Utilización de variedades primitivas en la ampliación de la base genética de Vicia faba L.

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Author
Ruiz Rodríguez, M. Dolores
Director/es
Ávila, CarmenCubero Salmerón, José Ignacio
Publisher
Universidad de Córdoba, UCOPressDate
2017Subject
LeguminosasHabas
Vicia faba L.
Base genética
Mejora genética vegetal
METS:
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En la actualidad, los principales cultivos se caracterizan por su limitada diversidad
genética. La uniformidad genética ha tenido consecuencias dramáticas en el pasado y
constituye una seria amenaza para el futuro. Como consecuencia, la ampliación de la
base genética es un objetivo crucial para combatir esta amenaza. En las habas (Vicia
faba L.), el uso de variedades antiguas es la mejor opción para enfrentarse a este
problema. Sin embargo, el uso de este material tiene dificultades. De hecho, aunque las
variedades antiguas tienen alelos beneficiosos para la mayor parte de los caracteres de
interés en mejora, dichos alelos se encuentran generalmente ligados con otros de efectos
no deseados. Estos bloques de genes han sido tradicionalmente llamados genes coadaptados
por los mejoradores, para resaltar que incluso las dificultades inherentes a la
transferencia de alelos de interés a partir de variedades antiguas. En este contexto, la
investigación de la base genética de los caracteres de interés constituye un aspecto
crucial en mejora y, al mismo tiempo, el desarrollo de nuevos materiales vegetales que
permitan este tipo de estudios resulta un objetivo valioso en sí mismo. Dada la
importancia de este tema se propusieron los objetivos específicos de esta tesis doctoral.
Durante esta tesis se han desarrollado varias poblaciones RIL (Recombinant Inbred
Lines) a partir de cruzamientos entre variedades pertenecientes a los cuatro grupos
botánicos descritos en la especie: major, equina, minor y paucijuga. Estas poblaciones
constituyen un material idóneo para investigar la base genética de los caracteres de
arquitectura de la planta y rendimiento mediante mapeo genético. Del mismo modo, la
caracterización de las primeras generaciones de estas poblaciones (F2 y F2:3) ha
permitido obtener una información muy valiosa para la mejora sobre la genética de estos
caracteres. Más aún, la caracterización fenotípica en detalle de los individuos que
conforman estas RILs puede permitir la identificación de nuevos individuos con alto
potencial para ser introducidas en el programa de mejora.
El desarrollo de recursos biotecnológicos, como la secuenciación del genoma de
especies modelo, constituye una fuente importante de información para las habas. De
hecho, la existencia de sintenia entre las distintas especies de leguminosas hace posible
la transferencia de conocimiento de unas especies a otras. Sin embargo, las relaciones
de sintenia entre las habas y la especie modelo Medicago truncatula L. estaban
incompletas ya que todos los trabajos previos habían sido infructuosos para asignar las
relaciones entre el cromosoma IV de habas y M. truncatula. Sin embargo, los resultados
de esta tesis han permitido superar esta situación, lo que ha beneficiado el desarrollo de
mapas genéticos consenso en la especie. Del mismo modo, las herramientas moleculares también facilitan la transferencia de
caracteres (genes) desde genotipos antiguos a variedades élite. De hecho, la
identificación de marcadores moleculares fuertemente ligados a genes/QTL permitiría su
selección indirecta de forma rápida en los programas de mejora. Sin embargo, la
asociación entre marcadores y caracteres tiene que ser validada en diferentes
condiciones ambientales y/o en distintos fondos genéticos antes de que esta información
pueda utilizarse en mejora. En esta tesis hemos validado varios QTLs para arquitectura
de planta y caracteres relacionados con el rendimiento en la población RIL derivada del
cruzamiento Vf6 × Vf27. En algunos casos, los QTL han sido identificados en un trabajo
previo, pero su validación estaba pendiente. Nuestro trabajo ha permitido tanto la
validación de algunos QTLs importantes como la identificación de nuevas regiones
asociadas a los caracteres en estudio. Más aún, algunos QTLs han sido validados
utilizando cuatro poblaciones F2 distintas y/o mediante la comparación con distintos
trabajos a partir de los marcadores comunes alrededor de las regiones de interés. Toda
esta información será de gran utilidad a los programas de mejora.
Finalmente, aunque los marcadores moleculares ligados a caracteres de interés
son muy útiles, la eficiencia de selección disminuye con la distancia entre el marcador y el
gen/QTL responsable del carácter. Por tanto, la identificación de genes candidatos
responsables de la variación para los caracteres de interés resulta muy interesante, ya
que este conocimiento permite el desarrollo de marcadores diagnóstico, esto es,
marcadores con una eficiencia de selección del 100%. La existencia de sintenia entre las
leguminosas junto con el desarrollo de trabajos de mapeo comparativo ha demostrado la
existencia de un alto grado de colinealidad entre los genomas de M. truncatula y habas.
De ahí que, la publicación de la secuencia del genoma de esta especie modelo constituya
una valiosa fuente de información para las habas. Estos recursos nos han permitido la
identificación de genes candidatos para altura de planta en el cromosoma III.
En resumen, esta tesis ha producido una serie de avances significativos: (i)
incremento del conocimiento de la base genética de caracteres agronómicos y
relacionados con el rendimiento; (ii) identificación del cromosoma IV de habas para el
desarrollo de estudios relacionados con sintenia; (iii) validación de QTLs e identificación
de genes candidatos para incrementar las oportunidades para el desarrollo de mejora
asistida por marcadores; (iv) establecimiento de las bases para el desarrollo de estudios
en detalle de la interacción genotipo × ambiente mediante el desarrollo de poblaciones
segregantes RIL. Nowadays, the main crops are characterized by their limited genetic diversity. The
narrowing of the genetic diversity caused dramatic consequences in the past, and, thus, it
supposes a serious threat to the future. As a consequence, the widening of the genetic
bases is a crucial goal to deal with this problem. In faba bean (Vicia faba L.), the best
option to cope with this problem is the use of old cultivars. However, the use of this
material also implies difficulties. Indeed, old cultivars contain beneficial alleles for most of
the traits of interest in breeding. However, these alleles are usually linked with other
undesirable alleles. The existence of „blocks of genes‟ have been usually referred by
breeders as „co-adapted genes‟ to highlight the that the transfer of a single gene from old
cultivars to new ones is far from easy. In this context, it is crucial to investigate the genetic
basis for the traits of interest and, similarly, the development of new plant materials which
allow these studies is a worthy objective in itself. Thus, we proposed the specific
objectives of this PhD thesis.
This thesis has allowed the development of several Recombinant Inbred Line (RIL)
populations derived from crosses between genotypes belonging to the four botanic types
described in this species: major, equina, minor and paucijuga. These populations
constitute an idoneous plant material to investigate the genetic basis of yield-related traits
throughout genetic mapping. Similarly, the characterization of early generations of these
populations (F2 and F2:3) has provided valuable information on the genetic basis of the
traits of interest in breeding. Furthermore, the extensive phenotyping of the individuals
forming these RILs may allow the identification of new individuals with high potential for
the faba bean breeding program.
The development of new biotechnological resources, such as sequencing of model
species, constitutes an important source of information for faba bean. Indeed, the
existence of synteny among legumes makes possible the transference of knowledge from
one species to another. However, the synteny relations between faba bean and the model
species Medicago truncatula L. were incomplete since all previous efforts had failed to
assign chromosome IV from V. faba to M. truncatula. However, the results obtained in this
thesis have allowed overcoming this situation which has benefited the development of
consensus maps in the species.
Similarly, molecular tools also facilitate the transference of traits (genes) from old
plant materials to elite cultivars. Indeed, the identification of molecular markers tightly
linked to genes/QTL would allow their quick selection in breeding programs. However, the
association between markers and traits has to be validated in different environmental conditions and/or genetic backgrounds prior to their effective use in breeding programs. In
this thesis we have validated several QTLs for plant architecture and yield-related traits in
the RIL population derived from the cross Vf6 × Vf27. In some cases, these QTL have
been identified in a previous work but their validation was still pending. Our work has
allowed both the validation of some important QTLs and the identification of new regions
related to the traits under study. Furthermore, some QTLs have been validated using four
different F2 populations and/or through comparison with previous works based on
common markers around the regions of interest. All this information will be very useful to
breeding programs.
Finally, although molecular markers linked to traits of interest are very useful their
selection efficiency diminish with the distance to the gene/QTL responsible of the trait.
Thus, the identification of candidate genes directly responsible of the variation is very
interesting since they allow the development of diagnostic markers, i.e., markers with
selection 100% selection efficiency. The existence of synteny among legumes, along with
comparative mapping efforts, has proven the existence of a high degree of collinearity
between faba bean and M. truncatula. Thus, the public release of the M. truncatula
genome sequence constitutes a valuable source of information for faba bean. These
resources have allowed us the identification of candidate genes for plant height in the
chromosome III.
In summary, this thesis has produced the following advances: (i) increased
knowledge of the genetic basis of agronomic and yield-related traits in faba bean; (ii)
identification of chromosome IV of faba bean for synteny-related projects; (iii) validation of
QTLs and identification of candidate genes to increase the opportunities for markerassisted
selection; (iv) establishment of the bases for more detailed studies such as
genotype x environment variation throughout the development of suitable plant materials.