Analysis of variability and phylogeny in pisum (Pisum spp.) using digital phenotyping and morphological traits

Plant phenotyping links genomics with plant ecophysiology and agronomy. It is usually performed by non-destructive, automated and image-based technology and generates information for efficient and searchable digital characterization of crop that can be performed during routine, periodical regeneration of accessions in germplasm collections. In the present work, ninety-two accessions of Pisum from different species and subspecies were studied during 2015 and 2016. Size and colour traits were measured using digital images from a Samsung CLX 3300 scanner and analysed with appropriate software; also seed weight, plant height and days to flowering were measured. Highly significant differences between accessions and species and subspecies for all these traits were found. When distances among species and subspecies are calculated, P. sativum subsp. sativum showed the greatest distance with P. fulvum (8.02) followed by P. abyssinicum (7.13); while the smallest distance was found between P. fulvum and P. sativum subsp. transcaucasicum (3.16). A Neighbour-joining tree with a cofenetic r of 0.985 was obtained. Seed and pod characteristics as colour parameters and size, obtained by digital phenotyping, have proved to be suitable markers for genetic diversity evaluation and they are useful in evolutionary analysis, allowing the discrimination of the main wild and cultivated species in the genus Pisum.Fil: Gatti, Ileana. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias. Departamento de Producción Vegetal. Cátedra de Mejoramiento Vegetal y Producción de Semillas; ArgentinaFil: Guindón, María Fernanda. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Investigaciones en Ciencias Agrarias de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias. Instituto de Investigaciones en Ciencias Agrarias de Rosario; ArgentinaFil: Bermejo, Carolina Julieta. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Investigaciones en Ciencias Agrarias de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias. Instituto de Investigaciones en Ciencias Agrarias de Rosario; ArgentinaFil: Cointry Peix, Enrique Luis. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias. Departamento de Producción Vegetal. Cátedra de Mejoramiento Vegetal y Producción de Semillas; Argentin

Development of a linkage map and identification of QTLs (Quantitative Trait Loci) for agronomic traits in pea (Pisum sativum L.)

Las legumbres se caracterizan por poseer un alto contenido de proteínas, fibras, vitaminas y minerales y un bajo contenido en grasas. Han demostrado tener un rol sustancial en agricultura sustentable, debido a su habilidad de fijar nitrógeno reduciendo de esta manera la dependencia hacia los fertilizantes. Entre las leguminosas de grano más cultivadas en nuestro país se destaca la arveja (Pisum sativum L.), siendo las zonas productoras Buenos Aires, Santa Fe, Córdoba y Entre Ríos. En la actualidad, los objetivos del mejoramiento de arveja están orientados hacia la obtención de materiales más precoces y al incremento del rendimiento y la calidad. El logro de nuevas variedades es un proceso largo y costoso, por lo que la incorporación de nuevas herramientas biotecnológicas que permitan delinear estrategias de mejora con una mayor eficiencia y en menor tiempo, resultan de gran utilidad. En este proyecto de tesis se planteó establecer relaciones de ligamiento genético en Pisum sativum L. haciendo uso de marcadores moleculares SRAP, SSR y SNP, para identificar QTLs (Quantitative Traits Loci) ligados a caracteres de interés agronómico. Para ello, se utilizó como población de mapeo una población F2 y sus respectivas familias F2:3, generadas a partir del cruzamiento entre las variedades Explorer y DDR14. Se realizó una evaluación molecular de los individuos F2 con marcadores SRAP, SSR y SNP; y una caracterización productiva en las dos poblaciones segregantes. Se evaluó días a floración, número de vainas por planta, número de semillas por vaina, número de semillas por planta, diámetro y longitud de vaina, diámetro y peso promedio de semilla, y altura de planta en cada individuo de la población F2 y en las familias F2:3 durante dos ciclos productivos. Se observaron segregantes transgresivos para las variables estudiadas, lo cual demuestra la generación de nueva variabilidad genética en la población, requerida para llevar a cabo con éxito los procesos de selección. Se obtuvieron valores elevados de heredabilidad, que indican que se podría obtener una ganancia genética rápida a través de la selección para los distintos caracteres. Sin embargo, la presencia de interacción genotipo por ambiente podría limitar la correspondencia de estos valores estimados con los valores observados. La respuesta a la selección se verá limitada si el ambiente donde se realiza la misma difiere mucho del ambiente donde se evaluarán y producirán los genotipos mejorados. Por último, se evaluó el grado y la dirección de la asociación entre los caracteres a fin de determinar cómo pueden modificarse los caracteres cuando se efectúa la selección. Se determinó una correlación alta y positiva entre los caracteres número de vaina y número de semilla y también entre longitud y ancho de vaina. Por otro lado, se observó una correlación positiva pero débil de la altura de la planta con el peso de las semillas, y una correlación débil y negativa de los días a floración con al ancho y diámetro de la vaina. La selección de genotipos superiores podría simplificarse si en lugar de realizar selección a partir de los fenotipos se identificaran directamente los genotipos mediante el uso de marcadores moleculares. Los marcadores SRAP resultaron eficientes para el estudio de la especie, generándose 261 marcadores polimórficos con segregación mendeliana, mientras que sólo diez SSR resultaron polimórficos entre los parentales utilizados. Los marcadores SNP se desarrollaron por la técnica GBS, obteniéndose 2.994 marcadores, de los cuales sólo 371 presentaron menos de 50 % de datos faltantes. Un total de 872 marcadores polimórficos se utilizaron para realizar un mapa de ligamiento. El mapa final incluyó 134 marcadores distribuidos en 9 grupos de ligamiento, cubriendo una distancia total de 655,495 cM. El GL de mayor tamaño fue el GL 1, con 114,806 cM mapeados y 26 marcadores incluidos; mientras que el GL de menor tamaño fue el GL 7, con 49,117 cM mapeados y 14 marcadores. En promedio se incluyeron 14,88 marcadores por grupo de ligamiento, con una distancia promedio entre marcadores que osciló entre 3,508 para el GL 7 y 8,740 para el GL NA2. Con los datos fenotípicos y el mapa de ligamiento se realizaron los análisis de detección de QTLs a través de la técnica CIM (composite interval mapping). Se detectaron en total 49 QTLs en las distintas generaciones y ambientes estudiados. Los marcadores asociados a dichos QTLs podrían ser utlizados para selección asistida por marcadores, especialmente los 23 marcadores situados a distancias menores a 1 cM, si se acotan las regiones mediante la incorporación de un mayor número de marcadores moleculares. La consistencia de las asociaciones encontradas en las distintas generaciones y ambientes evaluados permitió validar tres QTLs relacionados a altura de planta, número de vaina y ancho de vaina. Los estudios desarrollados en esta tesis constituyen un primer paso para el estudio de la herencia de caracteres productivos en arveja y permiten establecer pautas para el mejoramiento de dichos caracteres en la población estudiada. La construcción de mapas de ligamiento y la detección de QTLs provee herramientas adicionales para identificar de forma temprana en los procesos de mejoramiento progenies con alelos beneficiosos, reduciendo de esta manera el tiempo de obtención de una nueva variedad.Pea is a self-pollinated, diploid (2n=14), annual crop produced worldwide for human consumption and animal feed. Pea breeding has been conducted with the aim of developing high yielding cultivars. The incorporation of new biotechnological tools will be useful to maximize the success probability. The aim of this project was to develop a genetic linkage map of Pisum sativum L. using SRAP, SSR and SNP markers and to identify QTLs (Quantitative Traits Loci) controlling traits of agronomic interest. An F2 mapping population and their F2:3 families were derived from an initial cross between cvs. Explorer and DDR14. The F2 individuals were evaluated with SRAP, SSR and SNP markers. F2 and F2:3 populations were evaluated in relation to flowering days, number of pods and seeds per plant, number of seeds per pod, diameter and length of pod, diameter and weight of seeds and plant height. Transgressive phenotypes were observed in the populations, proving the generation of new variability, required to selection processes. The high values of narrow heritability obtained, indicated that rapid gain could be achieved through selection for the different traits, however, the presence of genotype environment interaction could limit the correspondence of these estimated values with the observed ones. Selection of superior genotypes can be improved through the use of genetic markers. SRAP markers proved to be efficient, generating 261 polymorphic mendelian markers. Only ten SSR were polymorphic between the parental genotypes. SNPs markers were developed through GBS, generating 2.994 markers. Only 371 markers have less than 50 % of missing data. A set of 872 polymorphic markers were used for linkage mapping. The resulting map consists of 134 genetic markers distributed in 9 linkage groups (LGs), covering a total of 655,495 cM. The length of the LGs ranged from 49,117 to 114,806 cM, with 14 to 26 markers. QTL detection was performed using the composite interval mapping (CIM) method. A total of 49 QTLs were detected through the generations and environments evaluated. The comparison among QTLs detected in the F2 population and F2:3 families in the two environments allowed assessing the consistency of three QTLs for plant height, pods number and width. Linkage mapping and QTL detection provide additional tools to identify progeny containing desirable alleles early in the breeding process to reduce the time of cultivar release.Fil: Guindón, María Fernanda. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Investigaciones en Ciencias Agrarias de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias. Instituto de Investigaciones en Ciencias Agrarias de Rosario; Argentin

Assessment of genetic diversity in 23 pisum sativum L. Accessions using molecular markers

En los últimos años, se ha incrementado en Argentina el cultivo de arveja (Pisum sativum L.), generándose la necesidad de desarrollar nuevas variedades con mayor rendimiento y mejores características nutricionales. La información acerca de la diversidad genética entre distintos cultivares es necesaria para definir qué progenitores van a ser utilizados en los planes de mejora. En el presente estudio se evaluaron 23 accesiones de arveja de diversos orígenes, utilizando marcadores SSR (Simple Sequence Repeat) y SRAP (Sequence-Related Amplified Polymorphism). Se utilizaron 25 combinaciones de marcadores SRAP, que dieron origen a 213 bandas polimórficas, y 10 SSR, que revelaron un promedio de 8,7 alelos por locus, con un índice de contenido polimórfico (PIC) promedio de 0,82. Las distancias genéticas calculadas utilizando el índice de Jaccard reflejaron una amplia variabilidad genética entre las muestras. Se determinó a través de un análisis jerárquico de varianza molecular (AMOVA) que el origen geográfico no produjo estructuración genética. Por medio del método de encadenamiento promedio (UPGMA) se generaron dendrogramas, encontrándose diferencias en la forma de agrupamiento de los genotipos evaluados en función del marcador molecular utilizado. Los grupos generados en este estudio pueden ser utilizados para plantear cruzamientos a partir de las accesiones genéticamente diversas en planes de mejoramiento de arvejaIn recent years, Argentina has increased its production of pea (Pisum sativum L.). This has created the need for the development of high-performing cultivars. Information about genetic diversity is necessary for the design of appropriate parental combinations in breeding programs. In the present study, 23 pea accessions from different origins were evaluated using SSR (Simple Sequence Repeat) and SRAP (Sequence-Related Amplified Polymorphism) markers. A total of 25 SRAP combinations generated 213 polymorphic bands. On the other hand, 10 SSR produced an average of 8.7 alleles per locus, and their average polymorphic information content (PIC) was 0.82. Genetic distances, calculated using the Jaccard index, revealed a high level of genetic variation between the samples. The results of the AMOVA(hierarchical analysis of molecular variance) indicated that there is no differentiation among populations in different geographical regions. Unweighted pair group method with arithmetic averages (UPGMA) cluster analysis were carried out. The genetically diverse groups identified with that analysis can be used to derive parental lines for pea breedingFil: Guindón, María Fernanda. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Gatti, Ileana. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias; ArgentinaFil: Cointry Peix, Enrique Luis. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

In vitro tissue culture in breeding programs of leguminous pulses: use and current status

Legumes represent a vast family of plants including more than 600 genera and more than 13,000 species. Among them, the term “pulses” refers only to dried seed crops, excluding those grown mostly for oil extraction (like soybean), where dried peas, edible beans, lentils, chickpeas, cowpea, mungbean, blackgram and pigeonpea are the most common cultivated ones for human consumption due to their high nutritional value. They also have the ability of fixing nitrogen into the soil with symbiotic bacteria, which reduces the need for chemical fertilizers in crop rotations. Conventional breeding methods for pulses are laborious and time-consuming before the release of new genotypes. Thus, alternative biotechnological approaches may be advantageous in this area. Tissue culture, plant regeneration strategies, gene transfer and plant transformation are studied in these pulses. Also, anther, microspore, embryo and ovary culture and their opportunity of application in these pulses are discussed.Fil: Gatti, Ileana. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Consejo de Investigadores; ArgentinaFil: Guindón, María Fernanda. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Investigaciones en Ciencias Agrarias de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias. Instituto de Investigaciones en Ciencias Agrarias de Rosario; ArgentinaFil: Bermejo, Carolina Julieta. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Investigaciones en Ciencias Agrarias de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias. Instituto de Investigaciones en Ciencias Agrarias de Rosario; ArgentinaFil: Espósito, María Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Investigaciones en Ciencias Agrarias de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias. Instituto de Investigaciones en Ciencias Agrarias de Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias; ArgentinaFil: Cointry Peix, Enrique Luis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Investigaciones en Ciencias Agrarias de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias. Instituto de Investigaciones en Ciencias Agrarias de Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias; Argentin

Prediction of heterotic crosses for yield in Pisum sativum L

Efficient parent’s selection and heterosis prediction in pea have been of great interest for breeders in order to determine with anticipation, those crosses capable of producing a high frequency of transgresive recombinant lines. The combining ability is the most frequently used criteria to select parents, though its estimation is costly and time-consuming. In this study we examine heterotic crosses for yield determined by morphological and molecular genetic distances between parents, and compare these with the heterotic crosses established by specific combing ability in a line × tester design. To select parental lines that would generate heterotic hybrids, different criteria were applied: genetic distances between lines obtained through morphological traits and molecular markers and cluster analysis. Inspite genetic distances were more efficient than cluster analysis, the correlations values between them and heterosis were weak, and so, we propose to change the way to measure the importance of the genetic distances using the percentage of heterotic crosses that can be successfully predicted as parameter to evaluate. The percentage of heterotic crosses comparing best parent heterosis was higher than the one obtained comparing midparent heterosis. SRAP methodology based on Dice distance between the parental lines and the Euclidean distances based in morphological data collection are the best alternative to SCA grouping association, since 69% and 65% of heterotic crosses can be predictedFil: Espósito, María Andrea. Universidad Nacional de Rosario; ArgentinaFil: Bermejo, Carolina Julieta. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Gatti, Ileana. Universidad Nacional de Rosario; ArgentinaFil: Guindón, María Fernanda. Universidad Nacional de Rosario; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Cravero, Vanina Pamela. Universidad Nacional de Rosario; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Cointry Peix, Enrique Luis. Universidad Nacional de Rosario; Argentin