Population structure and genome-wide association studies in bread wheat for phosphorus efficiency traits using 35 K Wheat Breeder’s Affymetrix array

Resumo

A biodisponibilidade do fósforo (P) no solo é uma grande preocupação para a produtividade das culturas em todo o mundo. Como os fertilizantes fosfatados são um recurso não renovável associado a problemas econômicos e ambientais, a opção sustentável é desenvolver variedades de culturas eficientes no uso de P. Fenotipamos 82 acessos diversos de trigo (Triticum aestivum L.) no solo e em hidroponia com baixo e suficiente P. Para identificar as regiões gênicas para as características de eficiência de P, os acessos foram genotipados usando a matriz 35 K-SNP e foi realizado um estudo de associação de todo o genoma (GWAS). Os SNPs de alta qualidade nos genomas foram distribuídos uniformemente com valores de conteúdo de informações polimórficas variando entre 0,090 e 0,375. A análise da estrutura revelou três subpopulações (C1, C2, C3) e as respostas fenotípicas dessas subpopulações foram avaliadas quanto às características de eficiência de P. A subpopulação C2 apresentou os valores mais altos de variância genética e herdabilidade para várias características agronômicas importantes, bem como uma forte correlação em ambos os níveis de P no solo e na hidroponia. O GWAS revelou 78 associações entre marcadores e características (MTAs), mas somente 35 MTAs passaram pela correção de Bonferroni. Um total de 297 genes candidatos foi identificado para essas MTAs e sua anotação sugeriu seu envolvimento em vários processos biológicos. Dos 35, nove (9) MTAs controlavam características poligênicas (dois controlavam quatro características, um controlava três características e seis controlavam duas características). Esses MTAs multitraço (cada um controlando dois ou mais de dois traços correlacionados) poderiam ser utilizados para melhorar o trigo para pão para tolerar o estresse de baixo P por meio da seleção assistida por marcadores (SAM).

Abstract

Soil bioavailability of phosphorus (P) is a major concern for crop productivity worldwide. As phosphatic fertilizers are a non-renewable resource associated with economic and environmental issues so, the sustainable option is to develop P use efficient crop varieties. We phenotyped 82 diverse wheat (Triticum aestivum L.) accessions in soil and hydroponics at low and sufficient P. To identify the genic regions for P efficiency traits, the accessions were genotyped using the 35 K-SNP array and genome-wide association study (GWAS) was performed. The high-quality SNPs across the genomes were evenly distributed with polymorphic information content values varying between 0.090 and 0.375. Structure analysis revealed three subpopulations (C1, C2, C3) and the phenotypic responses of these subpopulations were assessed for P efficiency traits. The C2 subpopulation showed the highest genetic variance and heritability values for numerous agronomically important traits as well as strong correlation under both P levels in soil and hydroponics. GWAS revealed 78 marker-trait associations (MTAs) but only 35 MTAs passed Bonferroni Correction. A total of 297 candidate genes were identified for these MTAs and their annotation suggested their involvement in several biological process. Out of 35, nine (9) MTAs were controlling polygenic trait (two controlling four traits, one controlling three traits and six controlling two traits). These multi-trait MTAs (each controlling two or more than two correlated traits) could be utilized for improving bread wheat to tolerate low P stress through marker-assisted selection (MAS).