A Genetic Relationship between Phosphorus Efficiency and Photosynthetic Traits in Soybean As Revealed by QTL Analysis Using a High-Density Genetic Map

Resumo

A produtividade das plantas depende da fotossíntese, e o processo fotossintético depende do fósforo (P). A base genética da fotossíntese e da eficiência de P (EP) que afeta o rendimento foi caracterizada separadamente em várias plantas cultivadas. No entanto, a relação genética entre a EP e a fotossíntese ainda não foi elucidada. Neste estudo, usamos uma análise combinada de correlação fenotípica, mapeamento de ligação e análise de expressão para dissecar a relação entre EP e fotossíntese. Encontramos correlações fenotípicas significativas entre EP e características relacionadas à fotossíntese, especialmente sob baixo estresse de P. Um total de 172 locos de características quantitativas (QTL, do inglês Quantitative Trait Loci) para ambas as características foi detectado e classificado em 29 regiões genômicas. Foi detectado que 12 (41,4%) das 29 regiões estavam associadas às características relacionadas ao EP e à fotossíntese. Três QTLs principais, q14-2, q15-2 e q19-2, foram associados a ambas as características e explicaram de 6,6 a 58,9% da variação fenotípica. Um grupo de QTL específico para fotossíntese, q12-1, foi detectado em condições normais e de baixo P, sugerindo que os genes responsáveis por essa região foram menos afetados pelo estresse de baixo P e poderiam ser usados em programas de melhoramento de alta eficiência fotossintética. Além disso, vários genes candidatos com expressão diferencial significativa sob estresse de baixo P, como um gene de fosfatase ácida roxa (Glyma.19G193900) na região q19-2, foram considerados candidatos promissores envolvidos na regulação da EP da soja e da capacidade fotossintética. Nossos resultados revelam uma relação genética significativa entre EP e características fotossintéticas e revelam várias regiões genômicas importantes específicas ou comuns a essas características. Os marcadores intimamente ligados a esses QTLs principais podem ser usados para a seleção de variedades de soja com melhor eficiência de P e capacidade fotossintética.

Abstract

Plant productivity relies on photosynthesis, and the photosynthetic process relies on phosphorus (P). The genetic basis of photosynthesis and P efficiency (PE) affecting yield has been separately characterized in various crop plants. However, the genetic relationship between PE and photosynthesis remains to be elucidated. In this study, we used a combined analysis of phenotypic correlation, linkage mapping, and expression analysis to dissect the relationship between PE and photosynthesis. We found significant phenotypic correlations between PE and photosynthetic related traits, particularly under low P stress. A total of 172 QTLs for both traits were detected and classified into 29 genomic regions. 12 (41.4%) of 29 regions were detected to be associated with both PE and photosynthetic related traits. Three major QTLs, q14-2, q15-2, and q19-2, were found to be associated with both traits and explained 6.6–58.9% of phenotypic variation. A photosynthetic-specific QTL cluster, q12-1, was detected under both normal and low P conditions, suggesting that genes responsible for this region were less effected by low P stress, and could be used in high photosynthetic efficiency breeding programs. In addition, several candidate genes with significantly differential expression upon low P stress, such as a purple acid phosphatase gene (Glyma.19G193900) within q19-2 region, were considered as promising candidates involved in regulating both soybean PE and photosynthetic capacity. Our results reveal a significant genetic relationship between PE and photosynthetic traits, and uncover several major genomic regions specific or common to these traits. The markers linked closely to these major QTLs may be used for selection of soybean varieties with improved P efficiency and photosynthetic capacity.