Novel organ-specific genetic factors for quantitative resistance to late blight in potato

Abstract

Potato is the third most important food around the world and is a basic for the food security and nutrition. The most devastating disease that affects this crop is late blight caused by Phytophthora infestans. Despite the progress made to understand the genetic mechanisms that underlie the quantitative resistance, still remain aspects to be known and clarified. The main objective of this research was to identify genetic regions associated with quantitative resistance to late blight in potato. The methodology employed for the analysis was Genome Wide Association Studies based on the identification of single nucleotide polymorphisms (SNPs). An association panel constituted by 150 genotypes that belong to Solanum tuberosum Group Phureja was assessed for its resistance to P. infestans in three environments. Two techniques were conducted for genotyping, one was GBS using two enzymes and the other was 2b Restriction site–associated DNA (2b-RAD). A matrix of 87,656 SNP was employed together with the phenotypic evaluation using the variable area under disease progress curve. The resistance trait of the genotypes was associated with SNPs distributed across the whole potato genome. The association analyses were conducted using a mixed model approach. The genotypic characterization of the Group Phureja did not show the presence of highly differentiated subgroups, from which the absence of population structure is inferred. However, a deviation from the Hardy-Weinberg equilibrium condition was found, due to an excess of heterozygous in the sample. In addition, differences were observed in the levels of infection of P. infestans between the leaves and the stems of the evaluated genotypes, which contributes to the dissection of organ-specific resistance to this pathogen. Finally, the association analysis reported 16 organ-specific QTL that confer resistance to late blight. These QTL explained from 13.7% to 50.9% of the phenotypic variance. These findings demonstrate the quantitative complexity of late blight resistance in potato. Likewise, it is necessary to continue exploring the genetic diversity within Group Phureja and its potential as a source of resistance within of the potato breeding program.

La papa es el tercer alimento más importante del mundo y es considerado como un alimento básico para la seguridad alimentaria y la nutrición. La enfermedad más devastadora que afecta el cultivo de papa es la gota o tizón tardío causada por Phytophthora infestans. A pesar de los avances realizados para comprender los mecanismos genéticos que subyacen a la resistencia cuantitativa a esta enfermedad, aún muchos aspectos deben ser conocidos y clarificados. El objetivo principal de esta investigación fue identificar regiones genéticas asociadas con la resistencia cuantitativa a la gota en papa. La metodología empleada fue Asociación Amplia del Genoma basada en la identificación de polimorfismos de un solo nucleótido (SNP). Un panel de asociación constituido por 150 genotipos pertenecientes al Grupo Phureja de Solanum tuberosumse evaluó por su resistencia a P. infestansen tres ambientes diferentes. Dos técnicas se realizaron para el genotipaje una fue Genotipaje por Secuenciación (GBS) utilizando dos enzimas de restricción y la otra fue Sitio asociado a la restricción de ADN(2b-RAD) con fragmentos producidos por endonucleasas tipo IIB. Se utilizó una matriz de 87,656 SNP junto con la evaluación fenotípica de la enfermedad, la que se realizó a nivel de tallo y hojas. Para esto se cuantificó como parámetro el área bajo la curva del progreso de la enfermedad. El rasgo de resistencia de los genotipos se asoció con los SNP distribuidos en todo el genoma de la papa. Los análisis de asociación se llevarona cabo utilizando un enfoque de modelo mixto. Los resultados de la caracterización genotípica del Grupo Phureja, no mostraron la presencia de subgrupos altamente diferenciados, de donde se infiere la falta de estructura poblacional. Sin embargo, se encontró una desviación a la condición de Equilibrio Hardy-Weinberg, debido a un exceso de heterocigotos en la muestra. Con la caracterización fenotípica se observaron diferencias en los niveles de infección de P. infestansentre las hojas y los tallos de los genotipos evaluados, lo que contribuye a la disección de la resistencia órgano-específica a este patógeno. Finalmente, el análisis de asociación reportó 16 QTL órgano-específicos que están involucrados en la resistencia a gota. Estos QTL explicaron del 13.7% al 50.9% de la varianza fenotípica. Estos hallazgos demuestran la complejidad cuantitativa de la resistencia a gota en papa. De otro lado, es necesario continuar explorando la diversidad genética dentro de este Grupo y su potencial como fuente de resistencia dentro del programa de mejoramiento de papa. (Texto tomado de la fuente).