Quantitative trait loci for root architecture traits correlated with phosphorus acquisition in common bean

Resumo

A baixa disponibilidade de P no solo é uma das principais restrições à produção de feijão (Phaseolus vulgaris L.) na América Latina e na África. Uma variação genotipica substancial na adaptação do feijão à disponibilidade de baixo teor de fósforo (LP) tem sido associada a características radiculares que aumentam a eficiência da forrageação no solo. Os objetivos deste estudo foram identificar os loci de traços quantitativos (QTLs) para o acúmulo de P e traços arquitetônicos associados, facilitar a melhoria genética e revelar relações fisiológicas. Oitenta e seis linhagens recombinantes de F5.7 (RILs) foram desenvolvidas a partir de um cruzamento entre G19833, uma landrace andina com alta acumulação total de P, e DOR 364, uma cultivar mesoamericana com baixa acumulação total de P em condições de LP. Um mapa genético construído com polimorfismos de comprimento de fragmento de restrição (RFLPs), microssatélites e marcadores baseados em PCR cobrindo 1703 centimorgans (cM) distância genética total e todos os onze grupos de ligação (LGs) foi usado para a análise QTL. Setenta e um RILs foram avaliados no campo em alto fósforo (HP) e LP para acúmulo de P, comprimento total da raiz (RL), RL específico e peso seco da planta (DW), enquanto todos os 86 RILs foram avaliados em um sistema hidropônico na estufa para torneira, RL basal, total e específica e planta DW. Acúmulo de fósforo no campo correlacionado com os parâmetros radiculares medidos na estufa. Um total de 26 QTLs individuais foram identificados para o acúmulo de P e caracteres radiculares associados usando a análise de mapeamento de intervalo composto (CIM). Os QTLs de acúmulo de fósforo muitas vezes coincidiram com aqueles para o desenvolvimento da raiz basal, portanto, as raízes basais parecem ser importantes na aquisição de P. Foram identificados QTLs independentes para desenvolvimento basal e tardio, e para RL específico. Os QTLs distintos para maior RL específica tiveram efeitos positivos, nulos e negativos no acúmulo de P. Nossos resultados confirmam a importância da estrutura radicular para a adaptação do LP e destacam a necessidade de um entendimento mais detalhado dos traços arquitetônicos radiculares para seleção fenotípica e assistida por marcadores de culturas mais eficientes em P.

Abstract

Low soil P availability is a primary constraint to common bean (Phaseolus vulgaris L.) production in Latin America and Africa. Substantial genotypic variation in bean adaptation to low phosphorus (LP) availability has been linked with root traits that enhance the efficiency of soil foraging. The objectives of this study were to identify quantitative trait loci (QTLs) for P accumulation and associated root architectural traits, to facilitate genetic improvement and to reveal physiological relationships. Eighty-six F_5.7 recombinant inbred lines (RILs) were developed from a cross between G19833, an Andean landrace with high total P accumulation, and DOR 364, a Mesoamerican cultivar with low total P accumulation in LP conditions. A genetic map constructed with restriction fragment length polymorphisms (RFLPs), microsatellites, and PCR-based markers covering 1703 centimorgans (cM) total genetic distance and all eleven linkage groups (LGs) was used for QTL analysis. Seventy-one RILs were evaluated in the field at high phosphorus (HP) and LP for P accumulation, total root length (RL), specific RL, and plant dry weight (DW), while all 86 RILs were evaluated in a hydroponic system in the greenhouse for tap, basal, total, and specific RL and plant DW. Phosphorus accumulation in the field correlated with root parameters measured in the greenhouse. A total of 26 individual QTLs were identified for P accumulation and associated root characters using composite interval mapping (CIM) analysis. Phosphorus accumulation QTLs often coincided with those for basal root development, thus, basal roots appear to be important in P acquisition. Independent QTLs were identified for basal and taproot development, and for specific RL. Distinct QTLs for greater specific RL had positive, null and negative effects on P accumulation. Our results confirm the importance of root structure for LP adaptation and highlight the need for a more detailed understanding of root architectural traits for phenotypic as well as marker-aided selection of more P-efficient crops.