Estudio de polimorfismos asociados a caracteres de interés agronómico en arroz (Oryza sativa L.) mediante técnicas de análisis genómico

Abstract

[ES] El arroz es uno de los cultivos más importantes para la humanidad siendo la principal fuente de calorías para una gran parte de la población mundial. Los continuos cambios en las demandas del sector arrocero y las predicciones de nuevas condiciones climáticas requieren la adaptación del cultivo a través de nuevas variedades. Los avances en investigación en arroz y las herramientas genómicas desarrolladas en los últimos años han permitido la modernización de la mejora de variedades, haciéndola dirigida y rápida. Los programas de mejora suelen realizarse de manera local ya que las plantas de arroz son muy sensibles a las condiciones ambientales, como el fotoperiodo. Por ello se utilizan habitualmente parentales ya adaptados a las regiones de cultivo locales, es decir, variedades que se cultivan en regiones de clima templado. La mayoría de las variedades cultivadas en las zonas templadas son poco o nada sensibles a este. Las regiones de clima templado donde se cultiva arroz albergan suficiente diversidad fenotípica y genotípica por explotar, y su conocimiento y caracterización es conveniente para poder facilitar los programas de mejora que llevan a cabo en estas regiones. En esta tesis se ha generado una colección de 193 variedades de arroz de tipo japonica templada representativas de la diversidad de esta región. También se ha desarrollado un panel de SNPs apto para el genotipado de variedades de tipo japonica con el cual se ha genotipado dicha colección. El análisis de la estructura poblacional de esta colección indica que las variedades cultivadas en clima templado pueden dividirse en cuatro grupos, basándose en el tipo de grano y el origen geográfico. Un grupo está formado por variedades de grano largo, mientras que las de grano medio se dividen en otros tres subgrupos compuestos por un primer grupo de variedades americanas y australianas, un segundo grupo formado por variedades italianas y finalmente un tercer grupo de variedades de origen asiático y variedades antiguas europeas. El análisis de las relaciones genéticas puso de manifiesto que la estructura genética observada está ligada a la historia de la mejora del arroz. Los resultados del análisis de la estructura poblacional han sido de utilidad a la hora de realizar el estudio de asociación, ya que la fuerte estructura poblacional observada podría causar sesgos en las asociaciones llevando a falsos positivos. Se detectó una asociación de 43 SNPs, asociados a la variación en caracteres relacionados con el rendimiento y la floración. Puesto que el fotoperiodo destaca como uno de los principales factores relacionado con la adaptación del cultivo a climas templados, como objetivo de la tesis se ha planteado la identificación de nuevos componentes reguladores de la floración. Con esta finalidad se ha generado, identificado y caracterizado fenotípica y genotípicamente una línea mutante de la variedad Gleva, ampliamente cultivada en nuestro territorio, que presenta un fenotipo de floración temprana. Mediante la combinación del uso de las técnicas Mutmap y Allinone, empleando la secuenciación de genoma completo de plantas en una generación F2 derivada del cruce entre el parental silvestre y el mutante, G123, se ha procedido además a la identificación de la mutación candidata responsable de la variación en el tiempo de floración que resultó ser una deleción en el cromosoma uno en la región en la que sitúa el gen PHOTOSENSITIVITY 13. De este modo se ha encontrado una variación interesante para la mejora y se ha desarrollado una metodología para la rápida identificación de mutaciones. Así pues, durante el desarrollo de esta tesis se han empleado técnicas genómicas para el estudio de caracteres de interés agronómico y su aplicación en la mejora de las variedades cultivadas en nuestra región.

[CA] L'arròs és un dels cultius més importants per a la humanitat seient la principal font de calories per a gran part de la població mundial. Els continus canvis a les demandes del sector arrosser i les prediccions de noves condicions climàtiques requereixen l'adaptació del cultiu a través de noves varietats. Els avanços en la investigació en arròs i les ferramentes genòmiques desenvolupades els darrers anys han permés la modernització de la millora de les varietats, fent-la dirigida i ràpida. Els programes de millora solen realitzar-se de manera local, ja que les plantes d'arròs són molt sensibles a les condicions ambientals, com el fotoperíode. Per això habitualment s'utilitzen parentals ja adaptats a les regions de cultiu locals, és a dir, varietats que es cultiven a les regions de clima temperat. La majoria de les varietats cultivades a les zones temperades són poc sensibles a aquest. Les regions en clima temperat on es cultiva l'arròs albergen suficient diversitat fenotípica i genotípica per explotar, i el seu coneiximent i caracterització es convenient per tal de facilitar els programes de millora en aquestes regions. En aquesta tesi s'ha generat una col¿lecció de 193 varietats d'arròs de tipus japonica temperat representativa de la diversitat d'aquesta regió. Tambè s'ha generat un panel de SNPs apte per al genotipat de varietats tipus japonica amb el qual s'ha genotipat dita col¿lecció. L'analisisl'estructura poblacional d'aquesta col¿lecció indica que les varietats cultivades al clima temperat poden dividir-se en quatre grups, basa'n't-se en el tipus de gra i l'origen geogràfic. Un grup està format per varietats de gra llarg, mentres que les de gra mitja es divideixen en altres tres subgrups composats per un primer grup de varietats americanes i australianes un segon grup es format per varietats italianes i finalment un tercer grup de varietats d'origen asiàtic i varietats antigues europees. L'anàlisi de les relacions genètiques va posar de manifest que l'estructura genètica observada està lligada a l'història de la millora de l'arròs. Els resultats de l'anàlisi de l'estructura poblacional han sigut d'utilitat a l'hora de realizar l'estudi d'associació, ja que la fort estructura poblacional observada podría causar biaixos a les associacions donant lloc a fals positius. Es detectà l'associació de 43 SNP, associats a les variacions en caràcters relacionats amb el rendiment i la floració. Donat que el fotoperiode destaca com un dels principals factors relacionts amb la adaptació del cultiu al clima temperat com objectius de la tesis s'hi ha planteat la identificació de nous components reguladors de la floració para el qual s'ha generat, identificat i caracteritzat fenotípica i genotípicament una línia mutant de la varietat Gleva, àmpliament cultivada al nostre territori, que presenta un fenotip de floració primerenca. Mitjançant la combinació les tècniques Mutmap i Allione, emprant la seqüenciació del genoma sencer de les plantes en una generació F2 derivada del creuament entre els parentals salvatje i el mutant G123 s'ha procedit a més a la identificació de la mutació candidata responsable de la variació en el temps de floració en una generació F2 derivada del encreuament entre el parental silvestre i el mutant, G123. D'aquest mode s'ha trobat una variació interessant per a la millora i s'hi ha desenvolupat una metodologia per a la ràpida identificació de mutacions. Així doncs per al desenvolupament d'aquesta tesi s'hi ha empleat tècniques genòmiques per a l'estudi de caràcters d'interés agronòmic i la seua aplicació a la millora de les varietats cultivades a la nostra regió.

[EN] Rice is one of the most important plants for mankind being the main source of calories for an extensive part of world population. The continuous changes at rice sector and previsions of new climatic conditions require the adaptation of the culture through new varieties. The advances in rice research and genomic tools developed in last past years have allowed the modernization of variety improvement, becoming fast and directed. Breeding programs are often carried on at local level because rice plants are very sensible to environmental conditions, as photoperiod. By this reason adapted to local cultivation regions parentals are usually employed, this means, varieties cultivated at temperate climate. Most of varieties cultivated in temperate areas are a little or non sensible to photoperiod. Temperate climate regions where rice is cultivated hold enough phenotypic and genotypic diversity to explode and it's knowledge and characterization is convenient in order to facilitate the breeding programs carried on this region. In this thesis a collection of 193 japonica temperate varieties representative of the diversity present at temperate regions was generated. Also a panel of SNPs valid to genotype japonica varieties was developed and used to genotype the collection. The structure analysis of the collection showed that the varieties cultivated in temperate climate can be divided in four groups, based on the type of grain and geographical origin. A group was composed of long grain varieties, whilst medium grain varieties are divided into other three subgroups a first group of American and Australian, a second group was formed by Italian varieties and a third group from Asian origin varieties and old European varieties. The analysis of genetic relationships showed that the genetic structure observed is linked to the rice breeding history. The results of the structure analysis were usefull when performing an association study, since the observed strong population structure could cause biased associations producing false positives. Association between 43 SNPs and the variation of traits related with yield and flowering was detected. Since photoperiod stands out as one of the main factors related with cultive adaptation to temperate regions, as an objective of this thesis was the identification of new regulator components of flowering has been proposed. For this objective a mutant line from Gleva variety, widely cultivated across our territory, was generated, identified and characterized. Using a combination of Mutmap and Allione techniques, employing complete genome sequencing of plants in a F2 derivated from a cross between wild parental and the mutant, G123. As a result, an interesting variation for breeding has been found and a fast methodology for mutation identification has been developed. For the development of this thesis genomic techniques for the study of traits of agronomic interest have been used and applied for the breeding of varieties cultivated in our region.