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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.11.2019.tde-21032019-153059
Document
Author
Full name
Filipe Inácio Matias
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2018
Supervisor
Committee
Fritsche Neto, Roberto (President)
Pedreira, Carlos Guilherme Silveira
Souza, Anete Pereira de
Valle, Cacilda Borges do
Title in English
Tropical forage breeding from classic to new genomic tools: an example with interspecific tetraploid Urochloa spp. hybrids
Keywords in English
Brachiaria spp.
Allele dosage
Genomic association
Genomic selection
Genotyping-by-sequencing
Mixed models
Abstract in English
A tropical forage breeding program contains several peculiarities, especially when it involves polyploid species and facultative apomixis. Despite their importance, there is still a lack of information on genetic studies of critical forage traits and on the employment of genomic tools when compared to other crops and temperate forages. The genus Brachiaria is the most important for forage in tropical regions mainly beef production. The commercial species in this genus are excellent perennial forage, and the identification of superior genotypes depends on the selection of many characteristics under complex genetic control, with high cost and time-consuming evaluation. Therefore, the knowledge about uses and applications of classic and genomic tools in forage traits may be useful to support breeding programs and the development of new cultivars. In this context, the aim was to evaluate several different classic and genomic tools to be employed as selection strategies in a traditional tropical forage breeding program. A panel of tetraploid hybrids obtained from crossing Urochloa brizantha x Urochloa ruziziensis was phenotyped and genotyped to evaluate genetic parameters and perform genomic studies. The classic phenotypic analysis showed no clear trend of the importance of additive and non-additive genetics effects for agronomical and nutritional traits. The Mulamba and Mock index should be used in the univariate level, due to the promotion of a more balanced response to selection for all traits in the multivariate selection. In the genomic extraction and evaluations, the reads that were aligned to a 'mock' reference genome, created from GBS data of the cultivar 'Marandu', had more SNP discovered compared to the closest true reference genomes, Setaria viridis and S. italica. We recommended different thresholds of sample depth and genotype quality (GQ) to eliminate poor quality reads without introducing genotype bias. Cross-validation revealed that missing genotypes were imputed with a median accuracy of 0.85 using Random Forest algorithm to produce a complete genotype matrix, regardless of heterozygote frequency. The genome-wide association analysis (GWAS) revealed candidate genes associated with many tropical forage traits across all cutting seasons, which could be the first step toward marker-assisted selection (MAS). Moreover, our results suggest that accounting for allele dosage is essential, since the tetraploid level provided more information about the true biological state. Therefore, our findings revealed the complexity of the genetic architecture of Urochloa spp. traits and provided important insights towards the application of GWAS in polyploids species. The genomic selection analysis revealed that GBLUP-A (additive) and GBLUP-AD (additive + dominance) showed similar prediction abilities considering both single and multi-trait models. Conversely, combining GBLUP-AD and tetraploid information could improve the selection coincidence. Furthermore, the multi-trait validation scheme 2 (VS2), where one trait is not evaluated for some individuals, provided an increment of up to 30% to the prediction ability. Therefore, it is an useful strategy for traits with low heritability. Overall, all genomic selection models considered provided greater genetic gains than the phenotypic selection. Similarly, the allele dosage associated with additive, dominance and multi-trait factors increased the accuracy of genomic prediction models for interspecific polyploid hybrids. Finally, genomic tools should be used in forages breeding programs in order to reduce cost and time.
Title in Portuguese
Melhoramento de forrageiras tropicais do clássico as modernas ferramentas genômicas: um exemplo em híbridos interespecíficos tetraploides de Urochloa spp.
Keywords in Portuguese
Brachiaria spp.
Associação genômica
Dosagem alélica
Genotipagem por sequenciamento
Modelos mistos
Poliploidia
Seleção genômica
Abstract in Portuguese
Um programa de melhoramento de forragem tropical contém várias peculiaridades, especialmente quando se trata de espécies poliplóides e de apomixia facultativa. Apesar de sua importância, atualmente, faltam informações sobre estudos genéticos de características forrageiras e sobre o emprego de ferramentas genômicas quando comparadas a outras culturas e forragens de clima temperado. O gênero Brachiaria é o mais importante para formação de pastagens nas regiões tropicais, principalmente para produção de carne bovina. As espécies comerciais deste gênero são excelentes forrageiras perenes, e a identificação de genótipos superiores depende da seleção de muitas características sob controle genético complexo, com alto custo e avaliação demorada. Portanto, o conhecimento sobre usos e aplicações de ferramentas clássicas e genômicas em características forrageiras pode ser útil para apoiar programas de melhoramento e o desenvolvimento de novas cultivares. Nesse contexto, objetivou-se avaliar diversas ferramentas clássicas e genômicas a serem empregadas como estratégias de seleção em um programa tradicional de melhoramento de forrageiras tropicais. Um painel de híbridos tetraplóides obtidos do cruzamento Urochloa brizantha x Urochloa ruziziensis foi fenotipado e genotipado para avaliar parâmetros genéticos e realizar estudos genômicos. Para a análise fenotípica clássica, concluímos que não havia uma tendência clara da importância dos efeitos genéticos aditivos e não-aditivos para características agronômicas e nutricionais. O índice de Mulamba e Mock deve ser usado no nível univariado, devido à promoção de uma resposta mais equilibrada à seleção para todas as características na seleção multivariada. Na extração e nas avaliações genômicas, as leituras que foram alinhadas ao genoma de referência 'simulado', criado a partir dos dados de GBS da cultivar 'Marandu', tiveram a maior porcentagem de descoberta de marcadores SNP comparado aos genomas de referência mais próximos, Setaria viridis e S. italica. Recomendamos diferentes limiares de profundidade de leitura e qualidade de genótipo (GQ) para eliminar leituras de baixa qualidade sem introduzir viés de chamada de genótipo. A validação cruzada revelou que os genótipos ausentes foram imputados com uma precisão mediana de 0,85 pelo algoritmo Random Forest para produzir uma matriz genotípica completa, independentemente da frequência de heterozigotos. A análise de associação genômica ampla (GWAS) revelou genes candidatos associados a muitas características forrageiras tropicais, o que poderia ser o primeiro passo em direção à seleção assistida por marcadores (MAS). Além disso, nossos resultados sugerem que a contabilização da dosagem alélica é essencial, uma vez que o nível tetraploide fornece mais informações sobre o verdadeiro estado biológico. Portanto, nossos achados revelam a complexidade da arquitetura genética de características de Urochloa spp. e fornecem informações importantes para a aplicação de GWAS em espécies poliploides. A análise de seleção genômica revela que o GBLUP-A (aditivo) e o GBLUP-AD (aditivo + dominância) mostraram capacidades de predição semelhantes, considerando tanto os modelos simples quanto os multi-característica. Por outro lado, combinando-se GBLUP-AD e informação tetraploide foi possível melhorar a coincidência de seleção. Além disso, o esquema de validação multi-característica 2 (VS2), onde uma característica não é avaliada para alguns indivíduos, pode fornecer um incremento de até 30% da capacidade de previsão. Portanto, é uma estratégia útil para características com baixa herdabilidade. No geral, todos os modelos de seleção genômica considerados proporcionaram maiores ganhos genéticos do que a seleção fenotípica tradicional. Da mesma forma, a dosagem do alelo associado a fatores aditivos, de dominância e multicaracteres aumentou a acurácia dos modelos genômicos de predição para híbridos poliploides interespecíficos. Finalmente, ferramentas genômicas devem ser utilizadas em programas de melhoramento de forragens para reduzir custos e tempo.
 
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Release Date
2021-03-21
Publishing Date
2019-04-02
 
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