Published June 24, 2016 | Version v1
Publication Open

Genome-wide association mapping of quantitative traits in a breeding population of sugarcane

Creators

  • 1. Instituto de Química del Noroeste Argentino
  • 2. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
  • 3. Universidad de la República

Description

Molecular markers associated with relevant agronomic traits could significantly reduce the time and cost involved in developing new sugarcane varieties. Previous sugarcane genome-wide association analyses (GWAS) have found few molecular markers associated with relevant traits at plant-cane stage. The aim of this study was to establish an appropriate GWAS to find molecular markers associated with yield related traits consistent across harvesting seasons in a breeding population. Sugarcane clones were genotyped with DArT (Diversity Array Technology) and TRAP (Target Region Amplified Polymorphism) markers, and evaluated for cane yield (CY) and sugar content (SC) at two locations during three successive crop cycles. GWAS mapping was applied within a novel mixed-model framework accounting for population structure with Principal Component Analysis scores as random component.A total of 43 markers significantly associated with CY in plant-cane, 42 in first ratoon, and 41 in second ratoon were detected. Out of these markers, 20 were associated with CY in 2 years. Additionally, 38 significant associations for SC were detected in plant-cane, 34 in first ratoon, and 47 in second ratoon. For SC, one marker-trait association was found significant for the 3 years of the study, while twelve markers presented association for 2 years. In the multi-QTL model several markers with large allelic substitution effect were found. Sequences of four DArT markers showed high similitude and e-value with coding sequences of Sorghum bicolor, confirming the high gene microlinearity between sorghum and sugarcane.In contrast with other sugarcane GWAS studies reported earlier, the novel methodology to analyze multi-QTLs through successive crop cycles used in the present study allowed us to find several markers associated with relevant traits. Combining existing phenotypic trial data and genotypic DArT and TRAP marker characterizations within a GWAS approach including population structure as random covariates may prove to be highly successful. Moreover, sequences of DArT marker associated with the traits of interest were aligned in chromosomal regions where sorghum QTLs has previously been reported. This approach could be a valuable tool to assist the improvement of sugarcane and better supply sugarcane demand that has been projected for the upcoming decades.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يمكن للعلامات الجزيئية المرتبطة بالسمات الزراعية ذات الصلة أن تقلل بشكل كبير من الوقت والتكلفة التي ينطوي عليها تطوير أصناف جديدة من قصب السكر. وجدت تحليلات الارتباط على مستوى جينوم قصب السكر السابقة (GWAS) عددًا قليلاً من العلامات الجزيئية المرتبطة بالسمات ذات الصلة في مرحلة قصب السكر النباتي. كان الهدف من هذه الدراسة هو إنشاء GWAS مناسب للعثور على العلامات الجزيئية المرتبطة بالسمات المتعلقة بالغلة المتسقة عبر مواسم الحصاد في مجموعة تكاثر. تم تنميط مستنسخات قصب السكر باستخدام تقنية DArT (تقنية مصفوفة التنوع) وعلامات TRAP (تعدد الأشكال المضخم للمنطقة المستهدفة)، وتم تقييمها لمحصول القصب (CY) ومحتوى السكر (SC) في موقعين خلال ثلاث دورات محاصيل متتالية. تم تطبيق رسم خرائط GWAS ضمن إطار نموذجي مختلط جديد يمثل البنية السكانية مع درجات تحليل المكونات الرئيسية كمكون عشوائي. تم اكتشاف ما مجموعه 43 علامة مرتبطة بشكل كبير بـ CY في قناة النبات، و 42 في راتون الأول، و 41 في راتون الثاني. من بين هذه العلامات، تم ربط 20 منها بـ CY في غضون عامين. بالإضافة إلى ذلك، تم اكتشاف 38 ارتباطًا مهمًا لـ SC في القشرة النباتية، و 34 في الراتون الأول، و 47 في الراتون الثاني. بالنسبة لمنظمة رعاية الأطفال، تم العثور على ارتباط علامة واحدة مهم لمدة 3 سنوات من الدراسة، في حين أن اثني عشر علامة قدمت ارتباطًا لمدة عامين. في النموذج متعدد QTL، تم العثور على العديد من العلامات ذات تأثير استبدال الأليلات الكبير. أظهرت تسلسلات أربع علامات DArT تشابهًا عاليًا وقيمة إلكترونية مع تسلسلات ترميز ثنائية اللون من الذرة الرفيعة، مما يؤكد الخطية الجينية العالية بين الذرة الرفيعة وقصب السكر. على النقيض من دراسات GWAS الأخرى لقصب السكر التي تم الإبلاغ عنها سابقًا، سمحت لنا المنهجية الجديدة لتحليل QTLs المتعددة من خلال دورات المحاصيل المتعاقبة المستخدمة في هذه الدراسة بالعثور على العديد من العلامات المرتبطة بالسمات ذات الصلة. الجمع بين بيانات تجربة النمط الظاهري الحالية وخصائص DArT للنمط الجيني وعلامة الفخ ضمن نهج GWAS بما في ذلك البنية السكانية حيث قد تثبت المتغيرات المشتركة العشوائية نجاحها الكبير. علاوة على ذلك، تمت محاذاة تسلسلات علامة DArT المرتبطة بالسمات المثيرة للاهتمام في المناطق الكروموسومية حيث تم الإبلاغ سابقًا عن QTLs للذرة الرفيعة. يمكن أن يكون هذا النهج أداة قيمة للمساعدة في تحسين قصب السكر وتحسين الطلب على قصب السكر الذي تم توقعه للعقود القادمة.

Translated Description (French)

Les marqueurs moléculaires associés à des traits agronomiques pertinents pourraient réduire considérablement le temps et les coûts impliqués dans le développement de nouvelles variétés de canne à sucre. Des analyses antérieures d'association à l'échelle du génome de la canne à sucre (GWAS) ont trouvé peu de marqueurs moléculaires associés à des traits pertinents au stade plante-canne. L'objectif de cette étude était d'établir un GWAS approprié pour trouver des marqueurs moléculaires associés à des traits liés au rendement cohérents au cours des saisons de récolte dans une population reproductrice. Les clones de canne à sucre ont été génotypés avec des marqueurs DArT (Diversity Array Technology) et TRAP (Target Region Amplified Polymorphism), et évalués pour le rendement de la canne (CY) et la teneur en sucre (SC) à deux endroits au cours de trois cycles de culture successifs. La cartographie GWAS a été appliquée dans un nouveau cadre de modèles mixtes tenant compte de la structure de la population avec des scores d'analyse en composantes principales comme composante aléatoire. Un total de 43 marqueurs significativement associés à la CY dans la canne à plantes, 42 dans le premier raton et 41 dans le deuxième raton ont été détectés. Parmi ces marqueurs, 20 ont été associés à la CY en 2 ans. De plus, 38 associations significatives pour le SC ont été détectées dans la canne à plantes, 34 chez le premier raton et 47 chez le deuxième raton. Pour la SC, une association marqueur-trait a été trouvée significative pour les 3 années de l'étude, tandis que douze marqueurs présentaient une association pendant 2 ans. Dans le modèle multi-QTL, plusieurs marqueurs avec un effet de substitution allélique important ont été trouvés. Les séquences de quatre marqueurs DArT ont montré une similitude et une valeur e élevées avec les séquences codantes de Sorghum bicolor, confirmant la microlinéarité élevée des gènes entre le sorgho et la canne à sucre. Contrairement à d'autres études GWAS sur la canne à sucre rapportées précédemment, la nouvelle méthodologie d'analyse des multi-QTL à travers des cycles de culture successifs utilisée dans la présente étude nous a permis de trouver plusieurs marqueurs associés à des traits pertinents. La combinaison des données d'essais phénotypiques existants et des caractérisations génotypiques de DArT et de marqueurs de PIÈGE dans une approche GWAS incluant la structure de la population en tant que covariables aléatoires peut s'avérer très réussie. De plus, les séquences du marqueur DArT associées aux traits d'intérêt ont été alignées dans les régions chromosomiques où des QTL de sorgho ont déjà été rapportés. Cette approche pourrait être un outil précieux pour aider à améliorer la canne à sucre et à mieux répondre à la demande de canne à sucre prévue pour les décennies à venir.

Translated Description (Spanish)

Los marcadores moleculares asociados con rasgos agronómicos relevantes podrían reducir significativamente el tiempo y el costo involucrados en el desarrollo de nuevas variedades de caña de azúcar. Los análisis previos de asociación de todo el genoma de la caña de azúcar (GWAS) han encontrado pocos marcadores moleculares asociados con rasgos relevantes en la etapa de caña de plantas. El objetivo de este estudio fue establecer un GWAS apropiado para encontrar marcadores moleculares asociados con rasgos relacionados con el rendimiento consistentes a lo largo de las temporadas de cosecha en una población reproductora. Los clones de caña de azúcar se genotipificaron con marcadores DArT (Diversity Array Technology) y TRAP (Target Region Amplified Polymorphism), y se evaluaron para determinar el rendimiento de caña (CY) y el contenido de azúcar (SC) en dos ubicaciones durante tres ciclos de cultivo sucesivos. El mapeo de GWAS se aplicó dentro de un nuevo marco de modelo mixto que contabiliza la estructura de la población con puntajes de Análisis de Componentes Principales como componente aleatorio. Se detectaron un total de 43 marcadores significativamente asociados con CY en caña de cultivo, 42 en primer ratoon y 41 en segundo ratoon. De estos marcadores, 20 se asociaron con CY en 2 años. Además, se detectaron 38 asociaciones significativas para SC en la caña de la planta, 34 en el primer ratoon y 47 en el segundo ratoon. Para SC, se encontró una asociación marcador-rasgo significativa para los 3 años del estudio, mientras que doce marcadores presentaron asociación durante 2 años. En el modelo multi-QTL se encontraron varios marcadores con gran efecto de sustitución alélica. Las secuencias de cuatro marcadores DArT mostraron una alta similitud y valor e- con las secuencias codificantes de Sorghum bicolor, confirmando la alta microlinealidad genética entre el sorgo y la caña de azúcar. En contraste con otros estudios de GWAS de caña de azúcar informados anteriormente, la nueva metodología para analizar multi-QTL a través de ciclos de cultivo sucesivos utilizada en el presente estudio nos permitió encontrar varios marcadores asociados con rasgos relevantes. La combinación de los datos de ensayos fenotípicos existentes y las caracterizaciones de marcadores genotípicos DArT y TRAP dentro de un enfoque GWAS que incluye la estructura de la población como covariables aleatorias puede resultar muy exitosa. Además, las secuencias del marcador DArT asociadas con los rasgos de interés se alinearon en regiones cromosómicas donde se han informado previamente QTL de sorgo. Este enfoque podría ser una herramienta valiosa para ayudar a la mejora de la caña de azúcar y una mejor oferta de la demanda de caña de azúcar que se ha proyectado para las próximas décadas.

Files

s12870-016-0829-x.pdf

Files (1.3 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:3a2d2bc86050037897dfdfc03aae6115
1.3 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
رسم خرائط الارتباط على مستوى الجينوم للسمات الكمية في مجموعة تكاثر قصب السكر
Translated title (French)
Cartographie d'association à l'échelle du génome des caractères quantitatifs dans une population reproductrice de canne à sucre
Translated title (Spanish)
Mapeo de asociación de todo el genoma de rasgos cuantitativos en una población reproductora de caña de azúcar

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2473575161
DOI
10.1186/s12870-016-0829-x

Is supplement to
https://openalex.org/W2899923417 (Other)
https://openalex.org/W2526080989 (Other)
https://openalex.org/W2501500664 (Other)
https://openalex.org/W2496196020 (Other)
https://openalex.org/W2466277340 (Other)
https://openalex.org/W2292625651 (Other)
https://openalex.org/W2281153838 (Other)
https://openalex.org/W2274573359 (Other)
https://openalex.org/W2183143918 (Other)
https://openalex.org/W2158919176 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1526424766
  • https://openalex.org/W1590152487
  • https://openalex.org/W1607965150
  • https://openalex.org/W1819387938
  • https://openalex.org/W1895254745
  • https://openalex.org/W1984390786
  • https://openalex.org/W1986800485
  • https://openalex.org/W1988794152
  • https://openalex.org/W1988861601
  • https://openalex.org/W1995625858
  • https://openalex.org/W1996347525
  • https://openalex.org/W1998220639
  • https://openalex.org/W2002786311
  • https://openalex.org/W2007179224
  • https://openalex.org/W2008360233
  • https://openalex.org/W2008867082
  • https://openalex.org/W2011890534
  • https://openalex.org/W2015848751
  • https://openalex.org/W2016900227
  • https://openalex.org/W202259544
  • https://openalex.org/W2022685385
  • https://openalex.org/W2025321991
  • https://openalex.org/W2026228219
  • https://openalex.org/W2034035479
  • https://openalex.org/W2034563343
  • https://openalex.org/W2038060063
  • https://openalex.org/W2043096801
  • https://openalex.org/W2044118127
  • https://openalex.org/W2047291194
  • https://openalex.org/W2055043387
  • https://openalex.org/W2056946864
  • https://openalex.org/W2057758736
  • https://openalex.org/W2061549418
  • https://openalex.org/W2063143061
  • https://openalex.org/W2063905531
  • https://openalex.org/W2071882637
  • https://openalex.org/W2072955548
  • https://openalex.org/W2074981513
  • https://openalex.org/W2076456692
  • https://openalex.org/W2083286240
  • https://openalex.org/W2084082847
  • https://openalex.org/W2084110906
  • https://openalex.org/W2086171487
  • https://openalex.org/W2086399523
  • https://openalex.org/W2089965194
  • https://openalex.org/W2093223140
  • https://openalex.org/W2100608447
  • https://openalex.org/W2101571374
  • https://openalex.org/W2104905104
  • https://openalex.org/W2108169091
  • https://openalex.org/W2109926114
  • https://openalex.org/W2112865582
  • https://openalex.org/W2114511908
  • https://openalex.org/W2115966575
  • https://openalex.org/W2116417303
  • https://openalex.org/W2118743560
  • https://openalex.org/W2120921505
  • https://openalex.org/W2127684760
  • https://openalex.org/W2134036574
  • https://openalex.org/W2134070988
  • https://openalex.org/W2143153648
  • https://openalex.org/W2145060333
  • https://openalex.org/W2155244871
  • https://openalex.org/W2156038375
  • https://openalex.org/W2157752701
  • https://openalex.org/W2158917022
  • https://openalex.org/W2161620511
  • https://openalex.org/W2163548414
  • https://openalex.org/W2164853371
  • https://openalex.org/W2165185356
  • https://openalex.org/W2169294950
  • https://openalex.org/W4240990629
  • https://openalex.org/W4250218730
  • https://openalex.org/W75908771