Desenvolvimento de marcadores SNP para triagem de produtividade de grãos de cultivares brasileiras de arroz

The objective of this work was to identify and validate single-nucleotide polymorphism (SNP) markers related to grain yield in rice (Oryza sativa) core collection. The genome-wide association studies (GWAS) methodology was applied for genotyping of 541 rice accessions by 167,470 SNPs. The grain yield of these accessions was estimated through the joint analysis of nine field experiments carried out in six Brazilian states. Fifteen SNPs were significantly associated with grain yield, and out of the ten SNPs converted to TaqMan assays, four discriminated the most productive accessions. These markers were used for the screening of rice accessions with favorable alleles. The selected accessions were, then, evaluated in field experiments in target environments, in order to select the most productive ones. This screening reduces the number of accessions evaluated experimentally, making it possible to prioritize those with higher productive potential, which allows of the increase of the number of replicates and, consequently, of the experimental accuracy.O objetivo deste trabalho foi identificar e validar marcadores de polimorfismo de nucleotídeo único (SNP) relacionados à produtividade de grãos em coleção nuclear de arroz (Oryza sativa). A metodologia de estudos de associação genômica ampla (GWAS) foi aplicada à genotipagem de 541 genótipos por 167.470 SNPs. A produtividade de grãos desses acessos foi estimada por meio da análise conjunta de nove experimentos de campo, realizados em seis estados brasileiros. Quinze SNPs foram significativamente associados à produtividade de grãos e, dos dez SNPs que foram convertidos em ensaios TaqMan, quatro discriminaram os acessos com maior produtividade. Esses marcadores foram utilizados para identificar aceessos de arroz com os alelos favoráveis. Em seguida, os acessos selecionados foram avaliados em experimentos de campo, em ambientes-alvo, para identificar os mais produtivos. Essa triagem reduz o número de acessos avaliados experimentalmente, pois torna possível priorizar aqueles com maior potencial produtivo, o que permite aumentar o número de repetições e, consequentemente, a precisão experimental

Análise de associação quanto à produtividade e seus caracteres componentes em linhagens e cultivares de arroz de terras altas

The objective of this work was to identify, through analysis of associative mapping, the molecular markers related to upland rice yield and its component traits. One hundred thirteen lines and cultivars of upland rice, with reduced admixture, from the Rice Core Collection of Embrapa, were used. The following yield component traits were evaluated: number of panicles per meter, number of grains per panicle, and weight of 100 grains. Out of the 115 used markers, 25 (21.7%) were significantly associated with one or more traits. Among the 29 SSR (simple sequence repeats) co‑located in yield QTL (quantitative trait loci) in rice, 12 were associated with the evaluated traits and considered candidates for use in marker‑assisted selection. The markers NP914540, Q6ZGD1, and Q69JE3, associated with the number of grains per panicle, are not yet annotated in rice and should constitute the starting point for functional genomics studies. Among the markers derived from transcribed sequences, NP914526 and NP914533 stand out for belonging to metabolic pathways related to increased yield potential of rice.O objetivo deste trabalho foi identificar, por meio da análise de mapeamento associativo, os marcadores moleculares relacionados à produtividade do arroz de terras altas e aos seus caracteres componentes. Foram usadas 113 linhagens e cultivares de arroz de terras altas, da Coleção Nuclear de Arroz da Embrapa, com reduzido vínculo genético entre si. Os seguintes caracteres componentes da produtividade foram avaliados: número de panículas por metro, número de grãos por panícula e peso de 100 grãos. Dos 115 marcadores utilizados, 25 (21,7%) associaram-se significativamente a um ou mais caracteres. Entre os 29 SSR ("simple sequence repeats") colocalizados em QTL ("quantitative trait loci") de produtividade de arroz, 12 foram associados aos caracteres avaliados e considerados como candidatos para uso na seleção assistida por marcadores. Os marcadores NP914540, Q6ZGD1 e Q69JE3, associados ao número de grãos por panícula, ainda não foram anotados no arroz e podem constituir o ponto de partida para estudos de genômica funcional. Entre os marcadores derivados de sequências transcritas, NP914526 e NP914533 destacam-se por pertencer a rotas metabólicas relacionadas ao aumento do potencial produtivo de arroz

Association mapping for rice grain yield under drought stress

Submitted by Luciana Ferreira ([email protected]) on 2015-04-20T14:13:50Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Gabriel Feresin Pantalião - 2103.pdf: 1079775 bytes, checksum: fb08083324cd3c94d9a60fd9eeddd83d (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5)Approved for entry into archive by Luciana Ferreira ([email protected]) on 2015-04-20T14:15:43Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Gabriel Feresin Pantalião - 2103.pdf: 1079775 bytes, checksum: fb08083324cd3c94d9a60fd9eeddd83d (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5)Made available in DSpace on 2015-04-20T14:15:43Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Gabriel Feresin Pantalião - 2103.pdf: 1079775 bytes, checksum: fb08083324cd3c94d9a60fd9eeddd83d (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2013-03-26Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESDrought is an environmental factor which narrows crop production, such as upland rice (Oryza sativa L.). The knowledge of aspects related to drought stress, and plant response to it, may furnish plant breeding programs essential data for the development of tolerant cultivars, and hence with higher yields under such conditions. Association mapping has been a successful approach to elucidate the genetic basis of economically important traits in plants, and afterward in the implementation of marker assisted selection (MAS). Next-generation sequencing (NGS) technologies have been applied in a variety of contexts, including SNP identification and development. Among methodologies for marker discovery and high-throughput genotyping, GBS (Genotyping by Sequencing) points out by its low cost and speed at which samples can be analyzed. The aim of this work was to identify, by GBS, the polymorphism from SNP markers within 283 upland accessions from Embrapa Rice Core Collection (ERiCC) and associate them to yield under drought stress. After filtering the raw data of predetermined stringent parameters, 285.379 SNP were identified in the 12 rice chromosomes. For the association mapping, molecular and phenotypic data were combined for the identification of SNP associated to drought, aiming the subsequent development of a marker set for MAS besides the identification of genes for genetic engineering. The analysis identified 48 SNP associated with the evaluated traits, 13 associated to drought susceptibility index (DSI) and 35 to yield under drought stress. Among the 48 SNP, 35 was anchored in 31 rice genes. Seven genes, out of the 31, possessed SNP associated to DSI, and the other 24 genes to yield under drought stress. These genes may be evaluated to be effectively employed for MAS. If the overexpression of such genes provides an enhanced drought tolerance, they may be used in the development of tolerant rice cultivars.A seca é um fator ambiental que limita a produção das culturas, como a do arroz de terras altas (Oryza sativa L.). O conhecimento de fatores envolvidos na tolerância à deficiência hídrica e das respostas das plantas a esse estresse podem fornecer subsídios aos programas de melhoramento para o desenvolvimento de cultivares tolerantes, e, consequentemente, com uma maior produtividade sob essas condições. O mapeamento associativo, ou análise de associação, tem sido aplicado com sucesso em plantas, sendo utilizado primeiramente na identificação de genes associados a caracteres de importância econômica, e posteriormente, na implementação de seleção assistida por marcadores (SAM). Tecnologias de sequenciamento de nova geração (NGS) têm sido recentemente utilizadas em projetos de sequenciamento e resequenciamento para identificar, validar e avaliar um grande número de SNPs, os quais podem ser utilizados em estudos de mapeamento associativo. Dentre os métodos desenvolvidos para a descoberta de marcadores moleculares e genotipagem de alto desempenho, destaca-se pela rapidez e baixo custo a genotipagem por sequenciamento (GBS). Esse trabalho objetivou detectar, via GBS, o polimorfismo de marcadores SNPs em 283 acessos de arroz de terras altas componentes da CNAE (Coleção Nuclear de Arroz da Embrapa) e associá-los à produtividade sob déficit hídrico. Após a filtragem dos dados brutos de acordo com parâmetros de estringência pré-definidos, foram contabilizados 285.379 SNPs distribuídos ao longo dos 12 cromossomos do arroz. As informações moleculares foram integradas aos dados fenotípicos derivados do experimento de avaliação de produtividade e Índice de Suscetibilidade à Seca (ISS), conduzido no ano de 2010 em Porangatu (GO) em ambiente com e sem deficiência hídrica, para possibilitar a análise de mapeamento associativo, e com isso, detectar marcadores SNPs relacionados à tolerância à seca e oportunizar o desenvolvimento de um conjunto de marcadores úteis para a seleção assistida para esse caráter, assim como genes para estudos de engenharia genética do arroz. Através da análise de associação, foram detectados 48 SNPs relacionados com os caracteres avaliados, dentre os quais 13 foram relacionados ao ISS e 35 à produtividade em condição de déficit hídrico. Dentre os 48 SNPs, foram identificados 35 SNPs ancorados em 31 genes de arroz. Dentre os genes identificados, sete deles continham SNPs associados ao ISS, enquanto que os restantes 24 genes continham SNPs associados à produtividade dos acessos em ambiente com deficiência hídrica. Esses genes podem ser avaliados para serem efetivamente utilizados na seleção assistida por marcadores. Adicionalmente, esses genes podem ser superexpressos para avaliar sua capacidade de aumentar a tolerância à seca, e em caso positivo, gerar cultivares comerciais de arroz geneticamente modificadas mais tolerantes a esse estresse

Genome-wide association study for rice grain yield (Oryza sativa L.)

Submitted by Marlene Santos ([email protected]) on 2016-09-06T17:47:07Z No. of bitstreams: 2 Tese - Gabriel Feresin Pantalião - 2016.pdf: 3525081 bytes, checksum: f216c5eaec8666868c34105435767ccd (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5)Approved for entry into archive by Luciana Ferreira ([email protected]) on 2016-09-08T12:31:02Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Tese - Gabriel Feresin Pantalião - 2016.pdf: 3525081 bytes, checksum: f216c5eaec8666868c34105435767ccd (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5)Made available in DSpace on 2016-09-08T12:31:02Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Tese - Gabriel Feresin Pantalião - 2016.pdf: 3525081 bytes, checksum: f216c5eaec8666868c34105435767ccd (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2016-04-06Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESCultivated rice (Oryza sativa L.) is one of the most important cereal for feeding. It is estimated that the demand for rice grains increases considerably in a reduction scenario of cultivable area and scarcity of water resources, which will require an increase in production compared to current levels. To solve this problem, a viable alternative would be the exploitation of genetic diversity available in rice germplasm banks. Rice breeding programs should prioritize the search for new strategies to increase yield in a variety of environmental conditions. The exploitation of genetic diversity allowed the identification of favorable alleles not present in the germplasm of rice varieties used in breeding programs, as well as obtaining new allelic combinations of genes related to important agronomic traits and that could significantly contribute to the achievement of more productive cultivars. In this context, genome-wide association studies (GWAS) are designed to analyze variations in the DNA sequence of the entire genome in an effort to identify associations with phenotypic traits of interest. It is expected, therefore, that the results of the GWAS analysis, together with the improvements obtained with the next generation sequencing technologies (NGS) in search of a large number of SNPs, such as genotyping by sequencing (GBS), be used to investigate the genetic control of traits related to yield. This study aimed to identify genomic regions of rice related to yield from the GWAS methodology using genotypes of Embrapa Rice Core Collection (ERiCC). The GWAS analysis was conducted from a panel of 550 accessions of the ERiCC, and after the imputation of raw data, were accounted 445,589 SNPs distributed along the 12 rice chromosomes. The molecular information was integrated with phenotypic data derived from yield evaluation experiments conducted in nine essays, divided into two cultivation systems (irrigated and rainfed) and three agricultural years (2004/2005, 2005/2006 and 2006/2007). From the joint analysis in all experiments, 31 SNPs were significantly associated with yield, but only three had the lowest frequency allele with positive effect. The joint analysis of irrigated experiments identified three SNPs associated with yield, of which one with lower frequency allele with a positive effect, whereas in the rainfed experiments was identified only one SNP with lower frequency allele associated to positive effect. Subsequently, a stepwise regression analysis was performed to keep in the model only SNPs without overlapping effects, so being selected 15 SNPs markers. After in silico analysis, it was found that the most productive accessions showed 80 to 100% of favorable alleles while the less productive showed 27 to 33% of favorable alleles. For this set of markers to be used in an assisted selection routine, they should also be validated in the laboratory. In the total joint analysis, from 44 genes identified, 14 had no particular function, while from the joint analysis of experiments irrigated and rainfed, from the six genes, only one had no particular function. The search for Arabidopsis homologues genes in the 15 unknown function rice genes resulted in four genes with known function. The expressed products of the set of genes were related to metabolic processes, response to biotic, abiotic, endogenous and external stimulus, post- embryonic multicellular development, growth and morphogenesis, which influence the number of grains, grains weight and photosynthetic capacity, all related to rice yield and be useful in indicating candidate genes to cloning and transformation, enabling the development of genetically superior rice cultivars. Among the genes identified as associated to productivity, nine were previously described in the literature, and of these, six were related proteins that influence the number and seed weight, and photosynthetic capacity: LOC_Os02g44290.1, LOC_Os04g35370.1, LOC_Os02g44260.1, LOC_Os02g44280 .1 LOC_Os09g36230.1 and LOC_Os01g66160.1. These genes are considered as candidates for cloning and transformation of rice, in order, through its overexpression, enable the development of higher yielding rice cultivars.O arroz cultivado (Oryza sativa L.) é um dos cereais mais importantes para a alimentação humana. Estima-se que a demanda por grãos de arroz aumentará de forma considerável em um cenário de redução da área cultivável e escassez de recursos hídricos, o que demandará um aumento na produção em relação aos níveis atuais. Para solucionar esse problema, uma alternativa viável é a exploração da diversidade genética disponível em bancos de germoplasma de arroz. Os programas de melhoramento de arroz devem, portanto, priorizar a busca por novas estratégias que visem o aumento da produtividade em diversos tipos de condições ambientais. A exploração da diversidade genética permitiria a identificação de alelos favoráveis ainda não presentes no germoplasma das variedades de arroz utilizadas nos programas de melhoramento, assim como a obtenção de novas combinações alélicas de genes relacionados a caracteres de importância agronômica e que poderiam contribuir significativamente para a obtenção de cultivares mais produtivas. Nesse contexto, estudos de associação genômica ampla (GWAS) têm por finalidade analisar variações na sequência do DNA em todo o genoma, em um esforço para identificar associações a caracteres fenotípicos de interesse. Espera-se, assim, que os resultados das análises GWAS, juntamente com os aprimoramentos obtidos com as tecnologias de sequenciamento de nova geração (NGS) na busca por um grande número de SNPs, como é o caso da genotipagem por sequenciamento (GBS), sejam utilizados para investigar o controle genético dos caracteres relacionados à produtividade. Esse trabalho objetivou identificar regiões genômicas do arroz relacionadas à produtividade a partir da metodologia GWAS utilizando os genótipos da Coleção Nuclear de Arroz da Embrapa (CNAE). A análise GWAS foi conduzida a partir de um painel composto por 550 acessos da CNAE, sendo que após a imputação dos dados brutos, foram contabilizados 445.589 SNPs distribuídos ao longo dos 12 cromossomos do arroz. As informações moleculares foram integradas aos dados fenotípicos derivados dos experimentos de avaliação de produtividade conduzidos em nove ensaios, divididos em dois sistemas de cultivo (irrigado e sequeiro) e por três anos agrícolas (2004/2005, 2005/2006 e 2006/2007). A partir da análise conjunta em todos os experimentos, 31 SNPs foram associados de forma significativa à produtividade, com apenas três apresentarando o alelo de menor frequência com efeito positivo. Nas análises conjuntas dos experimentos irrigados foram identificados três SNPs associados à produtividade, um dos quais com alelo de menor frequência com efeito positivo, enquanto que nos experimentos em sequeiro foi identificado apenas um SNP, com alelo de menor frequência associado ao efeito positivo. Posteriormente foi realizada uma análise de regressão stepwise para se manter no modelo apenas os SNPs sem efeitos de sobreposição, sendo então selecionados 15 marcadores SNP. Após uma análise in silico, constatou-se que os acessos mais produtivos apresentaram 80 a 100% dos alelos favoráveis, enquanto os menos produtivos apresentaram 27 a 33% dos alelos favoráveis. Para que esse conjunto de marcadores seja utilizado em uma rotina de seleção assistida, ainda deverão ser validados em laboratório. Na análise conjunta total, entre os 44 genes identificados, 14 não apresentavam função determinada, enquanto a partir da análise conjunta dos experimentos irrigados e em sequeiro, entre os seis genes, apenas um não apresentava função determinada. A busca por homólogos em Arabidopsis nos 15 genes de arroz de função desconhecida resultou em quatro genes com função conhecida. Os produtos expressos do conjunto de genes estavam relacionados a processos metabólicos, resposta a estímulos bióticos, abióticos, endógenos e externos, desenvolvimento multicelular pós-embrionário, crescimento e morfogênese, que influenciam no número, peso de grãos, e capacidade fotossintética, todos relacionados com a produtividade em arroz, sendo útil na indicação de genes candidatos à clonagem e transformação, possibilitando o desenvolvimento de cultivares de arroz geneticamente superiores. Dentre os genes identificados como associados a produtividade, nove foram descritos previamente na literatura, e destes, seis foram relacionados a proteínas que influenciam no número e peso de grãos, e capacidade fotossintética: LOC_Os02g44290.1, LOC_Os04g35370.1, LOC_Os02g44260.1, LOC_Os02g44280.1, LOC_Os09g36230.1 e LOC_Os01g66160.1. Esses são considerados genes candidatos à clonagem e transformação do arroz, a fim de, por meio de sua superexpressão, possibilitar o desenvolvimento de cultivares de arroz mais produtivas