Taller CYTED “ Zonas agrícolas en expansión: impactos y desafíos impuestos por limitaciones a la productividad de cereales”

Paysandú, 27 de octubre de 2010

Control genético de enfermedades fúngicas: acercamientos para identificación y utilización de

genes de resistencia cualitativa, cuantitativa ytolerancia

Ariel CastroEEMAC, Facultad de Agronomía, Universidad de la República

Los problemasIdentificar los componentes genéticos responsables de la resistencia (cuantitativa y cualitativa) y la tolerancia

Desarrollar una estrategia de integración de los componentes identificados en el germoplasma en uso en producción sin perder caracteres deseables

Las herramientas Uso de instrumentos genómicos para la identificación y localización de los componentes genéticos (Análisis de QTL, Mapeo por DL)

Uso de estrategias de acumulación de genes vía piramidización y selección asistida

Algunos cuellos de botella

HUESPED PATÓGENOESCAPE

TOLERANCIA

RESISTENCIA

RESISTENCIA

• Factores morfológicos (altura, barreras físicas, etc)

• Factores fisiológicos (ciclo, tolerancia a estrés, etc)

• Resistencia “verdadera”

HUESPED PATÓGENO

MECANISMOS - ESPECIALIZADOS

MECANISMOS + ESPECIALIZADOS

TIPOS DE RESISTENCIA

Nivel de resistencia

Razas o aislamientos del patógeno

A B C D E F G

Nivel de resistencia

Razas o aislamientos del patógeno

A B C D E F G

RH

RH

Resistencia Vertical

TIPOS DE RESISTENCIA

VERTICAL HORIZONTAL

CUALITATIVA CUANTITATIVA

MONOGÉNICA POLIGÉNICA

ESPECÍFICA NO-ESPECÍFICA

NO-DURABLE DURABLE

TOTAL PARCIAL

Baja infección

Infección intermedia

Baja durabilidad

Alta durabilidad

Patógeno

Avr R gen

Huesped

SIN ENFERMEDAD

Respuesta hipersensitiva

MODELO BIOTROFOS: HIPERSENSIBILIDAD

Patógeno

Avr R gen

Huesped

Patógeno

Avr

ENFERMEDAD

MODELO NECROTROFOS: DETOXIFICACIÓN

Patógeno

Toxina Huesped

ENFERMEDAD

Muerte

Patógeno

Toxina Huesped

SIN ENFERMEDAD

Inactivación

MODELO NECROTROFOS: DETOXIFICACIÓN

UTILIZACIÓN DE LA RESISTENCIA

TIEMPO

INFECCIÓN AREA

TIEMPO

INFECCIÓN AREA

EFECTO “VERTIFOLIA”

TIEMPO

RESISTENCIAHORIZONTAL

RESISTENCIA VERTICAL

EFECTO “VERTIFOLIA”

TIEMPO

RESISTENCIAHORIZONTAL

RESISTENCIA VERTICAL

Patógeno

Resistencia

Huesped

ENFERMEDAD LIMITADA

Sin respuesta hipersensitiva

RESISTENCIA CUANTITATIVA

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0-20 20-40 40-60 60-80 80-100

Severidad a campo

Fre

cuen

cia

IT 0-3IT 4-6IT 7-9

Distribución del comportamiento de líneas avanzadas de cebada del programa de ICARDA/CIMMYT frente a roya estriada en condiciones de campo de acuerdo a su reacción a la inoculación en invernadero.

Sandoval-Islas et al., 1998

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 1 2 3 4

Ciclo de selección

AU

DP

C

Respuesta a 4 ciclos de selección recurrente por resistencia parcial a roya de la avena

Diaz-Lago et al., 2002

INFECCIÓN RENDIMIENTO

INFECCIÓN RENDIMIENTO

¿TOLERANCIA?

Evolución del área foliar afectada por Septoria tri tici para dos cultivares contrastantes (Barkai y Miriam) .

Zuckerman et al. 1996

0102030405060708090

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Dias pos-emergencia

Sev

erid

ad (

%)

Cult. Sucep.

Cult. Tolerant

GS 41

GS 71

Adaptado por Hoffman, 2006

-69.62.25 a6135.8 aProtegidoSusceptible

-163.21.14 b829.8 bInoculado

-122.00 a3635.5 aInoculado

-122.14 a9137.3 aProtegidoTolerante

µg/cm²(mg)Cultivar

Flujo CO2

en espigaT. fijación CO2ClorofilaPeso grano

A nivel de AF verde

Zuckerman et al., 1996, adaptado por Hoffman, 2006

Hoffman et al., sp.

Hoffman et al., sp.

2003, 2004 y 2006

y = 0,0012x2 - 12,766x + 33575R2 = 0,7826

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

30003500400045005000550060006500

Media ambiental

Res

pues

ta a

l con

trol (

kg.h

a-1)

CbeQueb

Hoffman et al., sp.

TOLERANCIA

• Aparece como altamente deseable en nuestro “fenotipo ideal”

• Sin una definición ajustada

• De muy costosa medición

Los problemasIdentificar los componentes genéticos responsables de la resistencia (cuantitativa y cualitativa) y la tolerancia

Las herramientas Uso de instrumentos genómicos para la identificación y localización de los componentes genéticos (Análisis de QTL, Mapeo por DL)

VARIEDAD

Gen 1 Gen 2 Gen 3 Gen 4 Gen 5

HERRAMIENTAS:

Resistencia cualitativa (distribución discreta mendeliana)

Mapeo directo por análisis de ligamiento (el carácter es utilizado como un marcador más)

0.00MWG889b 5.60

ABG461

30.50

Risp103 39.6047.40

62.90

69.60

78.9087.40

cat3 87.40

HvGLB 96.80

Bmag120

Bmac156

Ris44

Stripe Rust

ABC310b

KPF087

CEBADA

Población: CI 10987 x Galena

Resistencia a roya estriada

Castro et al., 2003

M1

M2

M3

M4

M5

M6

M7

LOD score

Nivel de significación

Resistencia cuantitativa

Mapeo mediante análisis de QTL (poblaciones segregantes balanceadas)

Resistencia cuantitativa

Bmac3160.0

Bmag50029.7

Bmag17380.5Bmag00981.0

6H

CEBADA

Población: BCD47 x Baronesse

Resistencia a roya de la hoja

Resistencia cuantitativa Mapeo mediante desequilibrio de ligamientos (colecciones sin requerimientos específicos)

LOD score

Nivel de significación

Falsos positivos

1H 2H 3H 4H 5H 6H 7H

-Log(p-valor)

p< 0.0001

DETECCION DE GENES Y QTL DE RESISTENCIA: MANCHA BOR ROSA (URUGUAY)

Resistencia cuantitativa Mapeo mediante desequilibrio de ligamientos (colecciones sin requerimientos específicos)

CUELLO DE BOTELLA

DISPONIBILIDAD DE FUENTES DE RESISTENCIA DURABLE

Tolerancia?

• Análisis de QTL

Limita el rango de variación y define mejor las clases.Parecería la mejor opción en una primera etapa

N = 100

• Mapeo por DL

Si existe una variación muy amplia o mecanismos contrapuestos los resultados pueden ser confusos.Podría funcionar en una etapa mas desarrollada del tema

N = 100-200?

CUELLO DE BOTELLA

DISPONIBILIDAD DE FUENTES DE RESISTENCIA DURABLE

IDENTIFICACION DE LOS FACTORES GENETICOS QUE DETERMINAN LA TOLERANCIA: COMO CARACTERIZAR FENOTIPICAMENTE?

Los problemasDesarrollar una estrategia de integración de los componentes identificados en el germoplasma en uso en producción

Las herramientas Uso de estrategias de acumulación de genes vía piramidización y selección asistida

Patógeno

Avr R gen

ACUMULACIÓN DE GENES

Huesped

R1 gen

R2 gen

Avr1

Avr2

SIN ENFERMEDAD

Respuesta hipersensitiva

PR-106• Alto rendimiento• Alta susceptibilidad a X.oryzae

IRBB62• 3 genes de resistencia a X.oryzae

F1

BC1F1

Selección asistida con marcadores ligados a resistencia

BC2F1

Selección asistida con marcadores ligados a resistencia

BC2F2

BC3F1

Adaptado de Singh et al., 2001

16.021.025.010.5PR-106

0.20.50.40.2PR-106 +xa5 + xa13 + Xa21

0.50.32.60.5PR-106 + xa13 + Xa21

0.82.01.50.4PR-106 + xa5 + Xa21

3.04.04.02.5PR-106 + xa5 + xa13

1.02.52.50.5PR-106 + Xa21

4.02.014.05.5PR-106 + xa13

7.512.84.83.5PR-106 + xa5

4321

Aislamientos de X. oryzae

Singh et al., 2001

Tamaños de lesión (en centímetros) en líneas derivadas de PR-106 con diversas combinaciones de alelos de resistencia a X. oryzae al ser

inoculadas con distintos aislamientos del patógeno.

Patógeno Huesped

ENFERMEDAD MÁS LIMITADA

Resist.Cuant.

ACUMULACIÓN DE QTL (RESISTENCIA CUANTITATIVA)

Resist.Cuant.

Resist.Cuant.

Resistencia cuantitativa en planta adulta

4(4H) 5(1H) 7(5H)

QTL4QTL7

Cali/Bowman

QTL5

Shyri/Galena

EFECTO ADITIVO

Orca Harrington

BC1 M.A.S.

Cr.4 y 7

Shyri Galena

DI-72

Calicuchima Bowman

F1

QTL4

QTL7

QTL5

Pirámide

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Days after disease appearance

Dis

ease

sev

erity

(%

)

HarringtonOrcaD1-72

Castro et al., 2003

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Days after disease appearance

Dis

ease

sev

erity

(%

)

HarringtonNO QTLQTL4QTL5QTL7

Castro et al., 2003

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Days after disease appearance

Dis

ease

sev

erity

(%

)

HarringtonNO QTLQTL45QTL47QTL57QTL457

Castro et al., 2003

61.144.646.0r 2

0.0130 f226 d8.9 EF+++

0.0194 e341 cd21.1 D++-

0.0085 g160 d7.7 F+-+

0.0137 f241 d15.8 E-++

0.0317 b648 b40.2 B+--

0.0278 c587 b31.7 C-+-

0.0227 d438 c25.0 D--+

0.0402 a850 a50.8 A---

Tasa de infeccion

ABCDESeveridadQTL7QTL5QTL4

Castro et al., 2003

Patógeno

Avr R gen

Huesped

SIN ENFERMEDAD

Respuesta hipersensible

Resist.Cuant.

ACUMULACIÓN DE RESISTENCIA CUANTITATIVA Y CUALITATIVA

Reversión del efecto “vertifolia”

Patógeno

Avr R gen

Huesped

ENFERMEDAD REDUCIDA

Sin respuesta hipersensible

Resist.Cuant.

ACUMULACIÓN DE RESISTENCIA CUANTITATIVA Y CUALITATIVA

Reversión del efecto “vertifolia”

1(7H) 4(4H) 5(1H) 7(5H)

QTL4QTL7

QTL5

BSTR1

0

10

20

30

40

50

60

70

Severidad

BSTR1 + + + + - - - -QTL4 + + - - + + - -QTL4b + - + - + - + -

D DD D

C

B

AA

Castro et al., 2003

0

10

20

30

40

50

60

Severidad

BSTR1 + + + + - - - -QTL5 + + - - + + - -QTL4c + - + - + - + -

DD

D D

C

B

A

BC

Castro et al., 2003

Los problemasDesarrollar una estrategia de integración de los componentes identificados en el germoplasma en uso en producción

Las herramientas Uso de estrategias de acumulación de genes vía piramidización y selección asistida

Nuevas estrategias de acumulación/selección (Selección genómica)

Identificación y utilización de genes de resistencia cualitativa, cuantitativa y

tolerancia

HABERES

• Capacidad de caracterización fenotípica

• Capacidad de caracterización genotípica (local e internacional)

• Recursos humanos

• Laboratorios descentralizados (cercanos al proceso de selección)

• Equipos de apoyo (fitopatología, fisiología)

Identificación y utilización de genes de resistencia cualitativa, cuantitativa y

tolerancia

LIMITANTES

• Disponibilidad de fuentes de resistencia (ambos tipos)

• Sobre-utilización de un número reducido de fuentes cuantitativas

• Poca “financiabilidad” de la creación de germoplasma de base

• Dificultades para la identificación PRACTICA de la tolerancia

• Financiación del desarrollo sistemático de nuevas pirámides