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Ver el documento (formato PDF)   Salvucci, Rubén Darío.  "Loci de caracteres cuantitativos (QTLs) de la soja (Glycine max L. Merr) asociados a su capacidad de nodular y fijar nitrógeno"  (2015-06-26)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
La soja (Glycine max L. Merr) es la leguminosa más importante cultivada a nivel mundial y en Argentina que, junto con Estados Unidos y Brasil, son los paises que lideran la producción y el comercio de esta oleaginosa. Para obtener materiales con altos rendimientos en las producciones agrícolas, el N se incorpora por medio de la fertilización química y/o biológica. Esta última tiene ventajas por sobre la fertilización química ya que presenta menores riesgos para la contaminación del medio ambiente y contribuye a un manejo sustentable. Ésta consiste en adicionar bacterias del suelo Gram (-) del género Bradyrhizobium que tienen la capacidad de interaccionar con las raíces de la planta, como resultado de lo cual, desarrollan estructuras denominados nódulos, en los cuales la bacteria fija nitrógeno. La soja usa casi todo el nitrógeno fijado en la producción de granos. Las compañías de inoculantes se han focalizado en producir formulados con cepas de bacterias seleccionadas que fijen más eficientemente el N y que puedan ser utilizadas en una amplia variedad de leguminosas. Sin embargo, el foco del mejoramiento en leguminosas ha sido principalmente el rendimiento y la resistencia a factores abióticos y bióticos. Desde 1950 se han caracterizado varios genes involucrados en el reconocimiento de las señales disparadas por los rizobios y las distintas etapas de la infección y nodulación. Sin embargo, los caracteres capacidad de nodulación y de fijación biológica de nitrógeno (FBN) presentan una arquitectura genética compleja, y además depende de la interacción planta-bacteria y del ambiente. Debido al gran tamaño y complejidad del genoma de la soja, todavía resta identificar genes de la planta involucrados en la nodulación y fijación de nitrógeno. Por lo tanto, en el objetivo del presente trabajo de tesis fue identificar a los loci de caracteres cuantitativos (QTLs) asociados a la capacidad de nodulación de la soja, de manera de disponer de la información y de los marcadores moleculares que permitan mejorar al hospedante en lo que hace a la nodulación y por ende a la fijación de nitrógeno. Para ello se analizó la habilidad de 31 cultivares comerciales argentinos de soja para desarrollar nódulos cuando estos fueron inoculados con una mezcla de las cepas Bradyrhizobium japonicum SEMIA 5079 (CPAC 7) y SEMIA 5080 (CPAC 15). Los experimentos se realizaron en condiciones controladas de luz y temperatura. Se utilizaron para evaluar la capacidad de nodulación tres variables cuantitativas: número de nódulos (NN), peso seco de nódulos (PSN) y peso seco de la parte aérea de la planta (PSA). Los resultados permitieron seleccionar cultivares con alta, media y baja capacidad de nodulación. En un segundo experimento se confirmó la respuesta diferencial para la capacidad de nodulación y en un tercer experimento se comprobó que la capacidad de nodulación no es dependiente de la cepa inoculada ya que los cultivares de alta y baja capacidad de nodulación mostraron el mismo fenotipo cuando fueron inoculados con la estirpe E109. Los cultivares con alta capacidad de nodular tuvieron el doble de nódulos que aquellos con menor capacidad, confirmando resultados de trabajos previos. Además, se demostró la existencia de una variabilidad fenotípica amplia para las variables estudiadas. Los resultados señalaron valores medianos a altos de heredabilidad H2, siendo la variable NN la que denotó mayor variabilidad genética. La respuesta de la planta a la inoculación con una concentración determinada de bacterias estuvo condicionada al número de bacterias inoculadas. Un aumento en la concentración de células bacterianas resultó en un incremento del número de nódulos, hasta una concentración umbral, por encima de la cual la nodulación fue inhibida, lo que probablemente esté vinculado al mecanismo de “quorum sensing”. Esto último se observó tanto en los dos cultivares de alta como en los dos de baja capacidad de nodulación. La densidad celular de los rizobios no alteró la respuesta al comparar los cultivares a la inoculación. Luego se procedió a caracterizar la diversidad genética de los cultivares argentinos de alta y baja capacidad de nodulación por medio de SSRs ligados a QTLs asociados a nodulación en cultivares brasileros. Se determinó la asociación de estos marcadores con la capacidad de nodulación y otras características agronómicas de los cultivares de soja y se identificó la generación parental con capacidad de nodulación contrastante para que a partir del cruzamiento entre ellas se obtenga poblaciones segregantes aplicables al análisis de QTLs. Se encontró polimorfismo para 10 marcadores SSR. En los cultivares argentinos e encontró asociación entre la capacidad de nodulación y los marcadores SSR definidos por los cultivares brasileros. Metodologías de análisis multivariados permitieron tomar la decisión de seleccionar un cultivar de alta nodulación (NA 5485 RG) y uno de baja nodulación (A 7053 RG). Éstos fueron los parentales que se utilizaron para generar la población segregante F2:3 como población de mapeo. En la generación F2 se realizó el genotipado de los individuos a partir de ADN foliar con un “screening” de 221 marcadores SSR a lo largo del genoma de los cuales sólo 36 fueron polimórficos. Se construyó un mapa genético parcial conteniendo 5 grupos de ligamiento. El fenotipado se realizó sobre 94 familias F3 en un ensayo de nodulación en condiciones controladas de luz y temperatura y se evaluaron los caracteres cuantitativos que definen la capacidad de nodulación: número de nódulos (NN), peso seco de nódulos (PSN) y peso seco de nódulo por nódulo (PSNN) calculado como PSN/NN. También otros caracteres relacionados con el crecimiento de la planta fueron considerados: la biomasa seca de hojas (PSH) y biomasa seca de tallo (PST) y la suma de ambas, peso seco de la parte aérea (PSA). Se realizó un análisis de correlaciones entre las variables y de coeficientes de paso. A partir de una matriz básica combinada con los datos genotípicos (SSR) y fenotípicos se realizó finalmente el análisis mapeo de QTLs para estos caracteres mediante tres metodologías: por locus simple (ANOVA y regresión), por intervalo (SIM) e intervalo compuesto (CIM). Los resultados encontrados para la mayoría de los QTLs y sus efectos génicos coincidieron en general por los dos primeros métodos. Se pudo confirmar que el QTL Satt414 se asoció a NN y PSN (locus simple). Se concluyó que las variables asociadas a capacidad de nodulación en la población F3, presentaron altos valores de varianza genética y heredabilidad. Se localizaron QTLs para las variables estudiadas que explicaron valores mayores al 15% de la varianza fenotípica total de la población segregante. Se observó una segregación transgresiva para la mayoría de las variables asociadas a capacidad de nodulación. Se probó asociación en acoplamiento entre variables relacionadas con la capacidad de nodular y el aumento de la biomasa. Para caracteres de capacidad de nodulación, se localizaron QTLs en los siguientes grupos de ligamiento: GL H para NN; PSN y PSNN; GL D1b para NN; GL A2 para NN; GL J para NN y PSN; GL B2 para PSN y PSNN; GL B1 para PSNN, GL C1 para PSNN. Estos QTLs explicaron entre 12.2-13.4% de la variación fenotípica total. Para caracteres de biomasa, relacionados con la FBN, se localizaron QTLs en los siguientes grupos de ligamiento: GL H para AP y PST; GL M para AP. GL D1b para AP, PST, PSA y PSH; GL B2 para AP; GL N para PSA. GL L para PSA; GL G para PSH. Estos QTLs explicaron entre 8.3-25.6% de la variación fenotípica total. Si bien la metodología aplicada permitió localizar algunos QTLs de nodulación en intervalos. Estas regiones deberían saturarse con otros marcadores de mayor eficiencia y variabilidad como los SNPs. Una mayor saturación conjuntamente con la información disponible sobre el genoma de la soja y los bancos de ESTs permitirán identificar genes candidatos relacionados con el carácter en estudio. Estos resultados aportan herramientas útiles como punto de partida para realizar mejoramiento asistido por marcadores para la capacidad de nodular y fijar nitrógeno en soja promoviendo rendimientos superiores bajo una agricultura sustentable. Palabras clave: Soja (Glycine max), Bradyrhizobium japonicum, marcador molecular, análisis de mapeo de QTLs, nodulación, fijación biológica de nitrógeno.

Abstract:
Soybean (Glycine max L. Merr) is the most important legume cultivated worldwide. Argentina, Brazil and USA are the most important countries in terms of production and exports of soybean products. In order to make get the most of the production potential of soybean cultivars, N is incorporated by chemical and/or biological fertilization methods. The latter is aimed at using Biological Nitrogen Fixation (BNF) that has an advantage over the chemical fertilization since it reduces the risks of environmental pollution and contributes to a sustainable agriculture. BNF is the result of the plant rizobia interaction, because of this a biotechnological process was developed and is known as inoculation. It consists in adding Gram-negative soil bacteria from the genus Bradyrhizobium that has the ability to interact with the soybean root, to the plant that as a result of this develops structures known as nodules, where bacteria fix nitrogen. In soybean almost most of the nitrogen fixed biologically is used by the plant growth therefore production is improved. Companies improved nitrogen fixation by developing formulations containing bacteria. selected based on its outstanding efficiency to fix nitrogen in an interaction with a wide array of cultivars and/or legume species. However, on the plant side breeding programs have been focused mostly in improving yield and resistance to biotic and abiotic factors. Starting in 1950, several genes that are involved in rhizobia-soybean interactions have been characterized. However, the ability of soybean cultivars to nodulate and fix nitrogen has a complex genetic architecture that depends on plant-bacterial and environment interactions. The size and complexity of the soybean genome, delayed the identification of plant genes involved in nitrogen fixation. Therefore the aim of this work was to identify quantitative trait loci (QTLs) associated to the ability of soybean to develop nodules, as well as to identify molecular markers associated to this trait. I analyzed the nodulation ability of 31 Argentinian commercial soybean cultivars which were inoculated with a mixture of Bradyrhizobium japonicum strain SEMIA 5079 (CPAC 7) and SEMIA 5080 (CPAC 15). The results allowed me to classify cultivars in high, medium and low nodulating cultivars. In a second experiment, a subset of the already analyzed cultivars was selected for further analysis and their response to inoculation was confirmed. In a third experiment, four cultivars two with high and two with low nodulation capacity were inoculated with another bacterial strain, B. japonicum E109 (recommended by INTA for the soybean crop in Argentina). Cultivars responded like in previous experiments suggesting that the response was governed by the plant genome. Cultivars with high nodulation ability doubled the number of nodules developed by low nodulating cultivars. Heritability was estimated (H2) for the nodule number (NN), nodule dry weight (NDW) and shoot dry weight (SDW) and the results showed that the values of heritability was either medium or high and that NN was the most variable genetic trait. Soybean cultivars, whether with low or high nodulation capacity, increased nodulation as the concentration of bacteria in the inoculum increased though this occurred till a threshold value, decreasing thereafter. Probably nodulation was inhibited by a "quorum sensing" mechanism. Then we analyzed the genetic diversity of Argentinian soybean cultivars by means of SSR markers linked to QTLs linked to nodulation capacity. In addition to this, also the association between markers with nodulation capacity and other agronomic traits was studied and cultivars with contrasting nodulation capacity were identified, to cross them and in order to get a segregating population for QTL analysis. It was found that 10 SSR loci were polymorphic among Argentinian cultivars and that NN, NDW and SDW were associated to SSR markers previously described in Brazilian cultivars. Cultivar NA 5485 RG (high nodulating) and cultivar A 7053 RG (low nodulating) were selected as parents to generate the mapping population F2:3. Genotyping was carried out in the F2 generation. Genomic DNA was screened 221 SSR loci along the whole soybean genome. Among them only 36 were polymorphic. A partial genetic map was constructed containing 5 linkage groups. Phenotyping was carried out over 94 families (F3) in a nodulation essay with light and temperature controlled conditions and quantitative traits that define the nodulation capacity: nodule number (NN), of nodule dry weight (NDW) and nodule dry weight per nodule (NDWN) calculated as NDW/NN. Other traits related to plant growth also were considered in the analysis: leaves dry biomass (LDB) and stem dry biomass (SDB) and the sum of both, shoot dry weight (SDW) and plant height (PH). A matrix with genotypic and phenotypic data was constructed and QTL mapping analysis was performed by three methods: single marker (ANOVA and regression), interval mapping (IM) and composite interval mapping (CIM). Satt414 locus was confirmed as QTL associated with NN and NDW (single marker). It was concluded that the variables associated with nodulation capacity in the F3 population presented high values of genetic variance and heritability. Identified QTLs for studied variables explained values higher than 15% of the phenotypic variance. A transgressive segregation was observed for most of the variables associated with nodulation capacity. In addition I also found that variables related to the nodulation capacity and biomass were associated. QTLs associated to nodulation capacity were located in linkage group GL H for NN; NDW and NDWN; GL D1b for NN; GL A2 for NN; GL J for NN and NDW; GL B2 for NDW and NDWN; GL B1 for NDWN, GL C1 for NDWN. These QTLs explained 12.2-13.4 % of the phenotypic variation. QTLs related to growth and biomass were located in the following linkage groups: GL H for PH and SDB; GL M for PH. GL D1b for PH, SDB, SDW and LDB; GL B2 for PH; GL N for SDW; GL L for SDW and GL G for LDB. These QTLs explained 8.3-25.6% of the phenotypic variation. The applied methodology allowed me to locate a few QTLs for nodulation in intervals. However, these regions should be saturated with more and/or other molecular markers with better efficiency and variability as e.g. SNPs. A higher level of saturation as well as the information regarding the soybean genome sequence and EST's should help in the identification of genes related to nodulation and nitrogen fixation. To my knowledge this is the first work aimed at identifying nodulation and nitrogen fixation genes in soybean cultivars from Argentina and provide the starting point for marker assisted selection for nodulation capacity and nitrogen fixation in soybean in order to promote better yields under a sustainable agriculture. Keywords: Soybean (Glycine max), Bradyrhizobium japonicum, molecular marker, QTL mapping analysis, nodulation, biological nitrogen fixation.

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Registro:
Título : Loci de caracteres cuantitativos (QTLs) de la soja (Glycine max L. Merr) asociados a su capacidad de nodular y fijar nitrógeno     =    Quantitative trait loci (QTLs) associated to nodulation capacity and nitrogen fixation in soybean (Glycine max L. Merr)
Autor : Salvucci, Rubén Darío
Director : Balatti, Pedro A.
Director Asistente : Aulicino, Mónica B.
Consejero : Confalonieri, Viviana
Jurados : Schrauf, Gustavo  ; López, César  ; Greizerstein, Eduardo
Año : 2015-06-26
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Fisiología Vegetal
Universidad Nacional de La Plata. Instituto Fitotécnico Santa Catalina
Grado obtenido : Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Biológicas
Ubicación : Preservación - http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_5785_Salvucci
Idioma : Español
Area Temática : Biología / Genética
Biología / Fisiología Vegetal
Palabras claves : SOJA (GLYCINE MAX); BRADYRHIZOBIUM JAPONICUM; MARCADOR MOLECULAR; ANALISIS DE MAPEO DE QTLS; NODULACION; FIJACION BIOLOGICA DE NITROGENO; SOYBEAN (GLYCINE MAX); BRADYRHIZOBIUM JAPONICUM; MOLECULAR MARKER; QTL MAPPING ANALYSIS; NODULATION; BIOLOGICAL NITROGEN FIXATION
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