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Previous issue date: 2016-04-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Cultivated rice (Oryza sativa L.) is one of the most important cereal for feeding. It is
estimated that the demand for rice grains increases considerably in a reduction scenario of
cultivable area and scarcity of water resources, which will require an increase in production
compared to current levels. To solve this problem, a viable alternative would be the
exploitation of genetic diversity available in rice germplasm banks. Rice breeding programs
should prioritize the search for new strategies to increase yield in a variety of environmental
conditions. The exploitation of genetic diversity allowed the identification of favorable alleles not present in the germplasm of rice varieties used in breeding programs, as well as obtaining
new allelic combinations of genes related to important agronomic traits and that could
significantly contribute to the achievement of more productive cultivars. In this context,
genome-wide association studies (GWAS) are designed to analyze variations in the DNA
sequence of the entire genome in an effort to identify associations with phenotypic traits of
interest. It is expected, therefore, that the results of the GWAS analysis, together with the
improvements obtained with the next generation sequencing technologies (NGS) in search of
a large number of SNPs, such as genotyping by sequencing (GBS), be used to investigate the
genetic control of traits related to yield. This study aimed to identify genomic regions of rice
related to yield from the GWAS methodology using genotypes of Embrapa Rice Core Collection
(ERiCC). The GWAS analysis was conducted from a panel of 550 accessions of the ERiCC, and
after the imputation of raw data, were accounted 445,589 SNPs distributed along the 12 rice
chromosomes. The molecular information was integrated with phenotypic data derived from
yield evaluation experiments conducted in nine essays, divided into two cultivation systems
(irrigated and rainfed) and three agricultural years (2004/2005, 2005/2006 and 2006/2007).
From the joint analysis in all experiments, 31 SNPs were significantly associated with yield,
but only three had the lowest frequency allele with positive effect. The joint analysis of
irrigated experiments identified three SNPs associated with yield, of which one with lower
frequency allele with a positive effect, whereas in the rainfed experiments was identified only
one SNP with lower frequency allele associated to positive effect. Subsequently, a stepwise
regression analysis was performed to keep in the model only SNPs without overlapping
effects, so being selected 15 SNPs markers. After in silico analysis, it was found that the most
productive accessions showed 80 to 100% of favorable alleles while the less productive
showed 27 to 33% of favorable alleles. For this set of markers to be used in an assisted
selection routine, they should also be validated in the laboratory. In the total joint analysis,
from 44 genes identified, 14 had no particular function, while from the joint analysis of
experiments irrigated and rainfed, from the six genes, only one had no particular function.
The search for Arabidopsis homologues genes in the 15 unknown function rice genes resulted
in four genes with known function. The expressed products of the set of genes were related to
metabolic processes, response to biotic, abiotic, endogenous and external stimulus, post-
embryonic multicellular development, growth and morphogenesis, which influence the number
of grains, grains weight and photosynthetic capacity, all related to rice yield and be useful in
indicating candidate genes to cloning and transformation, enabling the development of
genetically superior rice cultivars. Among the genes identified as associated to productivity,
nine were previously described in the literature, and of these, six were related proteins that
influence the number and seed weight, and photosynthetic capacity: LOC_Os02g44290.1,
LOC_Os04g35370.1, LOC_Os02g44260.1, LOC_Os02g44280 .1 LOC_Os09g36230.1 and
LOC_Os01g66160.1. These genes are considered as candidates for cloning and transformation
of rice, in order, through its overexpression, enable the development of higher yielding rice
cultivars. / O arroz cultivado (Oryza sativa L.) é um dos cereais mais importantes para a alimentação
humana. Estima-se que a demanda por grãos de arroz aumentará de forma considerável em
um cenário de redução da área cultivável e escassez de recursos hídricos, o que demandará
um aumento na produção em relação aos níveis atuais. Para solucionar esse problema, uma alternativa viável é a exploração da diversidade genética disponível em bancos de
germoplasma de arroz. Os programas de melhoramento de arroz devem, portanto, priorizar a
busca por novas estratégias que visem o aumento da produtividade em diversos tipos de
condições ambientais. A exploração da diversidade genética permitiria a identificação de
alelos favoráveis ainda não presentes no germoplasma das variedades de arroz utilizadas nos
programas de melhoramento, assim como a obtenção de novas combinações alélicas de
genes relacionados a caracteres de importância agronômica e que poderiam contribuir
significativamente para a obtenção de cultivares mais produtivas. Nesse contexto, estudos de
associação genômica ampla (GWAS) têm por finalidade analisar variações na sequência do
DNA em todo o genoma, em um esforço para identificar associações a caracteres fenotípicos
de interesse. Espera-se, assim, que os resultados das análises GWAS, juntamente com os
aprimoramentos obtidos com as tecnologias de sequenciamento de nova geração (NGS) na
busca por um grande número de SNPs, como é o caso da genotipagem por sequenciamento
(GBS), sejam utilizados para investigar o controle genético dos caracteres relacionados à
produtividade. Esse trabalho objetivou identificar regiões genômicas do arroz relacionadas à
produtividade a partir da metodologia GWAS utilizando os genótipos da Coleção Nuclear de
Arroz da Embrapa (CNAE). A análise GWAS foi conduzida a partir de um painel composto por
550 acessos da CNAE, sendo que após a imputação dos dados brutos, foram contabilizados
445.589 SNPs distribuídos ao longo dos 12 cromossomos do arroz. As informações
moleculares foram integradas aos dados fenotípicos derivados dos experimentos de avaliação
de produtividade conduzidos em nove ensaios, divididos em dois sistemas de cultivo (irrigado
e sequeiro) e por três anos agrícolas (2004/2005, 2005/2006 e 2006/2007). A partir da
análise conjunta em todos os experimentos, 31 SNPs foram associados de forma significativa
à produtividade, com apenas três apresentarando o alelo de menor frequência com efeito
positivo. Nas análises conjuntas dos experimentos irrigados foram identificados três SNPs
associados à produtividade, um dos quais com alelo de menor frequência com efeito positivo,
enquanto que nos experimentos em sequeiro foi identificado apenas um SNP, com alelo de
menor frequência associado ao efeito positivo. Posteriormente foi realizada uma análise de
regressão stepwise para se manter no modelo apenas os SNPs sem efeitos de sobreposição,
sendo então selecionados 15 marcadores SNP. Após uma análise in silico, constatou-se que os
acessos mais produtivos apresentaram 80 a 100% dos alelos favoráveis, enquanto os menos
produtivos apresentaram 27 a 33% dos alelos favoráveis. Para que esse conjunto de
marcadores seja utilizado em uma rotina de seleção assistida, ainda deverão ser validados em
laboratório. Na análise conjunta total, entre os 44 genes identificados, 14 não apresentavam
função determinada, enquanto a partir da análise conjunta dos experimentos irrigados e em
sequeiro, entre os seis genes, apenas um não apresentava função determinada. A busca por
homólogos em Arabidopsis nos 15 genes de arroz de função desconhecida resultou em quatro
genes com função conhecida. Os produtos expressos do conjunto de genes estavam
relacionados a processos metabólicos, resposta a estímulos bióticos, abióticos, endógenos e
externos, desenvolvimento multicelular pós-embrionário, crescimento e morfogênese, que
influenciam no número, peso de grãos, e capacidade fotossintética, todos relacionados com a
produtividade em arroz, sendo útil na indicação de genes candidatos à clonagem e
transformação, possibilitando o desenvolvimento de cultivares de arroz geneticamente
superiores. Dentre os genes identificados como associados a produtividade, nove foram
descritos previamente na literatura, e destes, seis foram relacionados a proteínas que
influenciam no número e peso de grãos, e capacidade fotossintética: LOC_Os02g44290.1,
LOC_Os04g35370.1, LOC_Os02g44260.1, LOC_Os02g44280.1, LOC_Os09g36230.1 e
LOC_Os01g66160.1. Esses são considerados genes candidatos à clonagem e transformação
do arroz, a fim de, por meio de sua superexpressão, possibilitar o desenvolvimento de
cultivares de arroz mais produtivas.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.bc.ufg.br:tede/6135 |
| Date | 06 April 2016 |
| Creators | Pantalião, Gabriel Feresin |
| Contributors | Brondani, Claudio, Brondani, Claudio, Coelho, Alexandre Siqueira Guedes, Souza, Thiago Lívio Pessoa Oliveira de, Borba, Tereza Cristina de Oliveira, Vianello, Rosana Pereira |
| Publisher | Universidade Federal de Goiás, Programa de Pós-graduação em Genética e Melhoramento de Plantas (EAEA), UFG, Brasil, Escola de Agronomia e Engenharia de Alimentos - EAEA (RG) |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFG, instname:Universidade Federal de Goiás, instacron:UFG |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | -3325099404361873119, 600, 600, 600, 600, 4500684695727928426, -7158667589435676909, 2075167498588264571 |
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