Dissecando a arquitetura genética de características quantitativas em feijoeiro (Phaseolus vulgaris L.): resposta a infecção por nematoide de galhas e morfologia de sementes

Common bean (Phaseolus vulgaris L.) is the leading legume grain for human consumption and a staple food in many regions of the world. Since most common bean is produced in the tropics under low-input systems, phytosanitary issues often severely impact yield. Among the principal Phaseolus spp. pathogens, root-knot nematodes (RKN), particularly Meloidogyne incognita, are probably the most widespread and damaging. Despite their importance, effective control is still not available and due to the imprecision and slowness of the traditional phenotyping procedures, common bean breeding programs have faced huge challenges in developing routine nematode resistance screening. Likewise, another complex task tackled by bean breeders is the need to focus on specific traits to satisfy the requirements of farmers, industry and end consumers. This applies to seed size, weight and shape. With the advent of low-cost next-generation sequencing, genetic mapping approaches such as quantitative trait loci (QTL) analysis and genome-wide association studies (GWAS) have proved to be remarkable approaches to quantitative trait genetic architecture studies. The Laboratory of Molecular Genetics of Crop Plants has, as one of its main research activities, the development of fundamental studies on diversity and genetic mapping in P. vulgaris. This has entailed developing a core collection panel of 180 accessions, genotyped using 10,362 SNPs and recommended for use in association mapping. In this thesis, two distinct investigations are described, each detailing an individual study, converging to achieve the overarching goal of expanding the comprehension about the genetic factors underlying common bean traits. The first study combines two genetic mapping approaches (GWAS and QTL mapping), bioinformatics and histochemical analysis to dissect the complex genetic architecture of the common bean response to RKN. GWAS identified independent genomic regions associated with the number of RKN egg masses (Pv06, Pv07, Pv08 and Pv11) and the root-galling index (Pv01, Pv02, Pv05 and Pv10), and several genes were highlighted as prominent candidates in common bean response to the pathogen. In the second study, GWAS and high-throughput image-based phenotyping were applied to pinpoint loci associated with common bean seed morphology. Seven marker-trait associations, explaining a considerable amount of phenotypic variation, were discovered for seed length, width, projected area, perimeter and circularity in four distinct genomic regions of chromosomes Pv02, Pv08 and Pv11, and at least 13 genes were considered promising candidates for regulating seed morphology. From a practical standpoint, the studies documented in this thesis provide SNP markers that may help breeders in marker-assisted selection, and the genes suggested herein are promising candidates for functional analysis in common bean and eventually other related crops.O feijão comum (Phaseolus vulgaris L.) é o mais importante grão de espécies leguminosas para o consumo humano e um alimento básico na dieta de populações em diversas regiões do planeta. Uma vez que a maior parte do cultivo ocorre nos trópicos, sob baixo nível de investimento, problemas fitossanitários costumam causar severos impactos sobre a produtividade do feijoeiro. Entre os principais patógenos que atacam Phaseolus spp. estão os nematoides das galhas (RKN), particularmente da espécie Meloidogyne incognita, que são tidos como os mais dispersos e impactantes. Apesar da importância, ainda não existem estratégias efetivas para o controle de RKN e, devido à imprecisão e morosidade das abordagens de fenotipagem tradicionais, os programas de melhoramento do feijoeiro têm enfrentado enormes desafios para avaliar a resistência a nematoides nas atividades de rotina. Além disso, outro gargalo enfrentado pelos melhoristas é a necessidade de buscar características específicas que atendam não só os agricultores, mas também a demanda da indústria e dos consumidores finais, como ocorre para tamanho, peso e forma das sementes. Com o advento e a redução no custo do sequenciamento de nova geração, as abordagens de mapeamento genético, como a análise de locos envolvidos em caracteres quantitativos (QTL) e estudos de associação genômica (GWAS), se consolidaram como métodos proeminentes para estudar a arquitetura genética de características quantitativas. O Laboratório de Genética Molecular de Plantas Cultivadas tem como uma de suas principais atividades de pesquisa o desenvolvimento de estudos fundamentais sobre diversidade e mapeamento genético em P. vulgaris. Para isso, foi desenvolvido um painel de uma coleção de 180 acessos que foram genotipados com 10.362 SNPs e recomendados para uso em análises de mapeamento associativo. Nesta tese, duas investigações distintas são descritas, cada uma detalhando um estudo individual, mas que convergem para atingir o objetivo geral de expandir a compreensão sobre os fatores genéticos envolvidos no controle de características de importância para o feijoeiro. O primeiro estudo combina duas abordagens de mapeamento genético (GWAS e mapeamento de QTLs), bioinformática e análise histoquímica para dissecar a complexa arquitetura genética da resposta do feijão comum ao RKN. O GWAS identificou oito regiões genômicas independentes associadas ao número de massas de ovos de RKN (Pv06, Pv07, Pv08 e Pv11) e índice de galhas (Pv01, Pv02, Pv05 e Pv10), além de indicar vários genes como promissores candidatos para o envolvimento nos mecanismos de resistência do feijoeiro. No segundo estudo, GWAS e fenotipagem de alto rendimento baseada em imagens foram aplicados para localizar locos associados à morfologia de sementes de feijão. Sete associações explicando considerável porção da variabilidade fenotípica foram identificadas para comprimento, largura, área projetada, perímetro e circularidade das sementes, em quatro regiões genômicas distintas dos cromossomos Pv02, Pv08 e Pv11, e pelo menos 13 genes foram considerados candidatos promissores para regular a morfologia das sementes. Do ponto de vista prático, os estudos documentados nesta tese fornecem marcadores SNP que podem auxiliar os melhoristas na seleção assistida por marcadores, bem como os genes aqui sugeridos são proeminentes candidatos para uso em análises funcionais em feijoeiro ou eventualmente outras culturas relacionadas

FONTES ESTABILIZADAS DE NITROGÊNIO COMO ALTERNATIVA PARA AUMENTAR O RENDIMENTO DE GRÃOS E A EFICIÊNCIA DE USO DO NITROGÊNIO PELO MILHO

A utilização de fontes estabilizadas de N, a partir dos mecanismos de inibição da enzima urease e de inibidores da nitrificação do amônio, pode auxiliar na obtenção de maiores tetos produtivos, contribuindo para a sustentabilidade da atividade agrícola. Este trabalho foi conduzido com o objetivo de avaliar o efeito de diferentes fontes e doses de fertilizantes nitrogenados minerais sobre o rendimento de grãos e a eficiência de uso do N pelo milho. Fez-se o experimento no campo, no município de Lages, SC, onde foi implantado no delineamento de blocos casualizados, dispostos em parcelas subdivididas. Na parcela principal, foram avaliadas quatro doses de N em cobertura: 0, 70, 140 e 280 kg ha-1, equivalentes a 0, 25, 50 e 100 % da dose recomendada para obter 18.000 kg ha-1 de grãos. Para cada dose, foram testadas, nas subparcelas, quatro fontes de N mineral: nitrato de amônio, ureia comum, ureia com inibidor da enzima urease e ureia com inibidor da nitrificação do amônio. O experimento foi implantado nos dias 31/10/2011 e 28/10/2012, no sistema de semeadura direta. O híbrido utilizado foi o P30R50H, semeado na densidade de 90.000 plantas ha-1 e espaçamento entrelinhas de 70 cm. As características agronômicas como teor percentual de N foliar, índice do teor relativo de clorofila e rendimento de grãos aumentaram linearmente com a elevação das doses de N em cobertura; porém, não foram influenciadas pelas fontes de adubação nitrogenada. A eficiência de uso do N diminuiu com o incremento das doses de N em cobertura no primeiro ano de execução do trabalho. Não houve diferenças entre as quatro fontes, quanto à eficiência de uso do N. A utilização da ureia contendo inibidor da enzima urease e da nitrificação de amônio não aumentou o rendimento de grãos do milho e nem melhorou a eficiência de uso do N, em relação aos fertilizantes nitrogenados convencionais (ureia comum e nitrato de amônio)

Genome-wide association studies dissect the genetic architecture of seed shape and size in common bean

AbstractSeed weight and size are important yield components. Thus, selecting for large seeds has been a key objective in crop domestication and breeding. In common bean, seed shape is also important since it influences industrial processing and plays a vital role in determining the choices of consumers and farmers. In this study, we performed genome-wide association studies on a core collection of common bean accessions to dissect the genetic architecture and identify genomic regions associated with seed morphological traits related to weight, size, and shape. Phenotypic data were collected by high-throughput image-based approaches, and utilized to test associations with 10,362 single-nucleotide polymorphism markers using multilocus mixed models. We searched within genome-associated regions for candidate genes putatively involved in seed phenotypic variation. The collection exhibited high variability for the entire set of seed traits, and the Andean gene pool was found to produce larger, heavier seeds than the Mesoamerican gene pool. Strong pairwise correlations were verified for most seed traits. Genome-wide association studies identified marker–trait associations accounting for a considerable amount of phenotypic variation in length, width, projected area, perimeter, and circularity in 4 distinct genomic regions. Promising candidate genes were identified, e.g. those encoding an AT-hook motif nuclear-localized protein 8, type 2C protein phosphatases, and a protein Mei

Tratamento de sementes com bioestimulante ao milho submetido a diferentes variabilidades na distribuição espacial das plantas

RESUMO: A utilização de bioestimulantes pode auxiliar a mitigar os prejuízos ao milho, ocasionados pela má qualidade de estande. Este trabalho foi conduzido objetivando avaliar o efeito do tratamento de sementes com bioestimulante sobre o desempenho agronômico do milho, submetido a diferentes níveis de variabilidade na distribuição espacial das plantas na linha de semeadura. O experimento foi implantado em Lages, SC, durante o ano agrícola de 2013/2014. O delineamento experimental foi de blocos ao acaso, dispostos em parcelas subdivididas. Nas parcelas principais, testaram-se três níveis de desuniformidade espacial na linha: 0, 50 e 100% do Coeficiente de Variação (CV). No nível 0 % de CV, todas as sementes foram uniformemente distribuídas no sulco de semeadura, a uma distância de 17cm entre si. Nos demais níveis de CV, as distâncias entre sementes variaram conforme o tratamento. Nas subparcelas, testou-se a presença ou ausência do tratamento de sementes com bioestimulante. O aumento da variabilidade na distribuição espacial das plantas reduziu a área foliar e o teor de clorofila da folha índice no espigamento, bem como o diâmetro do colmo na colheita, independentemente do tratamento de sementes com bioestimulante. Isso contribuiu para reduzir o número de grãos por espiga e o rendimento de grãos dos tratamentos com 50 e 100% de CV na variabilidade espacial, tanto na presença quanto na ausência do bioestimulante. Portanto, o tratamento de sementes com bioestimulante não mitigou os prejuízos ao rendimento de grãos do milho ocasionados pela distribuição espacial irregular das plantas na linha de semeadura

Adaptability and stability assessment of bean cultivars of the carioca commercial group by a Bayesian approach

To develop new bean commercial cultivars, a series of experiments called Value for Cultivation and Use (VCU) assays are necessary. Bayesian analysis using information on prior VCU trials is an alternative to obtain greater precision during genotype selection. The objective of the present work was to select, under a Bayesian perspective, genotypes of the carioca bean from the state of Paraná that combine high adaptability and phenotypic stability, using information from previous VCU assays. This study used data from six experiments conducted in a randomized block design, in which the grain yield of 18 genotypes was assayed. To represent weakly informative prior distributions, the study used probability distributions with high variance; to represent informative prior distributions, it adopted the meta-analysis concept used in prior VCU assays (2007/2008, 2008/2009, 2009/2010, 2010/2011, 2011/2012, 2012/2013, and 2013/2014). Bayesian inference provided greater precision in selecting carioca bean genotypes with high adaptability and phenotypical stability through the Eberhart and Russell method. The Bayes factor indicated that the use of a priori information gives more accurate results for genotype selection. According to the study, most genotypes are widely adaptable based on informative priors, except for the Bola Cheia cultivar, which has specific adaptability to favorable environments.Para lançamento de novas cultivares comercias de feijão é necessário a realização de uma série de experimentos denominados de ensaios de cultivo e uso (VCU). Sendo assim, a análise bayesiana utilizando informações a priori de ensaios de VCU anteriores pode ser considerada uma alternativa visando obtenção de uma maior acurácia na seleção de genótipos. Sendo assim, o presente trabalho teve como objetivos selecionar, sob perspectiva bayesiana, genótipos de feijão do tipo carioca que reúnam alta adaptabilidade e estabilidade fenotípicas, no Estado do Paraná, utilizando como informações a priori ensaios anteriores de VCU. Foram utilizados dados de seis experimentos, conduzidos em delineamento de blocos ao acaso, em que a produtividade de grãos de 18 genótipos foi avaliada. Para representar as distribuições a priori pouco informativas, utilizaram-se distribuições de probabilidade com grande variância, e para representar distribuições a priori informativas, adotou-se o conceito de meta-análises utilizando os ensaios de VCU anteriores (2007/2008, 2008/2009, 2009/2010, 2010/2011, 2011/2012, 2012/2013 e 2013/2014). A inferência bayesiana proporcionou maior acurácia na seleção dos genótipos de feijão carioca com alta adaptabilidade e estabilidade fenotípica por meio da metodologia de Eberhart e Russell. O fator Bayes indicou que o uso de informações a priori fornece resultados mais acurados na seleção dos genótipos. Com base nas prioris informativas, a maioria dos genótipos foi classificada de adaptabilidade ampla, exceto a cultivar Bola Cheia que foi classificada de adaptabilidade específica a ambientes favorávei

DESEMPENHO AGRONÔMICO DO MILHO EM RAZÃO DO TRATAMENTO DE SEMENTES COMAZOSPIRILLUMSP. E DA APLICAÇÃO DE DOSES DE NITROGÊNIO MINERAL

A utilização de bactérias diazotróficas pode auxiliar a alcançar maiores produtividades e reduzir os impactos ambientais decorrentes da utilização de fertilizantes nitrogenados. Este trabalho foi conduzido com o objetivo de avaliar o efeito do tratamento de sementes com bactérias do gêneroAzospirillum e da aplicação de doses de N mineral sobre o desempenho agronômico do milho em diferentes níveis de manejo. O experimento foi conduzido no campo, na cidade de Lages, SC, durante os anos agrícolas de 2011/2012 e 2012/2013. Utilizou-se o delineamento experimental de blocos ao acaso dispostos em parcelas subsubdivididas. Na parcela principal, foram testados dois níveis de manejo, o médio, expectativa de produtividade de 8.000 kg ha-1; e o alto, expectativa de produtividade de 18.000 kg ha-1. Nas subparcelas, testaram-se quatro doses de N, equivalentes a 0; 0,5; 1; e 1,5 vez a dose recomendada pela Comissão Sul Brasileira de Química e Fertilidade do Solo para atingir a expectativa de produtividade prevista em cada nível de manejo. Nas subsubparcelas, avaliou-se o efeito do tratamento de sementes com Azospirillumsp. O rendimento de grãos variou de 8.344 a 16.947 kg ha-1 no nível de manejo alto e aumentou quadraticamente com o aumento das doses de N, tanto nas parcelas inoculadas quanto nas não inoculadas. No nível de manejo médio, os rendimentos oscilaram entre 5.986 e 9.684 kg ha-1, aumentaram linearmente com o incremento na dose de N nos tratamentos inoculados e não foram influenciados pela aplicação de N mineral nos tratamentos sem inoculação. Nos dois sistemas de manejo, a eficiência de uso do N diminuiu com o incremento na dose de N, tanto nas parcelas inoculadas quanto nas não inoculadas. Não houve diferenças significativas no rendimento de grãos dos tratamentos com e sem inoculação, independentemente do sistema de manejo e da dose de N. Portanto, o tratamento de sementes com Azospirillumsp. não melhorou o desempenho agronômico do milho

Genetic diversity, population structure and AFLP markers associated with maize reaction to southern rust

ABSTRACT Maize is one of the species with greater genetic diversity among cereals and possibly the most diverse crop species known. Accessing this variability is essential for maize breeding, allowing breeders to achieve progress of yield increasing, overcome environmental challenges or deal with pests and diseases. Among the maize diseases, southern rust is one of the most important, causing significant losses in yield and presenting severe epidemics worldwide. In the present study, the AFLP technique was applied to analyze population structure and genetic diversity among 145 tropical maize inbred lines, and to test for preliminary evidence of association between AFLP markers and the reaction to southern rust. Disease severity was evaluated in two crop seasons and the accessions were genotyped through AFLP using four primer combinations. The clusters obtained based on the Jaccard genetic distance and Ward’s hierarchical clustering and those achieved by structure simulations had high concordance and were capable of establish two big clusters, one predominantly of common maize and another of popcorn. The association analysis was performed using four different statistical models. The more complete model containing both population structure and genetic relatedness narrowed the number of significant associations, demonstrating its importance to control false associations. A total of 19 significant marker associations were identified from which three (EactMctg18, EactMctg205, EactMctg169) are interesting candidates for further investigations

Adaptability and stability assessment of bean cultivars of the carioca commercial group by a Bayesian approach

<div><p>ABSTRACT. To develop new bean commercial cultivars, a series of experiments called Value for Cultivation and Use (VCU) assays are necessary. Bayesian analysis using information on prior VCU trials is an alternative to obtain greater precision during genotype selection. The objective of the present work was to select, under a Bayesian perspective, genotypes of the carioca bean from the state of Paraná that combine high adaptability and phenotypic stability, using information from previous VCU assays. This study used data from six experiments conducted in a randomized block design, in which the grain yield of 18 genotypes was assayed. To represent weakly informative prior distributions, the study used probability distributions with high variance; to represent informative prior distributions, it adopted the meta-analysis concept used in prior VCU assays (2007/2008, 2008/2009, 2009/2010, 2010/2011, 2011/2012, 2012/2013, and 2013/2014). Bayesian inference provided greater precision in selecting carioca bean genotypes with high adaptability and phenotypical stability through the Eberhart and Russell method. The Bayes factor indicated that the use of a priori information gives more accurate results for genotype selection. According to the study, most genotypes are widely adaptable based on informative priors, except for the Bola Cheia cultivar, which has specific adaptability to favorable environments.</p></div

VARIABILIDADE NA DISTRIBUIÇÃO ESPACIAL DE PLANTAS NA LINHA E RENDIMENTO DE GRÃOS DE MILHO

The evenness of plant distribution at the sowing row is important to reach high productivities. This workwas carried out aiming to evaluate the effect of plant spatial variability in the sowing row on maize grain yield. The trialwas set in Lages, SC, during the 2009/2010 and 2010/2011 growing seasons. Two row spacings (40 and 80 cm) andfive levels of plant spatial variability in the row, equivalent to 0, 25, 50, 75 and 100% of the variation coefficient, wereassessed. The treatment with 0% of C.V. represented an even spatial plant distribution on the sowing row. In 2009/2010,grain yield ranged from 11,500 to 12,900 kg ha-1 and decreased 83 kg ha-1 for each 10% of increase in the C.V., at theaverage of the two row spacings. In 2010/2011, grain yield varied from 15,000 to 16,600 kg ha-1 and decreased 64 kgha-1 for each 10% of increment in the C.V. using 40 cm inter-row spacing. In both growing seasons, the decrease in grainyield with increasing irregularity of the spatial distribution of plants in the planting row was caused by the reduction inthe number of grains produced per m-2