Selección asistida por marcadores (MAS) un ejemplo de su integración a un esquema clásico de mejoramiento en yuca (Manihot esculenta Crantz), en el desarrollo de materiales resistentes al virus del mosaico africano de yuca (CMD)

Abstract

La yuca (Manihot esculenta Crantz) es una de las principales fuente de alimento en África. Sin embargo, las producciones en el continente son bajas debido a que las variedades locales con excelentes características cualitativas para los consumidores, son susceptibles a plagas y enfermedades. La enfermedad del mosaico africano de la yuca (CMD, Cassava Mosaic Disease) es endémica y de gran impacto en el continente, ocasionando pérdidas de hasta el 90%. A pesar de los esfuerzos por introducir variedades resistentes a la enfermedad, la adopción de estos materiales ha sido lenta, con unas pocas excepciones donde hay oportunidades de mercado para el producto transformado, como ha ocurrido Nigeria. En Tanzania se ha implementado un esquema de mejoramiento con la contribución de los agricultores y el uso de herramientas biotecnológicas disponibles como Selección Asistida por Marcadores (MAS). La tecnología de MAS para CMD ha incluido estudios genéticos de la resistencia a CMD, seguido por la localización de genes de resistencia y el desarrollo de marcadores asociados al gen CMD2. Con el uso de esta herramienta (MAS) se espera acelerar el proceso de desarrollo de variedades y la eficiencia en la selección para cumplir el objetivo de brindarle a los agricultores variedades con buenas características culinarias, alto rendimiento y resistencia a CMD. Éste trabajo muestra una opción metodológica-práctica en la implementación de MAS para CMD en dos etapas claves dentro de un esquema general entre programas de Mejoramiento de Tanzania (ARI Mikocheni) y Colombia (CIAT), el cual ha combinado Genética molecular y Mejoramiento. En la primera etapa, MAS se implemento en la selección de 526 genotipos resistentes a CMD resultado de cruzamientos entre materiales elite de América latina y genotipos resistentes a CMD en CIAT. Estos genotipos se introdujeron en Tanzania para ser evaluados por mejoradores y agricultores; así se seleccionaron 44 genotipos para hacer cruzamientos con 35 variedades locales altamente valoradas (por sus características agronómicas y culinarias), generando 300 familias por polinización controlada y abierta. En la segunda etapa se empleo MAS en 3 pasos usando cuatro marcadores moleculares asociados al gen CMD2 (RME1, RME4, NS158 y NS169) para la selección de genotipos resistentes sobre las familias generadas. Primero los parentales de las familias fueron valorados como R (resistentes a CMD) o S (susceptibles a CMD). En segundo lugar, de acuerdo al polimorfismo entre los parentales (genotipos “introducidos” desde CIAT valorados R llevando el gen CMD2 y genotipos “variedades locales” evaluados como S) se seleccionaron las familias para implementar MAS. Por último, cerca de 1500 individuos de 68 familias de cruzamientos controlados y 71 de polinización abierta fueron evaluadas con MAS. En las familias de cruzamientos controlados entre el 69.8% y el 89.5% de los individuos fueron resistentes basados en 2 marcadores que flanquean el gen CMD, y en familias de 11 polinización abierta entre el 69.1% y el 83.8% La evaluación usando MAS indico que un 80% de todos los individuos fueron resistentes, esto coincidió con los resultados de la evaluación fenotípica (basada en el segundo ciclo). Los resultados sugieren que la heredabilidad de la resistencia a CMD en la estación de Chambezi, Tanzania, donde se hizo el fenotipificado, estuvo alrededor de 0.8 En Chambezi hay una alta presión natural de CMD por lo tanto los escapes pueden considerarse bajos, MAS incremento todavía la eficiencia en la selección en un 20% en comparación con solo el uso de selección fenotípica. Una coincidencia de 90% entre los resultados de MAS y el segundo año de evaluación fenotípica, sugiere por un lado, que el proceso de colecta, recogida de muestras y envío a CIAT para el genotipificado, y por otro lado, la cosecha, selección, y vuelta a sembrar en campo para el siguiente ciclo se llevo a cabo con muy bajas tasas de error experimental.

//Abstract:Cassava (Manihot esculenta Crantz) is one of the main sources of food supply in Africa. Although it is considered one of the staple crops in the continent, the yield is low because the local varieties with excellent qualitative attributes are susceptible to pest and diseases. Cassava Mosaic Disease (CMD) is endemic and it has a huge impact in the continent, causing up to 90% of lost in the yield of the crop. The adoption of improved varieties has been low in Africa, with few exceptions where there are market opportunities for the processed product, such as the case of Nigeria. Tanzania has implemented a breeding scheme with contribution of the farmers and the use of biotechnological tools available as Marker Assisted Selection (MAS). This technology for CMD has included genetics studies of resistance to CMD, followed by the location of resistance genes and the development of molecular markers associated with the gene CMD2. With the use of MAS, it is expected to speed up the process to develop new varieties and the efficiency in the selection. It will help to fulfill the final goal of providing the farmers with varieties combining good culinary attributes, high yield and resistance to CMD. This work shows a methodological-practical option to implement "MAS" for CMD in two main stages within a general scheme of a breeding program of Tanzania (Agricultural Research Institute ARI-Mikocheni) y Colombia (Cassava Genetics program, International Center for Tropical Agriculture - CIAT). It has combined Molecular Genetics and Plant Breeding. In the first stage MAS was used for the selection of 526 genotypes with resistance to CMD; they were the result of crosses between Elite Latin American varieties and materials with resistance to CMD from CIAT. Those genotypes were introduced in Tanzania to be evaluated by breeders and farmers. 44 were selected to make new crosses with 35 Tanzanian Local varieties, highly appreciated by the local farmers for their culinary and agronomical characteristics and 300 families were generated from open and controlled crosses. In the second stage, MAS was implemented in three steps using four molecular markers linked to the gene CMD2 (RME1, RME4, NS158 y NS169) for the selection of resistant genotypes from the generated 300 families. In the first step the parents of each family were evaluated as R (Resistant to CMD) or S (Susceptible to CMD). In the second step, the families subjected to MAS were selected according to the polymorphism between the parents (parent introduced in Tanzania, evaluated as R and Local parent, evaluated as susceptible). In the last step, around 1500 individuals from 68 controlled crosses and 71 from open crosses were subjected to MAS. In families from controlled and open crosses, between 69.8% - 89.5% and 69.1% - 83.8% of the individuals were resistant to CMD respectively, based on the molecular evaluation with 2 markers flanking the gene CMD2. The evaluation using MAS indicated that 80% of all the individuals were resistant to CMD; this is consistent with the results from phenotypic evaluation (based on a second cycle). These results suggest that broad sense heritability for CMD resistance at the Chambezi station (Tanzania), where phenotyping was done, was about 0.8. In Chambezi there is a very high natural pressure of CMD, therefore escapes can be considered low. MAS increased even more the efficiency in selection by 20%, compared to the results just using phenotypic information in the selection. A 90% of coincidence between the results of MAS and the second year of phenotypic evaluation suggests that: 1) the process of sample collection, shipment to CIAT – Colombia for genotyping, and on the one hand, 2) harvesting, selection, and re-planting of the families in the second cycle, were conducted with very low rates of experimental error.