Mapping and cloning of quantitative trait loci for phosphorus efficiency in crops: opportunities and challenges

Resumo

Contexto

O fósforo (P) é um elemento mineral essencial demandado em grandes quantidades pelas plantas. Em todo o mundo, a disponibilidade de P em muitos solos é baixa. A criação de culturas que possam adquirir e utilizar esse recurso limitado com alta eficiência é uma meta importante para a sustentabilidade agrícola no futuro. O mapeamento e a clonagem de locos de características quantitativas (QTLs) são uma ferramenta eficaz para analisar os mecanismos genéticos subjacentes à eficiência de P e para criar variedades eficientes em P.

Escopo

Este artigo descreve o mapeamento de QTLs  relacionadas à eficiência de P que afetam a biomassa dos brotos ou o rendimento das culturas nos últimos 20 anos. Ele resume o progresso dos estudos sobre QTLs relacionados à eficiência de P das culturas e discute os desafios para a clonagem de QTLs. Propõe um esquema para desenvolver genótipos de culturas com maior eficiência de P. Também descreve métodos emergentes, como QTL-seq, análise de associação de todo o genoma e RNA-seq, que ajudam na rápida identificação de genes relacionados à eficiência de P em culturas.

Conclusão

As características que conferem eficiência de P são hereditárias. Assim, é possível incorporar a fenotipagem e a seleção para a eficiência de P em programas de melhoramento de culturas. A identificação de QTLs para características-alvo é uma etapa fundamental para aumentar a eficiência de P das culturas. Foram identificados vários QTLs que afetam a eficiência de P nas principais culturas, mas poucos genes causais foram identificados e a criação de variedades de culturas eficientes em P usando a seleção assistida por marcadores (SAM, ou Marker-Assisted Selection – MAS em inglês) não avançou muito. O desafio agora é identificar os genes específicos que controlam as características relacionadas à eficiência de P. A disponibilidade de sequências completas do genoma de mais culturas e a combinação de mapeamento de ligação convencional, mapeamento de associação, QTL-seq, transcriptômica e tecnologias de edição de genes podem acelerar a clonagem e a confirmação de genes subjacentes ao QTL que afetam as características relacionadas à eficiência de P. O conhecimento desses genes será útil para a criação de variedades de culturas eficientes em termos de P. O conhecimento desses genes será útil para revelar os mecanismos moleculares subjacentes à eficiência de P nas culturas, além de oferecer a oportunidade de melhorar a eficiência de P nas culturas por meio de SAM ou manipulação de genes.

Abstract

Background

Phosphorus (P) is an essential mineral element required in large quantities by plants. Globally, the availability of P in many soils is poor. Breeding crops that can acquire and utilise this limited resource with high efficiency is an important goal for agricultural sustainability in the future. The mapping and cloning of quantitative trait loci (QTLs) provides an effective tool in analyzing the genetic mechanisms underlying P efficiency and breeding P-efficient varieties.

Scope

This paper describes the QTL mapping of traits related to P efficiency which impact on shoot biomass or yield of crops in the past 20 years. It summarises the progress of studies on crop P-efficiency related QTLs and discusses the challenges for the cloning of QTLs. It proposes a scheme to develop crop genotypes with improved P efficiency. It also describes emerging methods, such as QTL-seq, genome-wide association analysis, and RNA-seq, that aid the rapid identification of P-efficiency related genes in crops.

Conclusion

Traits conferring P efficiency are heritable. Thus, it is feasible to incorporate phenotyping and selection for P efficiency in crop breeding programs. Identification of QTLs for target traits is a key step to enhancing the P efficiency of crops. Numerous QTLs have been identified that affect P efficiency in key crops, but few causal genes have been identified and breeding P-efficient crop varieties using marker-assisted selection (MAS) has not progressed far. The challenge now is to identify the specific genes controlling P-efficiency related traits. The availability of complete genome sequences for more crops, and the combination of conventional linkage mapping, association mapping, QTL-seq, transcriptomics and gene editing technologies can accelerate the cloning and confirmation of genes underlying QTL affecting P-efficiency related traits. Knowledge of these genes will be helpful in revealing the molecular mechanisms underlying P efficiency in crops, as well as providing the opportunity to improve crop P efficiency through MAS or gene manipulation.