mejora genética de la cebada · pdf filemejora genética de la cebada la...

MEJORA GENÉTICA DE LA

CEBADA

La selección para maltería

José Luis Molina Cano* William T.B. Thomas**

J. Stuart Swanston** y los miembros del Programa Nacional Español

de Mejora de Cebadas***

*Jubilado. España

**The James Hutton Institute, Dundee, Gran Bretaña ***IRTA-UdL, EEAD-CSIC, ITACyL, ITAP, España

1

El Programa Nacional Español de Mejora de Cebadas

2

MEJORA PREVIA

Larga duración

Financiado con fondos públicos

Uso de las técnicas más avanzadas

Un programa de mejora públicamente financiado

3

MEJORA

PREVIA

LA COLECCIÓN

NUCLEAR DE

CEBADAS

ESPAÑOLAS

4

El carácter único del germoplasma autóctono español

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

-0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6PC

O3

PCO1

European2r spring

European6r winter

European 2r winter

Landraces Spain & North Africa

“Manchurian” types(6r spring)

PCO plots of 1000 lines from AGOUEB, ExBARDIV, MABDE & Molina-Cano set of accessions genotyped with bOPA1. Constructed with simple matching coefficients of all SNPs (1536 SNPs)

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

-0,5 0 0,5

PCO1

PC

O2

2 row

6 row

spring

winter

5

El carácter único del germoplasma autóctono español

0 0.2

MOR_V

MOR_VMOR_VMOR_V

MOR_VMOR_V

MOR_V

MOR_V

MOR_VMOR_V

MOR_VMOR_V

MOR_VMOR_V

MOR_VMOR_V

MOR_VMOR_V

MOR_V

MOR_VMOR_V

MOR_V

MOR_V

MOR_V

MOR_V

MOR_V

MOR_V

MOR_V

MOR_VMOR_V

MOR_V

MOR_V

MOR_V

MOR_V

MOR_V

MOR_V

MOR_S

MOR_S

MOR_SMOR_SMOR_S

MOR_S

MOR_S

MOR_S

ISR_S

ISR_S

ISR_S TUR_STUR_S

CYP_S

AFG_S

AFG_S

IRN_SIRN_SIRN_S

CRE_S

ISR_SAFG_S

IRN_S

LIB_S

IRQ_S

IRQ_SAFG_S

ETH_S

LIB_S

SPA_V

SPA_VSPA_VSPA_VSPA_V

ETH_V

ETH_VETH_V

ETH_V

ETH_V

ETH_V

ETH_V

ETH_V

ETH_V

ETH_VETH_V

ETH_VETH_VETH_V

ETH_V

LIB_V

LIB_V

LIB_V

LIB_VLIB_V

LIB_V

LIB_V

LIB_VLIB_V

AGRO

AGROAGROAGRO

AGRO

AGRO

AGROAGRO

AGRO

100

7888

100

97

53

10095

100

736574

75

100100

100

6299

100

91

62

91

50

56

62

58

82

51

96

85

59

86

50

75

100

10094

100

63

10096

100

5174

51

6

Colección Nuclear de Cebadas Españolas (www.eead.csic.es/EEAD/barley/index.php) 175 entradas de ellas 159 líneas de poblaciones locales y 16 cultivares

7

Colección Nuclear de Cebadas Españolas (www.eead.csic.es/EEAD/barley/index.php) 175 entradas de ellas 159 líneas de poblaciones locales y 16 cultivares

8

Colección Nuclear de Cebadas Españolas (www.eead.csic.es/EEAD/barley/index.php)

10

Colección Nuclear de Cebadas Españolas (www.eead.csic.es/EEAD/barley/index.php

Molecular characterization • 65 SSRs • 1,536 SNPs from BOPA1 11

12

Explotación del gran potencial de diversidad genética existente en la Colección Nuclear.

54 poblaciones de BC1F2 desarrolladas anteriormente: • 27 entradas CNCE, seleccionadas por caracteres específicos. • Retrocruzadas en todos los casos con nuestra variedad Cierzo, y un segundo juego

con los parentales élite Orria o Plaisant.

Incorporación anual al programa de ocho poblaciones. Tratamiento similar a F2.

Obtención simultanea del juego BC2F2.

Materiales desarrollados hasta el momento:

GeneraciónProyecto

anterior

Campaña

2009-10

Campaña

2010-11

Campaña

2011-12

Total Proyecto

RTA-2009

Campaña

2012-13

Obt. Retrocruz. 54-BC1 0 2-BC2 2-BC2 4-BC2 2-BC2

F2-Core 16 8 BC1 8 BC1 8 BC1+2 24-BC1 y 2-BC2 8 BC1+2

F3-Core 1.260 984 1440 900 3.324 1080

F4-Core 315 185 193 693 107

F5-Core 93 110 203 65

F6-Core 52 52 15

F7-Core 13

MEJORA

PREVIA COLECCION

NUCLEAR

NUEVA VARIABILIDAD

Recombinación

Poblaciones

Originalidad

13

MEJORA

PREVIA COLECCION

NUCLEAR NUEVA VARIABILIDAD

Herramientas

moleculares Respuesta a

estreses

Adaptación

estacional

MATERIAL

ELITE

14

Búsqueda de la adaptación estacional en la Colección Nuclear Española

SPANISH 6-row

REFERENCE 6-row

SPANISH 2-row

REFERENCE 2-row

K=2

K=3

K=4

Final populations

Groups a priori

K=2 K=2

K=3

Subpop. IV-1

Subpop. IV-2

Subpop. III-3

Subpop. III-2

Subpop. III-1

Pop. IV

Pop. III

Pop. II

Pop. I

This genetic diversity is strongly correlated with climatic and latitudinal factors. Eco-geographic adaptation has been demonstrated: HvFT1 (Vrn-H3)

Allelic variation in Vrn-H1 is partially responsible of the seasonal adaptation of the Spanish landraces. There is a gradual vernalization response in the winter types.

Molecular marker diversity analysis has revealed the existence of four clearly separated groups within the old Spanish landrace material

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Typical winter VrnH1-6 VrnH1-4 Typical spring

Day

s to

hea

din

g

VrnH1 allele

0 days

15 days

30 days

45 days

42°N

38°N

36°N

40°N

135_146_AG

135_146_TC

139_142_AG

139_142_TC

Canary Islands

15

Scald Net blotchPowdery mildew

Leaf rust BYDV BaMMV

Resistant/tolerant Susceptible

2. QTL mapping populations:

3. High resolution mapping populations

PIC2

5-1

0,0

Bmag

021

3,3

GBM

1126

5,

4 S9

202

12,7

G

BM10

60

17,6

Bm

ag20

6 20

,9

scss

r079

70b

23,7

Hv

M04

29

,2

scss

r079

70

0,0

GBM

1464

3,

4 Hv

SS1

9,3

scss

r158

64

31,2

Bmac

064

53,5

GBM

1102

62

,9

Ebm

ac07

55

0,0

Bmac

156

14,7

G

BM14

56

21,7

HvM

05

29,6

sc

ssr0

4056

32

,9

HvG

LB2

39,8

F5&F

6-7H

1. Disease screening in the SBCC

New QTL detected, PM

Three populations. PlaisantxSBCC097(L151): 2500 plants, 123 recombinants in 4 cM

4. Fine search through synteny

• SBCC097 x Plaisant, powdery mildew • SBCC145 x Beatrix, powdery mildew, scald • SBCC154 x Beatrix, scald

Genome zipper

Project ExpResBar Plant-KBBE

Búsqueda de resistencia a enfermedades en la Colección Nuclear

16

MEJORA

PREVIA VARIABILIDAD

NUEVA

Herramientas

moleculares Adaptación

estacional

MATERIAL

ELITE

PROGRAMA DE

MEJORA

Selección de parentales

asistida por marcadores

COLECCION

NUCLEAR

Respuesta a

estreses

17

As examples, , we can see in marker Bmac132 of 2H, allele 189 conferring poor adaptation caused by late heading; allele 131 of marker HvBAMY of 4H, of Spanish origin, confers good seasonal adaptation ; finally, allele combination 182-201 of markers Bmag006 and 136 indicates a yield QTL.

Selección de parentales asistida por marcadores moleculares

18

Descripción del programa

19

Centros de mejora del programa nacional de cebada

20

Una de nuestras estaciones en 2005 (más de 4 ha)

21

Estación principal de mejora de cebada en Albacete

22

Características principales

• Basado en un esfuerzo de mejora continuado

– Recombinación del material genético disponible

– Nuevas tecnologías, QTLs y genes candidatos …

– Se aplica ampliamente el concepto de masa crítica: • Hemos desarrollado más de 20.000 genotipos nuevos/año

• 10 centros de ensayo distribuidos por toda España

• Dando respuesta a las demandas sociales

23

ensayos F7

24

1. Creado en 1994 combinando los programas existentes en tres institutos públicos.

2. En su máximo desarrollo han participado cuatro grupos cubriendo todas las zonas cebaderas de España. Ahora solo son dos.

3. Más de 3.500 combinaciones distintas exploradas hasta el momento.

4. Más de 400.000 genotipos cribados hasta el momento.

5. Se trabajó varios años con dihaploides, pero no se continuó debido al pobre ratio beneficio/coste. 25

Parte de una F3

26

6. Cribado por calidad maltera desde F7. 7. Se genotipan molecularmente líneas avanzadas y

parentales potenciales desde hace 10 años. 8. Actualmente de lleva a cabo la introgresión de

segmentos cromosómicos (CILs), QTLs o genes procedentes de la Colección Nuclear española.

9. Se realizan estudios de aptitud combinatoria con

los parentales potenciales.

27

Presente esquema de cruzamientos

• Solamente 100 cruces/año.

• Intercruzamiento de líneas élite del propio programa.

• Introgresión de segmentos cromosómicos (CILs), QTLs o genes procedentes de la Colección Nuclear española.

• Cruzamiento con parentales extranjeros élite previamente ensayados en España y estudiada su aptitud combinatoria.

28

30

Generación

Genotipos

evaluados

1994-2009

Genotipos

evaluados

2009-2012

Genotipos

evaluados

1994-2012

Genotipos

evaluados

2013

Cruzamientos 3.469 350 3.819 74

Retrocruz. Core 8 4 12 2

F1 3.737 431 4.168 71

F2 3.248 325 3.573 98

F2retros Core 16 24 40 10

F3 403.566 63.900 467.466 11.400

F4 40.663 6.806 47.469 1.593

F5 11.242 2.387 13.629 480

F6 3.045 718 3.763 160

F7 854 180 1.034 40

F8 389 96 485 24

F9 183 48 231 12

F10 129 26 155 6

Variedades

registradas5 2 7

Relación de materiales generados y seleccionados hasta el presente en el Programa Nacional de Mejora de Cebadas (1994-2013)

Análisis genético retrospectivo del programa de mejora

Grain yield(kg.ha-1)

Albacete 96.0 100.7 100.8 3626

Lleida 101.1 101.3 102.8 4179

Valladolid 99.0 102.2 102.8 3685

Zaragoza 97.6 103.3 107.5 3109

Overall 98.9 102.8 103.5

F8 F9 F10

En base a datos de rendimiento y floración de 349 líneas avanzadas (F8 a F10) Evaluadas en 163 ensayos. En un periodo de once años (1998-2008)

• Progreso evidente en el programa, aumentando los rendimientos relativos en cada generación, hasta superar a los testigos.

• Relación entre fecha de floración y rendimiento débil, en general, en todas las localidades en esta etapa avanzada del programa.

• Existe efecto de la interacción genotipo por ambiente, traducido en algunas diferencias en el comportamiento de los materiales, en determinados ambientes, posiblemente relacionados con el hábito de crecimiento.

31

Evolución del éxito de la mejora

1994-2005

Total genotipos evaluados 362.131

Genotipos evaluados/año 30.178

Variedades inscritas 2

2006-2010

Total genotipos evaluados 83.931

Genotipos evaluados/año 27.977

Variedades inscritas 3

32

Rdto medio (% testigos) en ensayos OEVV

Rendimiento de las cuatro últimas variedades inscritas

Cosecha de campo de 32 ha de Cierzo en Albacete (2011): 8,4 t/ha de rendimiento y 95% de grano de calibre mayor de 2,5 mm. Destinado a la maltería de Estrella de Levante (Murcia)

33

Resultados comerciales

• Cuatro variedades transferidas hasta ahora al sector empresarial.

• Cierzo, la variedad más adelantada en desarrollo comercial, ocupa más de 15.000 ha en 2012 (sembradas con semilla legal).

• Se producirá a escala industrial malta y cerveza de Cierzo en 2012.

34

Integrantes de los equipos participantes en el programa IRTA-UdL (Lérida): • J.L. Molina Cano, A. López, M. Moralejo, P. Muñoz, C. Martínez,

EEAD-CSIC (Zaragoza): • J.M. Lasa, P. Gracia, B. Medina, A. Casas, E. Igartua

ITACyL (Valladolid): • F. Ciudad, N. Aparicio, M. Hernández, T. Aparicio, J.L. Montoya

ITAP (Albacete): • P. López-Fuster, J. Escribano

35

FISIOLOGÍA, GENÉTICA Y GENÓMICA DE LA CALIDAD CERVECERA Y SU USO EN LA

MEJORA DE LA CEBADA

36

1. Introducción (1)

• ¿Qué es el malteado?

• No es, ni más ni menos, que un proceso de germinación semejante al natural, aunque las condiciones de humedad y temperatura se ajustan para optimizar el resultado.

• Al final, lo que se pretende es liberar los gránulos de almidón que se encuentran empaquetados en el endospermo y generar una cantidad suficiente de enzimas hidrolíticas.

• Este almidón será el sustrato principal sobre el que actuarán las enzimas hidrolíticas durante el braceado para generar azúcares simples, principalmente maltosa. Esta será convertida en alcohol y CO2 por las levaduras durante la fermentación.

37


• Los caracteres de calidad cervecera están, como casi todos los parámetros de valor económico, determinados por la influencia conjunta del genotipo y el ambiente.

• Y esto hace a nuestro proceso extremadamente complicado, pensemos que, a diferencia del trigo, hay aquí dos fenómenos biológicos sucesivos e independientes: la germinación y el braceado/fermentación (por cierto, en esta última aparece otro genotipo: el de la levadura).

• Simplificando diríamos que un buen genotipo necesita de un ambiente adecuado para expresar todo su potencial; sin embargo, un mal genotipo nunca producirá malta y cerveza de alta calidad-

38


• Lo dicho anteriormente nos anticipa la enorme dificultad que entraña la evaluación de la calidad en un programa de mejora, pues, aunque desde los primeros trabajos en Inglaterra y Canadá en los años 50 del pasado siglo se pusieran las bases que han conducido a las muy eficientes máquinas de micromalteo que existen hoy día, el coste y lo engorroso del trabajo técnico, lo hacen accesible a muy pocos.

• En muchos casos, como en el programa español, solamente se micromaltean muestras de las últimas generaciones.

39

Microestructura del grano de cebada De fuera hacia dentro, y en un corte dorsiventral, podemos distinguir las siguientes regiones:

• Lemma.

• Pericarpio.

• Testa.

• Aleurona.

• Endospermo amiláceo.

40

Corte dorsiventral del grano de cebada

41

Embrión

42

Corte transversal del grano

43

2. Componentes físicos y químicos de la calidad maltera (1)

• Los tres componentes principales del grano de cebada son almidón, β-glucanos y proteínas, que constituyen alrededor del 80% del peso del mismo.

• Estos grupos, en consecuencia, son los principales determinantes de la calidad maltero-cervecera.

• El almidón es el componente mayoritario (~60%) y se encuentra en forma de gránulos grandes (tipo A) y pequeños (tipo B), constituyendo los de tipo A el 90% del volumen.

• Es la combinación de dos polisacáridos, amilopectina (75%) y amilosa. La amilopectina, de cadena ramificada, se degrada más fácilmente que la amilosa, componente mayoritario en la cebadas tipo waxy.

• Los gránulos de almidón se encuentran en el interior de las células del endospermo y están embebidos en la matriz proteínica, constituida mayoritariamente por hordeínas.

44

Gránulos de almidón

45


• El polisacárido (1-3)(1-4)-β-D-glucanos (abreviadamente β-glucanos ) es el componente principal de las paredes de las células del endospermo de la cebada. Altos niveles del mismo son negativos porque dificultan la modificación del endospermo durante la germinación, al dificultar la difusión de enzimas.

• El desarrollo de métodos rápidos de análisis (Calcofluor, Megazyme…) permiten su evaluación eficaz en los programas de mejora.

• Actualmente, está muy en boga el uso de variedades ricas en β-glucanos, para fabricar complementos dietéticos para la alimentación humana, ya que reducen el colesterol en sangre.

46

Paredes de las células del endospermo

47


• Las proteínas del grano de cebada se dividen en cuatro fracciones: albúminas, globulinas, hordeínas y glutelinas, y suponen alrededor del 12% del peso seco del grano.

• Las hordeínas, proteínas de reserva, son la fracción mayoritaria y forman la matriz proteínica que envuelve a los gránulos de almidón dentro de las células del endospermo, encontrándose también en la subaleurona.

• Se dividen en cuatro fracciones B, C, D y γ, siendo las C mayoritarias cuantitativamente.

• Las albúminas, globulinas y glutelinas son fundamentalmente proteínas estructurales y metabólicas.

• El contenido de hordeínas C se ve fuertemente incrementado por el abonado nitrogenado y las situaciones de estrés hídrico y/o térmico (por ejemplo en climas mediterráneos).

48

Endospermo: matriz proteínica

49

Componentes físicos y químicos de la calidad maltera (4)

• Las enzimas hidrolíticas más relevantes son: endo-(1,3)(1,4)-β-glucanasa (abreviadamente β-glucanasa), endo y exo-peptidasas, α-amilasa, β-amilasa, α-glucoxidasa y dextrinasa límite.

• La β-glucanasa, que se genera durante la germinación, y cuya actividad está regulada tanto genética como ambientalmente, tiene como fin la degradación de los β-glucanos de las paredes celulares. Su acción en las células del endospermo libera los gránulos de almidón, haciéndolos así accesibles para las amilasas.

• Se compone de dos isoenzimas, ambas termolábiles, aunque existe un transgen de β-glucanasa termoestable.

• Las enzimas proteolíticas principales son las endo y exo-peptidasas, que, aunque existe poca información sobre estas y la calidad maltera en general, pueden ser un factor importante en las cebadas españolas por su más elevado contenido de proteína. Degradan la matriz proteínica.

50


• La α-amilasa es el producto de dos familias génicas, y se desarrolla en gran medida durante la germinación, es bastante termoestable y ataca los enlaces 1-4 del almidón.

• La β-amilasa ataca los extremos no reductores de las cadenas de almidón y una parte de ella se encuentra en el grano no-germinado, aunque otra parte se genera durante la germinación. Es bastante termolábil y tiene varias formas isoenzimáticas.

• La dextrinasa límite y la α-glucoxidasa liberan glucosa a partir de las oligodextrinas y maltosa. Ambas son muy termolábiles, por lo que el papel más importante en la hidrólisis del almidón corresponde a la α-amilasa.

51

Un éxito de la mejora para calidad cervecera: La cebada libre de lipoxigenasa (LOX-1 null)

• La cerveza fabricada con malta procedente de cebada libre de LOX-1 muestra niveles reducidos de ácido trihidrooctadecenoico y trans-2-nonenol.

• Esta cerveza es normal organolépticamente hablando pero envejece mucho más lentamente.

52

Null Lox

53

Barley Lipids

Trihydroxyoctadecenoic acid Trans-2-Nonenol

Lipoxygenase (LOX1)

Null Lox

54

Lipoxygenase (LOX1) X Biochemical Screen

Mutagenised Population Germplasm Collection


• El complejo sistema de síntesis de enzimas en el grano de cebada está regulado por un sistema hormonal antagonista, ácido giberélico (GA) y ácido abscísico (ABA).

• Simplificando mucho, podríamos decir que el GA acelera la germinación, mientras el ABA la retarda e incluso impide.

• El GA se sintetiza por el embrión y se exporta a la capa de aleurona para disparar la síntesis enzimática (sobre todo de α-amilasa).

• El ABA actúa como antagonista del GA y se encuentra tanto en el grano durmiente como en el mismo al final de la germinación.

• Aparte del contenido de estas hormonas existen diferencias en la sensibilidad a las mismas de las distintas variedades.

55

El efecto ambiental sobre la absorción de agua y el desarrollo del extracto: el modelo Norte-Sur (1)

• Los resultados de investigaciones propias sobre este tema, basados en años de comparaciones muy precisas entre cebadas cultivadas en el sur (Península Ibérica) y norte de Europa (Escocia y Escandinavia) y Norteamérica (Canadá) podemos resumirlos como sigue:

• La absorción de agua depende del contenido de hordeínas y β-glucanos.

• El ratio hordeínas B/hordeínas C se correlaciona negativamente con la absorción.

• Esta se ve facilitada por el contenido de β-glucanos solubles y dificultada por el de insolubles.

• En España se desarrollan más β-glucanasa y β-glucanos que en Escocia, por tanto éstos contribuyen positivamente al extracto. Algo semejante ocurre si comparamos Escandinavia con la Península Ibérica.

56

El efecto ambiental sobre los la absorción de agua y el desarrollo del extracto: el modelo

Norte-Sur (2)

• En Escocia proteína total y β-glucanos crecieron hasta 600 grados-día, en España hasta el final del período de crecimiento.

• En climas más cálidos el extracto decrece a tasa constante al aumentar la proteína total, en climas fríos lo hace a tasa creciente.

• La proteína total hace decrecer más el extracto en los países nórdicos que en la Península Ibérica.

• En un estudio España-Canadá, pudo verse que las cebadas españolas, a pesar de mostrar más elevadas proteína total y hordeínas produjeron más extracto que las canadienses debido a la mayor cantidad de enzimas hidrolíticas (amilolíticas, proteolíticas y citolíticas) generadas durante la germinación de las primeras.

57

La selección fenotípica y sus limitaciones

• Por todo lo dicho anteriormente, la selección fenotípica clásica para la calidad cervecera, p.ej. el micromalteo, tiene sus limitaciones, es decir, no son, en general, transferibles los resultados de un clima a otro muy diferente.

• De aquí que la selección basada en datos genéticos y genómicos pueda considerarse de aplicación más general.

• No obstante, cuando se selecciona para un ambiente concreto, el micromalteo es muy eficaz.

• Mucho cuidado, sin embargo, con aplicar el concepto de pyramiding a la calidad cervecera.

58

La genómica y la mejora de cebada cervecera (1)

• La mejora genética clásica ha contribuido a lo largo de décadas a la elevación de la calidad cervecera, notablemente del extracto y parámetros de modificación.

• Sin embargo en otros (p.ej. poder diastásico y β-glucanos del mosto) no es tan claro.

59

Malt Improvement with time

• Significant improvement in the spring crop

• Not significant in winter crop

Winter poorer than spring

290

295

300

305

310

315

1980 1985 1990 1995 2000 2005

Spring

Winter

60

65

70

75

80

85

90

95

100

1980 1985 1990 1995 2000 2005

Spring

Winter

Hot Water Extract Friability

60

Malt Improvement with time

60

80

100

120

140

160

180

1980 1985 1990 1995 2000 2005

Spring

Winter

50

100

150

200

250

300

350

400

450

1980 1985 1990 1995 2000 2005

Spring

Winter

Diastatic Power Wort B-Glucan

• No significant improvement in either crop

• Little difference between either crop for DP

• WB tends to have higher B-Glucan than SB

61


• Los QTLs para calidad cervecera, así como los genes candidatos potenciales, están repartidos por todo el genoma.

62

Malting quality QTLs

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

Fria

bility

Hom

og

1H

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

Fria

bility

H

WE

Fria

bility

F

riability

Hom

og

2H

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

Fria

bility

F

riability

F

riability

Hom

og

3H

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

Fria

bility

F

riability

Fria

bility

H

om

og

Fria

bility

HW

E

4H

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

Hom

og F

riability

Hom

og

Fria

bility

Fria

bility

5H

HW

E

Hom

og

HW

E H

WE

H

WE

H

WE

HW

E

HW

E

Fria

bility

Hom

og

6H

HW

E

HW

E

HW

E

HW

E

Fria

bility

H

WE

H

WE

Fria

bility

F

riability

Hom

og

7H

Malt QTL are everywhere on the

genome

See also Szucs et al. The Plant

Genome 2 :134-140

63


• El desarrollo de alineamiento de secuencias para más de 26.000 genes constituye un enorme recurso genómico, dada la facilidad de genotipado de alto rendimiento de SNPs, e incluso genotipado por secuenciación.

• Esto significa que ahora podemos ir desde un intervalo para un QTL dado hasta encontrar los correspondientes genes candidatos aunque no estén representados en chips.

64

Development of barley sequence

• Over 26,000 genes

aligned

• Physical & genetic

maps (inner 2 rings)

• Outer 5 rings illustrate

SNV variation of 5

genotypes compared

to reference (Morex)

• Arrow heads indicate

regions of low

diversity in genotypes

ISBC Nature 491, 711–716 65


• A partir de las plataformas Illumina BOPA (Barley Oligo Pooled Assay) se han incrementado enormemente las oportunidades para identificar genes candidatos en regiones conocidas por afectar la calidad.

• El enorme incremento de la eficacia y reducción del coste de estas técnicas de genotipado, han influído muy positivamente en las posibilidades de su aplicación a la selección para calidad cervecera.

66


• Estas nuevas técnicas están teniendo como consecuencia el abandono progresivo de las poblaciones biparentales (dihaploides, RILs,…) para pasar a los estudios de asociación del genoma completo (GWAS), que se basa en la tendencia de bloques completos de genes a ser transmitidos juntos (desequilibrio de ligamiento, LD).

• LD persiste en bloques de 2-3 cM en la cebada cultivada, lo que significa que una densidad de marcadores de uno por cM permita detectar asociaciones de marcadores con caracteres.

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• Los estudios de asociación sobre el genoma completo, GWAS, permiten usar grupos de genotipos (variedades locales, cultivares, líneas de mejora, etc), en lugar de poblaciones biparentales, para genotipar y fenotipar con el fin de localizar marcadores usables en la mejora para calidad cervecera.

68

Resources to find candidates

Use marker peak to find candidate genes under peak

Potential Candidate Marker

EEAD Zaragoza, Spain - http://floresta.eead.csic.es/barleymap/mapmarkers/

69


• No obstante la mayor parte de los estudios de asociación sobre el genoma completo (GWAS) están, por el momento, explicando simplemente lo que los mejoradores han logrado durante décadas por medio de análisis fenotípicos clásicos.

• Esto se advierte al comprobar que las regiones relevantes de los genes candidatos típicos en las variedades élite, están virtualmente ya fijadas. La pequeña variación restante es muy poco probable que sea funcional.

70

Chromosome 1H Candidates N

ot M

Q/M

Q

Agl3

CslF

9

HcG

lb

UK

Spring R

L 2

008

• Little variation in elite gene pool for known candidates

• Is what’s present functional?

• Has breeding/domestication led to the best balance? 71


• La aplicación de tecnologías de marcadores de alto rendimiento a germoplasma élite supone que puedan explorarse métodos de selección alternativos, como la selección genómica.

• La esencia de estos métodos consiste en estimar efectos alélicos para cada marcador genotipado, que al ser sumados sobre cada genotipo permitirían estimar un Valor de Mejora que nos podría ayudar a decidir qué cruces realizar.

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• Esta Selección Genómica sería muy interesante para la mejora para calidad maltera, pues nos permitiría realizar selección en las primeras generaciones segregantes, en lugar de al final del programa como, por ejemplo, nosotros en España hemos hecho hasta ahora.

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La genómica y la mejora de cebada cervecera ( 10)

• Hemos de ser cautos, sin embargo, a la hora de pensar que todo esto sea una panacea.

• Por ejemplo, la eficacia de la introgresión de caracteres de calidad en líneas élite adaptadas, dependería sobremanera del grado de ligamiento del marcador con el gen de interés.

• Idealmente el marcador debería basarse en el polimorfismo causante del carácter, pero esto es desconocido para muchos caracteres de calidad cervecera.

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• Por ejemplo, aunque el polimorfismo del locus BMY-1, que controla la actividad de β-amilasa, se conoce muy bien,

• estudios sobre germoplasma de mejora han demostrado que hay otros factores que también influyen

• y que el uso de marcadores no puede sustituir al conocimiento de la variación en la secuencia dentro del pool genético de mejora.

La genómica y la mejora de cebada cervecera ( 11)

75

La genómica y la mejora de cebada cervecera ( y 12)

• Finalmente, habría que señalar que la mejor estrategia sería usar las herramientas y recursos genómicos disponibles junto con un preciso y eficiente fenotipado para identificar los genes desconocidos que gobiernan la mejora continuada de la calidad maltera observada hasta el momento.

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Para más información sobre genómica de la cebada cervecera, contactar con:

Bill Thomas ([email protected]) o

Stuart Swanston ([email protected])

Muchas gracias por su atención

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mailto:[email protected]

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