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

Abstract

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.