Loci de caracteres cuantitativos (QTLs) de la soja (Glycine max L. Merr) asociados a su capacidad de nodular y fijar nitrógeno - Salvucci, Rubén Darío (2015)
La soja (Glycine max L. Merr) es la leguminosa más importante cultivada a nivelmundial y en Argentina que, junto con Estados Unidos y Brasil, son los paises quelideran la producción y el comercio de esta oleaginosa. Para obtener materiales conaltos rendimientos en las producciones agrícolas, el N se incorpora por medio de lafertilización química y/o biológica. Esta última tiene ventajas por sobre la fertilizaciónquímica ya que presenta menores riesgos para la contaminación del medio ambiente ycontribuye a un manejo sustentable. Ésta consiste en adicionar bacterias del suelo Gram (-) del género Bradyrhizobium que tienen la capacidad de interaccionar con lasraíces de la planta, como resultado de lo cual, desarrollan estructuras denominadosnódulos, en los cuales la bacteria fija nitrógeno. La soja usa casi todo el nitrógeno fijadoen la producción de granos. Las compañías de inoculantes se han focalizado enproducir formulados con cepas de bacterias seleccionadas que fijen más eficientementeel N y que puedan ser utilizadas en una amplia variedad de leguminosas. Sin embargo,el foco del mejoramiento en leguminosas ha sido principalmente el rendimiento y laresistencia a factores abióticos y bióticos. Desde 1950 se han caracterizado variosgenes involucrados en el reconocimiento de las señales disparadas por los rizobios y lasdistintas etapas de la infección y nodulación. Sin embargo, los caracteres capacidad denodulación y de fijación biológica de nitrógeno (FBN) presentan una arquitectura genética compleja, y además depende de la interacción planta-bacteria y del ambiente. Debido al gran tamaño y complejidad del genoma de la soja, todavía resta identificargenes de la planta involucrados en la nodulación y fijación de nitrógeno. Por lo tanto, enel objetivo del presente trabajo de tesis fue identificar a los loci de caracterescuantitativos (QTLs) asociados a la capacidad de nodulación de la soja, de manera dedisponer de la información y de los marcadores moleculares que permitan mejorar alhospedante en lo que hace a la nodulación y por ende a la fijación de nitrógeno. Paraello se analizó la habilidad de 31 cultivares comerciales argentinos de soja paradesarrollar nódulos cuando estos fueron inoculados con una mezcla de las cepas Bradyrhizobium japonicum SEMIA 5079 (CPAC 7) y SEMIA 5080 (CPAC 15). Losexperimentos se realizaron en condiciones controladas de luz y temperatura. Seutilizaron para evaluar la capacidad de nodulación tres variables cuantitativas: númerode nódulos (NN), peso seco de nódulos (PSN) y peso seco de la parte aérea de laplanta (PSA). Los resultados permitieron seleccionar cultivares con alta, media y bajacapacidad de nodulación. En un segundo experimento se confirmó la respuestadiferencial para la capacidad de nodulación y en un tercer experimento se comprobóque la capacidad de nodulación no es dependiente de la cepa inoculada ya que loscultivares de alta y baja capacidad de nodulación mostraron el mismo fenotipo cuandofueron inoculados con la estirpe E109. Los cultivares con alta capacidad de nodulartuvieron el doble de nódulos que aquellos con menor capacidad, confirmando resultadosde trabajos previos. Además, se demostró la existencia de una variabilidad fenotípicaamplia para las variables estudiadas. Los resultados señalaron valores medianos a altosde heredabilidad H2, siendo la variable NN la que denotó mayor variabilidad genética. Larespuesta de la planta a la inoculación con una concentración determinada de bacteriasestuvo condicionada al número de bacterias inoculadas. Un aumento en laconcentración de células bacterianas resultó en un incremento del número de nódulos,hasta una concentración umbral, por encima de la cual la nodulación fue inhibida, lo queprobablemente esté vinculado al mecanismo de “quorum sensing”. Esto último seobservó tanto en los dos cultivares de alta como en los dos de baja capacidad denodulación. La densidad celular de los rizobios no alteró la respuesta al comparar loscultivares a la inoculación. Luego se procedió a caracterizar la diversidad genética delos cultivares argentinos de alta y baja capacidad de nodulación por medio de SSRsligados a QTLs asociados a nodulación en cultivares brasileros. Se determinó laasociación de estos marcadores con la capacidad de nodulación y otras característicasagronómicas de los cultivares de soja y se identificó la generación parental concapacidad de nodulación contrastante para que a partir del cruzamiento entre ellas seobtenga poblaciones segregantes aplicables al análisis de QTLs. Se encontrópolimorfismo para 10 marcadores SSR. En los cultivares argentinos e encontróasociación entre la capacidad de nodulación y los marcadores SSR definidos por loscultivares brasileros. Metodologías de análisis multivariados permitieron tomar ladecisión de seleccionar un cultivar de alta nodulación (NA 5485 RG) y uno de bajanodulación (A 7053 RG). Éstos fueron los parentales que se utilizaron para generar lapoblación segregante F2:3 como población de mapeo. En la generación F2 se realizó elgenotipado de los individuos a partir de ADN foliar con un “screening” de 221marcadores SSR a lo largo del genoma de los cuales sólo 36 fueron polimórficos. Seconstruyó un mapa genético parcial conteniendo 5 grupos de ligamiento. El fenotipadose realizó sobre 94 familias F3 en un ensayo de nodulación en condiciones controladasde luz y temperatura y se evaluaron los caracteres cuantitativos que definen lacapacidad de nodulación: número de nódulos (NN), peso seco de nódulos (PSN) y pesoseco de nódulo por nódulo (PSNN) calculado como PSN/NN. También otros caracteresrelacionados con el crecimiento de la planta fueron considerados: la biomasa seca dehojas (PSH) y biomasa seca de tallo (PST) y la suma de ambas, peso seco de la parteaérea (PSA). Se realizó un análisis de correlaciones entre las variables y de coeficientesde paso. A partir de una matriz básica combinada con los datos genotípicos (SSR) yfenotípicos se realizó finalmente el análisis mapeo de QTLs para estos caracteresmediante tres metodologías: por locus simple (ANOVA y regresión), por intervalo (SIM)e intervalo compuesto (CIM). Los resultados encontrados para la mayoría de los QTLs ysus efectos génicos coincidieron en general por los dos primeros métodos. Se pudoconfirmar que el QTL Satt414 se asoció a NN y PSN (locus simple). Se concluyó que lasvariables asociadas a capacidad de nodulación en la población F3, presentaron altosvalores de varianza genética y heredabilidad. Se localizaron QTLs para las variablesestudiadas que explicaron valores mayores al 15% de la varianza fenotípica total de lapoblación segregante. Se observó una segregación transgresiva para la mayoría de lasvariables asociadas a capacidad de nodulación. Se probó asociación en acoplamiento entre variables relacionadas con la capacidad de nodular y el aumento de la biomasa. Para caracteres de capacidad de nodulación, se localizaron QTLs en los siguientesgrupos de ligamiento: GL H para NN; PSN y PSNN; GL D1b para NN; GL A2 para NN; GL J para NN y PSN; GL B2 para PSN y PSNN; GL B1 para PSNN, GL C1 para PSNN. Estos QTLs explicaron entre 12.2-13.4% de la variación fenotípica total. Para caracteresde biomasa, relacionados con la FBN, se localizaron QTLs en los siguientes grupos deligamiento: GL H para AP y PST; GL M para AP. GL D1b para AP, PST, PSA y PSH; GL B2 para AP; GL N para PSA. GL L para PSA; GL G para PSH. Estos QTLs explicaronentre 8.3-25.6% de la variación fenotípica total. Si bien la metodología aplicada permitiólocalizar algunos QTLs de nodulación en intervalos. Estas regiones deberían saturarsecon otros marcadores de mayor eficiencia y variabilidad como los SNPs. Una mayorsaturación conjuntamente con la información disponible sobre el genoma de la soja y losbancos de ESTs permitirán identificar genes candidatos relacionados con el carácter enestudio. Estos resultados aportan herramientas útiles como punto de partida pararealizar mejoramiento asistido por marcadores para la capacidad de nodular y fijarnitrógeno en soja promoviendo rendimientos superiores bajo una agricultura sustentable.