A caracterização e o entendimento das variações genômicas e morfológicas, bem como a estrutura genética de variedades locais armazenadas em bancos de germoplasma é importante para sua efetiva utilização em programas de melhoramento visando tolerância a estresses. Neste trabalho um conjunto de 192 variedades oriundas de diferentes regiões geoclimáticas do Japão foram testadas quanto à suas características morfológicas e produtivas, utilizando ensaios de campo e metodogias de fenotipagem de alto desempenho. A fenotipagem por meio da metodologia de camadas de herbicida (Aminotriazol+Diuron+2,4D, 100mg/plant) alocado a 30 centímetros de profundidade foi possível detectar variação entre as variedades para comprimento de raiz e velocidade de emissão de raiz sendo possível a distinção de variedades com sistema radicular profundo e sistema radicular superficial baseando-se na sua pontuação no ensaio de herbicida, destacando-se 20 genótipos como possíveis doadores de genes para comprimento, densidade e velocidade de emissão de raízes. Ensaios a campo foram conduzidos em 4 localidades expondo as variedades as mais distintas condições climáticas, buscando analisar a diversidade fenotípica para caracteres agromorfológicos. Os dados fenotípicos obtidos pelos marcadores morfológicos geraram um total de 15 grupos de acessos quando utilizados os 13 caracteres avaliados. A média do índice de sensibilidade a seca foi de 0,99 havendo materiais tolerantes com índices próximos a 0,6 e materiais sensíveis com índice próximos a 1,12. Os 384 marcadores SNP detectaram um total de 73728 alelos indicando alta porcentagem de A (40,8%) e G (34,6%) comparado com C (15,6%) e T (3,6%). Quanto aos heterozigotos, a maior porcentagem foi observada de A/G (0,54%) e a menor porcentagem de A/T (0,04%), sendo a maior parte dos heterozigotos observados nos cromossomos 3 e 8 comparado com outros cromossomos. As análises caracterizaram os acessos japoneses como 98,4% pertencentes à subespécie Japônica. Para associação entre marcadores e fenótipos, foi utilizada a abordagem de modelo linear misto (MLM), o qual incorpora informações de estrutura populacional e parentesco. Os resultados obtidos deverão ser investigados futuramente a fim de confirmar as associações em diferentes populações. O aumento do estresse hídrico teve efeito significativo no desempenho dos acessos, e a interação genótipo e estresse hídrico foi significativa para rendimento final e tamanho de panícula. Entre os acessos estudados foi observada variação genética para as características relacionadas com a tolerância a estresse hídrico e encontraram-se acessos com reduções no rendimento devido ao déficit hídrico comparáveis com o das testemunhas, embora com tamanho de panícula menor, inclusive em condições ótimas. Dos 384 marcadores utilizados, 10 foram responsáveis por associações significativas com o índice de sensibilidade a seca, com base nos diferentes métodos de correção para múltiplos testes. Estas associações foram selecionadas para verificar o efeito alélico sobre o genótipo observado, gerando informações preliminares para a aplicação futura de seleção assistida por marcadores (SAM). O tamanho dos blocos de ligação foram estimados em ~100 kb (r < 0,05) e ~75kb (r < 0,1). / Germplasm characterization and the knowledge of its diversity and population structure are important to effective utilization of genetic resources in breeding programs specially drought breeding program. In this work 192 landraces from all over Japan were evaluate for their morphological and productive characteristics, using field trials and high throughput screening methods. The screening using herbicide barrier approach at 30 cm depth was able to detect genetic diversity between the landraces for root length and clearly distinguish between deep root landraces and shallow root landraces. With this approach was possible to select 20 landraces with deep root system as possible donor of drought tolerance genes. Aiming characterize the landraces to agromorphological characteristics field trials were carried in 4 different locations exposing the landraces for a diversity environment effect. Using 13 traits phenotypically data generate a total of 15 groups during cluster analysis. The average result for drought sensitive index was 0.99, however this results presents a huge variability having landraces with scores about 0.6 to landraces with score up to 1.12. Drought effect was huge and statistically significant affecting directly yield and panicle size. The landraces presented genetic variability for drought tolerance and some landraces presenting yield and panicle size reductions due to drought comparable with drought-tolerant controls were detected. A total of 73728 alleles were detected by the SNP markers, indicated a high percentage of A (40,8%) and G (34,6%) alleles compared to C(15,6%) and T (3.6%). Heterozygocity of A/G was highest (0,54%) and lowest in A/T (0.04%). Of 3 chromosomes of rice, chromosome 8 produced highest percentage of heterozygocity compared to other chromosomes. Accessions were classified as 98.4% belonging to japônica subspecies. Association between markers and phenotypes was performed using a mixed linear approach (MLM), which incorporates information regarding population structure and kinship. Among the 384 markers used, 10 were responsible for significant associations with drought sensibility index, based on different criteria to correct for multiple tests.These associations were selected to determine the allelic effects over the traits, in order to generate preliminary data for marker assisted selections (MAS). Estimated size of haplotype blocks were ~100 kb (r <0.05) and ~75 kb (r <0.1). Future studies should confirm marker trait associations here found using different populations.

Common bean is a major dietary component in several countries, but its productivity is negatively affected by abiotic stresses. Dissecting candidate genes involved in abiotic stress tolerance is a paramount step toward the improvement of common bean performance under such constraints. Thereby, this thesis presents a systematic analysis of the DEHYDRATION RESPONSIVE ELEMENT-BINDING (DREB) gene subfamily, which encompasses genes that regulate several processes during stress responses, but with limited information for common bean. First, a series of in silico analyses with sequences retrieved from the P. vulgaris genome on Phytozome supported the categorization of 54 putative PvDREB genes distributed within six phylogenetic subgroups (A-1 to A-6), along the 11 chromosomes. Second, we cloned four novel PvDREB genes and determined their inducibility-factors, including the dehydration-, salinity- and cold-inducible genes PvDREB1F and PvDREB5A, and the dehydration- and cold-inducible genes PvDREB2A and PvDREB6B. Afterwards, nucleotide polymorphisms were searched through Sanger sequencing along those genes, revealing a high number of single nucleotide polymorphisms within PvDREB6B by the comparison of Mesoamerican and Andean genotypes. The nomenclature of PvDREB6B is discussed in details. Furthermore, we used the BARCBean6K_3 SNP platform to identify and genotype the closest SNP to each one of the 54 PvDREB genes. We selected PvDREB6B for a broader study encompassing a collection of wild common bean accessions of Mesoamerican origin. The population structure of the wild beans was accessed using sequence polymorphisms of PvDREB6B. The genetic clusters were partially associated with variation in latitude, altitude, precipitation and temperature throughout the areas such beans are distributed. With an emphasis on drought stress, an adapted tube-screening method in greenhouse conditions enabled the phenotyping of several drought-related traits in the wild collection. Interestingly, our data revealed a correlation between root depth, plant height and biomass and the environmental data of the location of the accessions. Correlation was also observed between the population structure determined through PvDREB6B and the environmental data. An association study combining data from the SNP array and DREB polymorphisms enabled the detection of SNP associated with drought-related traits through a compressed mixed linear model (CMLM) analysis. This thesis highlighted important features of DREB genes in common bean, revealing candidates for further strategies aimed at improvement of abiotic stress tolerance, with emphasis on drought tolerance / O feijoeiro é um componente essencial na dieta em diversos países, no entanto, sua produção é afetada negativamente por estresses abióticos. O estudo de genes candidatos envolvidos na adaptação aos estresses é uma etapa fundamental para o melhoramento da performance do feijoeiro sob tais estresses. Desse modo, esta tese apresenta uma análise sistemática da subfamília de genes DEHYDRATION RESPONSIVE ELEMENT-BINDING (DREB), que reúne genes envolvidos em diversos processos em resposta a estresses, mas pouco estudados no feijoeiro. Primeiramente, uma série de análises in silico com sequências de feijoeiro obtidas da plataforma Phytozome possibilitaram a categorização de 54 genes PvDREB putativos, distribuídos em seis subgrupos (A-1 até A-6) nos 11 cromossomos da espécie. Posteriormente, quatro novos genes PvDREB foram clonados e seus padrões de inducibilidade foram determinados. PvDREB1F e PvDREB5A foram induzidos por desidratação, baixa temperatura e salinidade, enquanto PvDREB2A e PvDREB6B foram predominantemente induzidos por desidratação e baixa temperatura. Polimorfismos de nucleotídeos foram buscados através de sequenciamento por método derivado de Sanger, revelando elevado número de SNP no gene PvDREB6B. A nomenclatura desse gene foi discutida detalhadamente ao longo da tese. A plataforma de marcadores SNP BARCBean6K_3 foi acessada para identificar o SNP mais próximo de cada um dos 54 PvDREB. O gene PvDREB6B foi selecionado para um estudo mais amplo, envolvendo uma coleção de acessos selvagens de origem Mesoamericana. A estrutura populacional destes genótipos foi analisada a partir de polimorfismos na sequência de PvDREB6B. Os grupos genéticos apresentaram associação parcial com variação da latitude, altitude, precipitação e temperatura das áreas em que os acessos naturalmente ocorrem. Com ênfase no estudo do déficit hídrico, uma plataforma de fenotipagem destes acessos em casa de vegetação, utilizando um sistema de tubos plásticos, foi elaborada para a análise de diversos parâmetros relacionados ao estresse por déficit hídrico. Os dados revelaram correlação entre profundidade de raízes, altura das plantas e a biomassa e as variáveis ambientais de cada local. A correlação também foi detectada entre a estrutura populacional estudada por PvDREB6B e os dados ambientais. Finalmente, um estudo de associação genética foi realizado entre os SNP da plataforma e ligados a DREB e os parâmetros fenotípicos, permitindo a identificação de marcadores SNP associados a caracteres específicos, usando um modelo linear misto (CMLM). Esta tese apresentou importantes aspectos sobre os genes DREB em feijoeiro, revelando candidatos para seu uso em estratégias de melhoramento para tolerância a estresses abióticos, com ênfase em déficit hídrico

The inoculation with Azospirillum brasilense is one of the main strategies to supplement the inorganic inputs of nitrogen (N) and to increase the root development in maize. However, the beneficial inoculation effects are not always reached, which, in part, is due to genotypic variation in the plant host, resulting in different degrees of outcome. In this context, we aimed to study the genetic control and genomic prediction of maize traits related to the responsiveness to A. brasilense inoculation. For this, 118 maize hybrids were conducted under N stress and N stress plus A. brasilense treatments in controlled conditions over 2016 and 2017 seasons. We evaluated root and shoot traits and performed diallel analyses, association mapping, and genomic prediction methods considering 59,215 Single-Nucleotide Polymorphism (SNP) markers. Our results revealed a quantitative inheritance of the partnership-related maize traits, with both additive and non-additive genetic effects involved in the genetic control. Furthermore, several candidate genes were identified for the maize-A. brasilense association, especially with heterozygous (dis)advantage effects. In general, the prediction accuracies were higher mostly for the inoculated treatment compared to the non-inoculated. Finally, our findings enable a deeper understanding towards the genetic basis of the maize responsiveness to A. brasilense and may support plant breeders to establish selection strategies aiming the development of superior genotypes for this association. / A inoculação com Azospirillum brasilense é uma das principais estratégias para suplementar os insumos inorgânicos de nitrogênio (N) e aumentar o desenvolvimento radicular do milho. No entanto, os efeitos benéficos da inoculação nem sempre são alcançados, o que, em parte, é devido à variação genotípica da planta hospedeira, que ocasiona diferentes graus de resultados. Neste contexto, nosso objetivo foi estudar o controle genético e a predição genômica de caracteres de milho relacionados à responsividade para a inoculação com A brasilense. Para isso, 118 híbridos de milho foram conduzidos sob estresse de N e estresse de N mais A brasilense em condições controladas nos anos de 2016 e 2017. Nós avaliamos características de raiz e parte aérea e realizamos análises dialélicas, mapeamento associativo e métodos de predição genômica considerando 59.215 marcadores Single-Nucleotide Polymorphism (SNP). Nossos resultados revelaram uma herança quantitativa das características do milho relacionadas à essa parceria, com efeitos genéticos aditivos e não-aditivos envolvidos no controle genético. Além disso, vários genes candidatos foram encontrados para a associação milho-A brasilense, especialmente com efeitos de (des)vantagens de heterozigotos. Em geral, as acurácias de predição foram mais maiores principalmente para o tratamento inoculado em comparação ao não inoculado. Finalmente, nossos resultados possibilitam uma compreensão mais aprofundada das bases genéticas da responsividade do milho à A. brasilense e podem auxiliar os melhoristas de plantas a estabelecerem estratégias de seleção visando o desenvolvimento de genótipos superiores para essa associação.