Genetic basis for variation in seed nutritional traits in common beans
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Resumen
El frijol común (Phaseolus vulgaris L.), originario de América y ampliamente distribuido desde México hasta Argentina, es una importante fuente de proteína vegetal y nutrientes esenciales que contribuyen en seguridad alimentaria y en las dietas de los países latinoamericanos y africanos. Este estudio caracterizó la composición nutricional en la semilla de frijol de 300 accesiones domesticadas del Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT). La caracterización incluyó el contenido de nitrógeno, dos minerales (hierro y zinc), ocho flavonoides, fenoles totales, tres azúcares simples, tres oligosacáridos de la familia de la rafinosa (RFO) y ácido fítico. Además, se midió el contenido de nitrógeno en 100 accesiones silvestres. Como técnica de fenotipado no destructivo, se utilizó la Espectroscopia de Infrarrojo Cercano (NIRS), para obtener las firmas espectrales de 1,754 accesiones. Además se realizó el secuenciamiento por DArTseq de 1,360 accesiones domesticadas y 330 accesiones silvestres. Se observó una amplia variación de los contenido nutricional entre las accesiones. Los frijoles silvestres presentaron un mayor contenido de nitrógeno (33,14 g/kg) que los cultivados (31,09 g/kg). La estaquiosa (19,5 mg/g) fue el azúcar más predominante de RFO, mientras que la sacarosa (23,3 mg/g) fue el azúcar simple más abundante. Las accesiones andinas mostraron en promedio mayores niveles de hierro, sacarosa, azúcares totales, quercetin 3-glucósido and kaempferol 3-glucósido, mientras que las mesoamericanas presentaron mayor contenido de nitrógeno, rafinose, zinc, fenólicos totales y ácido fítico. Adicionalmente, se desarrollaron modelos predictivos utilizando las firmas espectrales y los datos destructivos para predecir el contenido de los compuestos nutricionales en las semillas. La predicción de nitrógeno alcanzó el mejor rendimiento (CCC = 0,84), seguida de una capacidad predictiva moderada para la rafinosa (CCC = 0,52), el ácido fenólico (CCC = 0,42) y miricetina 3-glucósido (CCC = 0,67). El análisis de la estructura poblacional confirmó la separación entre los acervos genéticos Andino y Mesoamericano. Se utilizó un conjunto de 25,036 SNPs para estudios de asociación de genoma completo, identificando trece genes asociados con el kaempferol 3-glucósido en ambos acervos genéticos y nueve genes en común asociados a rafinosa en el acervo genético Andino y con miricetina 3-glucósido en el acervo genético Mesoamericano.
El enfoque integrador del presente estudio combinó análisis destructivos y no destructivos con datos genéticos, lo que contribuyó a profundizar la comprensión de la base genética del contenido nutricional de las semillas de frijol común. Adicionalmente los recursos generados, aportan en la caracterización de la colección de frijol del banco de germoplasma del CIAT, siendo una fuente de información para futuros esfuerzos de biofortificación y mejoramiento genético del cultivo. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
The common bean (Phaseolus vulgaris L.), native to the Americas and widely distributed from Mexico to Argentina, is an important source of plant-based protein and essential nutrients, contributing to food security in the diets of Latin Americans and Africans. This study characterized the seed nutritional composition of 300 domesticated accessions from the International Center for Tropical Agriculture (CIAT) focusing on nitrogen, two mineral (iron and zinc), eight flavonoids, total phenolics, three simple sugars, three raffinose family oligosaccharides (RFOs), and phytic acid (PA). Also, nitrogen content was measured in 100 wild accessions. Near-Infrared Spectroscopy (NIRS), a non-destructive phenotyping technique, was used to capture spectral signatures from 1,754 accessions, and DArTseq sequencing was performed on 1,360 domesticated and 330 wild accessions. A wide variation was observed across accessions in nutritional content. Wild beans had a higher nitrogen content (33.14 g/kg) than cultivated beans (31.09 g/kg). Stachyose (19.5 mg/g) was the most prevalent sugar in beans, while sucrose (23.3 mg/g) was the most abundant simple sugar. Andean accessions showed, on average, higher levels of iron, sucrose, total sugars, quercetin 3-glucoside, and kaempferol 3-glucoside, while Mesoamerican accessions showed higher levels of nitrogen, raffinose, zinc, total phenolics, and phytic acid.
NIRS-based models were developed using four machine learning algorithms to predict compound contents in the seeds. Nitrogen prediction achieved the highest performance (CCC=0.84), followed by moderate predictive ability for raffinose (CCC=0.52), PA (CCC=0.42), and myricetin 3-glucoside (CCC=0.67). Genomic structure analysis confirmed the separation between Andean and Mesoamerican gene pools. A set of 25,036 high-quality SNPs was used for genome-wide association studies. Thirteen genes were associated with kaempferol 3-glucoside in both gene pools. Meanwhile, nine genes associated with raffinose in the Andean gene pool were associated with myricetin 3-glucoside in the Mesoamerican gene pool. Overall, this integrative approach, which combines destructive and non-destructive analyses with genetic data, enhances the understanding of the genetic basis of seed nutritional quality in common beans, thereby supporting the characterization of beans in the genebank, as well as future biofortification and breeding efforts.
Descripción
ilustraciones, diagramas, tablas