ICARDA (Centro Internacional de Investigación Agrícola en las Zonas Áridas), Terbol (Líbano), durante cuatro campañas agrícolas consecutivas (2014/15–2018/19). En la primera campaña (2014/15) se hizo una selección preliminar usando el 150% de la dosis recomendada de imazetapir (112,5 g de ingrediente activo/ha (g ia/ha) o de metribuzina (315 g ia/ha/ha), lo que permitió identificar 38 genotipos prometedores. Estos fueron después estudiados usando el 100% y 150% de las dosis recomendadas de imazetapir o metribuzina. Con base en los datos de los componentes fenológicos y de rendimiento y el análisis de estabilidad, se encontraron cuatro genotipos tolerantes, a ambos herbicidas, dos de ellos (IG4400 e IG323) adaptados a ambientes de alta precipitación y otros dos (IG5722 e IG4605) adaptados a ambientes de baja precipitación. Además, para mejorar el proceso de selección de un programa de mejora, se investigó la adaptabilidad y estabilidad de 42 accesiones de lentejas con diferentes grados de tolerancia a imazetapir y metribuzina utilizando cinco parámetros de estabilidad en ocho ambientes diferentes de 2015 a 2019, bajo tres tratamientos con herbicidas imazetapir: 75 (g ia/ha); metribuzina: 210 (g ia/ha) y sin tratamiento herbicida en dos localidades; Marchouch, Marruecos y Terbol, Líbano. En este estudio, los parámetros de estabilidad adoptados fueron la Superioridad del Cultivar, Finlay-Wilkinson, Shukla, Estabilidad Estática y Ecovalencia de Wricke, siendo cada ambiente el resultado de la interacción de estaciones, ubicaciones y tratamientos herbicidas. Los resultados mostraron que la interacción Genotipo-Ambiente (GE) fue significativa para los días hasta la floración (DF), los días hasta la madurez (DM) y el rendimiento de semillas por planta (SY). Las muestras probadas se clasificaron de manera diferente, lo que confirma que la adaptabilidad y estabilidad de un grupo de muestras de lentejas deben estudiarse utilizando una combinación de parámetros de estabilidad. El biplot GGE del rasgo SY mostró que los ambientes frescos y con abundantes precipitaciones son ideales para probar el desempeño agronómico de accesiones tolerantes y se identificó IG70056(38) como una línea superior que tiene un rendimiento alto y estable en todos los ambientes. Finalmente, se identificaron los rasgos marcadores asociados con la tolerancia a herbicidas mediante análisis meta-GWAS. Para ello se genotiparon y fenotiparon un conjunto de 292 genotipos de lenteja bajo diferentes dosis de metribuzina e imazetapir, durante dos temporadas en Marchouch (Marruecos) y Terbol (Líbano). Se analizaron un total de 10271 marcadores SNP distribuidos uniformemente a lo largo del genoma de la lenteja utilizando el chip Multispecies Pulse SNP desarrollado en Agriculture Victoria, Melbourne. Se detectaron 36 SNPs altamente asociados con rasgos de componentes fenológicos y de rendimiento bajo tratamientos con herbicidas y dieciocho de ellos estaban ubicados dentro de los genes. Además, la anotación genética mostró que cuatro SNPs de la región extracelular tipo I/II del transportador de péptido/nitrato relacionado con el transportador ABC, la alantoinasa/dihidroorotasa, la acetil-CoA carboxilasa portadora de biotina carboxilo y la proteína que interactúa con el factor 1 de mielodisplasia-leucemia mieloide eran altamente significativamente asociado con rasgos de tolerancia a herbicidas. Los SNPs identificados podrían usarse para promover programas de selección asistida por marcadores que mejorarán y facilitarán las selecciones para la tolerancia a herbicidas en el cultivo de lentejas.