Biodiversidad de frijol (Phaseolus vulgaris L.) en Honduras. Caracterización agromorfológica, molecular y ecogeográfica

En el presente trabajo se ha llevado a cabo un estudio de la biodiversidad del frijol común (Phaseolus vulgaris L.) en Honduras, que es el segundo de los cultivos de granos básicos en importancia. Dicho estudio se ha realizado mediante una caracterización agromorfológica, molecular y ecogeográfica en una selección de 300 accesiones conservadas en el banco de germoplasma ubicado en la Escuela Agrícola Panamericana (EAP) El Zamorano, y que se colectaron en 13 departamentos del país durante el periodo de 1990 a 1994. Estas accesiones fueron colectadas cuatro años antes del acontecimiento del huracán Mitch, el cual a su paso afectó al 96% del área total cultivable en su momento, lo cual nos hace considerar que la biodiversidad de razas locales (landraces) de frijol común existentes in situ fueron severamente afectadas. Los trabajos dirigidos a analizar la biodiversidad de razas locales de frijol común en Honduras son escasos, y este trabajo se constituye como el primero que incluye una amplia muestra a ser estudiada a través de una caracterización en tres aspectos complementarios (agromorfológico, molecular y ecogeográfico). Se evaluaron 32 caracteres agromorfológicos, 12 cuantitativos y 20 cualitativos, en distintas partes de la planta. Se establecieron las correlaciones entre los caracteres agromorfológicos y se elaboró un dendrograma con los mismos, en el que se formaron ocho grupos, en parte relacionados principalmente con los colores y tamaños de la semilla. Mediante el análisis de componentes principales se estudiaron los caracteres de más peso en cada uno de los tres primeros componentes. Asimismo, se estudiaron las correlaciones entre caracteres, siendo las más altas la longitud y anchura de la hoja, días a madurez y a cosecha y longitud y peso de semilla. Por otra parte, el mapa de diversidad agromorfológica mostró la existencia de tres zonas con mayor diversidad: en el oeste (en los departamentos de Santa Bárbara, Lempira y Copán), en el centro-norte (en los departamentos de Francisco Morazán, Yoro y Atlántida) y en el sur (en el departamento de El Paraíso y al sur de Francisco Morazán). Para la caracterización molecular partimos de 12 marcadores de tipo microsatélite, evaluados en 54 accesiones, que fueron elegidas por constituir grupos que compartían un mismo nombre local. Finalmente, se seleccionaron los cuatro microsatélites (BM53, GATS91, BM211 y PV-AT007) que resultaron ser más polimórficos e informativos para el análisis de las 300 accesiones, con los que se detectaron un total de 119 alelos (21 de ellos únicos o privados de accesión) y 256 patrones alélicos diferentes. Para estudiar la estructura y relaciones genéticas en las 300 accesiones se incluyeron en el análisis tres controles o accesiones de referencia, pertenecientes dos de ellas al acervo genético Andino y una al Mesoamericano. En el dendrograma se obtuvieron 25 grupos de accesiones con idénticas combinaciones de alelos. Al comparar este dendrograma con el de caracteres agromorfológicos se observaron diversos grupos con marcada similitud en ambos. Un total de 118 accesiones resultaron ser homogéneas y homocigóticas, a la vez que representativas del grupo de 300 accesiones, por lo que se analizaron con más detalle. El análisis de la estructura genética definió la formación de dos grupos, supuestamente relacionados con los acervos genéticos Andino (48) y Mesoamericano (61), y un reducido número de accesiones (9) que podrían tener un origen híbrido, debido a la existencia de un cierto grado de introgresión entre ambos acervos. La diferenciación genética entre ambos grupos fue del 13,3%. Asimismo, 66 de los 82 alelos detectados fueron privados de grupo, 30 del supuesto grupo Andino y 36 del Mesoamericano. Con relación al mapa de diversidad molecular, presentó una distribución bastante similar al de la diversidad agromorfológica, detectándose también las zonas de mayor diversidad genética en el oeste (en los departamentos de Lempira y Santa Bárbara), en el centro-norte (en los departamentos de Yoro y Atlántida) y en el sur (en el departamento de El Paraíso y al sur de Francisco Morazán). Para la caracterización ecogeográfica se seleccionaron variables de tipo bioclimático (2), geofísico (2) y edáfico (8), y mediante el método de agrupamiento de partición alrededor de los medoides, la combinación de los grupos con cada uno de los tres tipos de variables definió un total de 32 categorías ecogeográficas en el país, detectándose accesiones en 16 de ellas. La distribución de las accesiones previsiblemente esté relacionada con la existencia de condiciones más favorables al cultivo de frijol. En el mapa de diversidad ecogeográfica, nuevamente, se observaron varias zonas con alta diversidad tanto en el oeste, como en el centro-norte y en el sur del país. Como consecuencia del estudio realizado, se concluyó la existencia de una marcada biodiversidad en el material analizado, desde el punto de vista tanto agromorfológico como molecular. Por lo que resulta de gran importancia plantear la conservación de este patrimonio genético tanto ex situ, en bancos de germoplasma, como on farm, en las propias explotaciones de los agricultores del país, siempre que sea posible. ABSTRACT In the present work we have carried out a study of the biodiversity of the common bean (Phaseolus vulgaris L) in Honduras, which is the second of the basic grain crops in importance. This study was conducted through agro-morphological, molecular and ecogeographical characterization of a selection of 300 accessions conserved in the genebank located in the ‘Escuela Agrícola Panamericana (EAP) El Zamorano’ that were collected in 13 departments of the country during the 1990 to 1994 period. These accessions were collected four years before the occurrence of Mitch hurricane, which affected 96% of the total cultivable area at the time, which makes us to consider that the biodiversity of local landraces of common bean existing in situ were severely affected. The work aimed to analyze the biodiversity of local races of common bean in Honduras are scarce, and this work constitutes the first to include a large sample to be studied through a characterization on three complementary aspects (agromorphological, molecular and ecogeographical). Thirty two agromorphological characters, 12 quantitative and 20 qualitative, in various parts of the plant were evaluated. Correlations between agromorphological characters were established and a dendrogram with them was constructed, in which eight groups were formed, in part mainly related to the colors and sizes of the seeds. By principal component analysis the characters with more weight in each of the first three components were studied. Also, correlations between characters were studied, the highest of them being length and leaf width, days to maturity and harvest, and seed length and weight. Moreover, the map of agromorphological diversity showed the existence of three areas with more diversity: the west (departments of Santa Barbara, Copan and Lempira), the center-north (departments of Francisco Morazán, Yoro and Atlántida) and the south (department of El Paraiso and south of Francisco Morazán). For molecular characterization we started with 12 microsatellite markers, evaluated in 54 accessions, which were chosen because they formed groups that shared the same local name. Finally, four microsatellites (BM53, GATS91, BM211 and PV-AT007) were selected for the analysis of 300 accessions, since they were the most polymorphic and informative. They gave a total of 119 alleles (21 of them unique or private for the accession) and 256 different allelic patterns. To study the structure and genetic relationships in the 300 accessions, three controls or accessions of reference were included in the analysis: two of them belonging to the Andean gene pool and one to the Mesoamerican. In the dendrogram, 25 accession groups with identical allele combinations were obtained. Comparing this dendrogram to the obtained with agromorphological characters, several groups with marked similarity in both were observed. A total of 118 accessions were homozygous and homogeneous, while representing the group of 300 accessions, therefore they were analyzed in more detail. The analysis of the genetic structure defined the formation of two groups, supposedly related to the Andean (48) and the Mesoamerican (61) gene pools, and a small number of accessions (9) which may have a hybrid origin, due to the existence of some degree of introgression between both gene pools. Genetic differentiation between both groups was 13.3%. Also, 66 of the 82 detected alleles were private or unique for the group, 30 of the supposed Andean group and 36 of the Mesoamerican. With relation to the map of molecular diversity, it showed a quite similar distribution to the agromorphological, also detecting the areas of greatest genetic diversity in the west (departments of Lempira and Santa Bárbara), in the center-north (departments Atlántida and Yoro) and in the south (departments of El Paraíso and south of Francisco Morazán). For the ecogeographical characterization, bioclimatic (2), geophysical (2) and edaphic (8) variables were selected, and by the method of clustering partition around the medoids, the combination of the groups to each of the three types of variables defined a total of 32 ecogeographical categories in the country, having accessions in 16 of them. The distribution of accessions is likely related to the existence of more favorable conditions for the cultivation of beans. The map of ecogeographical diversity, again, several areas with high diversity both in the west and in the center-north and in the south of the country were observed. As a result of study, the existence of marked biodiversity in the analyzed material was concluded, both from the agromorphological and from the molecular point of view. Consequently it is very important to propose the conservation of this genetic heritage both ex situ, in genebanks, as on farm, in the holdings of the farmers of the country, whenever possible.

Caracterización funcional de los genes sgb (suppressors of agb1-2 susceptibility to pathogens): Nuevos reguladores de la respuesta de inmunidad innata de Arabidopsis thaliana

Un porcentaje importante de las pérdidas de la producción agrícola se deben a las enfermedades que causan en los cultivos los hongos necrótrofos y vasculares. Para mejorar la productividad agrícola es necesario tener un conocimiento detallado de las bases genéticas y moleculares que regulan la resistencia de las plantas a este tipo de patógenos. En Arabidopsis thaliana la resistencia frente a patógenos necrótrofos, como el hongo Plectosphaerella cucumerina BMM (PcBMM), es genéticamente compleja y depende de la activación coordinada de distintas rutas de señalización, como las reguladas por las hormonas ácido salicílico (SA), ácido jasmónico (JA), etileno (ET) y ácido abscísico (ABA), así como de la síntesis de compuestos antimicrobianos derivados del Triptófano y de la integridad de la pared celular (Llorente et al., 2005, Hernández-Blanco et al., 2007; Delgado-Cerezo et al., 2012). Uno de los componentes claves en la regulación de la resistencia de las plantas a patógenos (incluidos hongos necrótrofos y biótrofos) es la proteína G heterotrimérica, un complejo proteico formado por tres subunidades (Gα, Gβ y Gγ), que también regula distintos procesos del desarrollo vegetal. En Arabidopsis hay un gen que codifica para la subunidad α (GPA1), otro para la β (AGB1), y tres genes para la subunidad γ (AGG1, AGG2 y AGG3). El complejo GPA1-AGB1-AGG (1-3) se activa y disocia tras la percepción de una señal específica, actuando el dímero AGB1-AGG1/2 como un monómero funcional que regula las respuestas de defensa (Delgado-Cerezo et al., 2012). Estudios transcriptómicos y análisis bioquímicos de la pared celular en los que se comparaban los mutantes agb1-2 y agg1 agg2, y plantas silvestres (Col-0) revelaron que la resistencia mediada por Gβ-Gγ1/2 no es dependiente de rutas de defensa previamente caracterizadas, y sugieren que la proteína G podría modular la composición/estructura (integridad) de la pared celular (Delgado-Cerezo et al., 2012). Recientemente, se ha demostrado que AGB1 es un componente fundamental de la respuesta inmune mediada por Pathogen- Associated Molecular Patterns (PTI), ya que los mutantes agb1-2 son incapaces de activar tras el tratamiento con PAMPs respuestas de inmunidad, como la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS; Liu et al., 2013). Dada la importancia de la proteína G heterotrimérica en la regulación de la respuestas de defensa (incluida la PTI) realizamos un escrutinio de mutantes supresores de la susceptibilidad de agb1-2 al hongo necrótrofo, PcBMM, para identificar componentes adicionales de las rutas de señalización reguladas por AGB1. En este escrutinio se aislaron cuatro mutantes sgb (suppressors of agb1-2 susceptibility to pathogens), dos de los cuales, sgb10 y sgb11, se han caracterizado en la presente Tesis Doctoral. El mutante sgb10 es un segundo alelo nulo del gen MKP1 (At3g55270) que codifica la MAP quinasa-fosfatasa 1 (Bartels et al., 2009). Este mutante presenta lesiones espontáneas en plantas adultas y una activación constitutiva de las principales rutas de defensa (SA, JA y ET, y de metabolitos secundarios, como la camalexina), que explicaría su elevada resistencia a PcBMM y Pseudomonas syringae. Estudios epistáticos sugieren que la resistencia mediada por SGB10 no es dependiente, si no complementaria a la regulada por AGB1. El mutante sgb10 es capaz de restablecer en agb1-2 la producción de ROS y otras respuestas PTI (fosforilación de las MAPK6/3/4/11) tras el tratamiento con PAMPs tan diversos como flg22, elf18 y quitina, lo que demuestra el papel relevante de SGB10/MKP1 y de AGB1 en PTI. El mutante sgb11 se caracteriza por presentar un fenotipo similar a los mutantes irregular xylem (e.g. irx1) afectado en pared celular secundaria: irregularidades en las células xilemáticas, reducción en el tamaño de la roseta y altura de planta, y hojas con un mayor contenido de clorofila. La resistencia de sgb11 a PcBMM es independiente de agb1-2, ya que la susceptibilidad del doble mutante sgb11 agb1-2 es intermedia entre la de agb1-2 y sgb11. El mutante sgb11 no revierte la deficiente PTI de agb1-2 tras el tratamiento con flg22, lo que indica que está alterado en una ruta distinta de la regulada por SGB10. sgb11 presenta una sobreactivación de la ruta del ácido abscísico (ABA), lo que podría explicar su resistencia a PcBMM. La mutación sgb11 ha sido cartografiada en el cromosoma III de Arabidopsis entre los marcadores AthFUS6 (81,64cM) y nga6 (86,41cM) en un intervalo de aproximadamente 200 kb, que comprende genes, entre los que no se encuentra ninguno previamente descrito como IRX. El aislamiento y caracterización de SGB11 apoya la relevancia de la proteína G heterotrimérica en la regulación de la interconexión entre integridad de la pared celular e inmunidad. ABSTRACT A significant percentage of agricultural losses are due to diseases caused by necrotrophic and vascular fungi. To enhance crop yields is necessary to have a detailed knowledge of the genetic and molecular bases regulating plant resistance to these pathogens. Arabidopsis thaliana resistance to necrotrophic pathogens, such as Plectosphaerella cucumerina BMM (PcBMM) fungus, is genetically complex and depends on the coordinated activation of various signaling pathways. These include those regulated by salicylic acid (SA), jasmonic acid (JA), ethylene (ET) and abscisic acid (ABA) hormones and the synthesis of tryptophan-derived antimicrobial compounds and cell wall integrity (Llorente et al., 2005, Hernández-Blanco et al., 2007; Delgado-Cerezo et al., 2012). One key component in the regulation of plant resistance to pathogens (including biotrophic and necrotrophic fungi) is the heterotrimeric G-protein. This protein complex is formed by three subunits (Gα, Gβ and Gγ), which also regulates various plant developmental processes. In Arabidopsis only one gene encodes for subunits α (GPA1) and β (AGB1), and three genes for subunit γ (AGG1, AGG2 y AGG3). The complex GPA1- AGB1-AGG(1-3) is activated and dissociates after perception of an specific signal, AGB1- AGG1/2 acts as a functional monomer regulating defense responses (Delgado-Cerezo et al., 2012). Comparative transcriptomic studies and biochemical analyses of the cell wall of agb1-2 and agg1agg2 mutant and wild plants (Col-0), showed that Gβ-Gγ1/2-mediated resistance is not dependent on previously characterized defense pathways. In addition, it suggests that G protein may modulate the composition/structure (integrity) of the plant cell wall (Delgado-Cerezo et al., 2012). Recently, it has been shown that AGB1 is a critical component of the immune response mediated by Pathogen-Associated Molecular Patterns (PTI), as agb1-2 mutants are unable to activate immune responses such as oxygen reactive species (ROS) production after PAMPs treatment (Liu et al., 2013). Considering the importance of the heterotrimeric G protein in regulation of defense responses (including PTI), we performed a screening for suppressors of agb1-2 susceptibility to the necrotrophic fungus PcBMM. This would allow the identification of additional components of the signaling pathways regulated by AGB1. In this search four sgb mutants (suppressors of agb1-2 susceptibility to pathogens) were isolated, two of which, sgb10 and sgb11, have been characterized in this PhD thesis. sgb10 mutant is a second null allele of MKP1 gene (At3g55270), which encodes the MAP kinase-phosphatase 1 (Bartels et al., 2009). This mutant exhibits spontaneous lesions in adult plants and a constitutive activation of the main defense pathways (SA, JA and ET, and secondary metabolites, such as camalexin), which explains its high resistance to Pseudomonas syringae and PcBMM. Epistatic studies suggest that SGB10- mediated resistance is not dependent, but complementary to the regulated by AGB1. The sgb10 mutant is able to restore agb1-2 ROS production and other PTI responses (MAPK6/3/4/11 phosphorylation) upon treatment with PAMPs as diverse as, flg22, elf18 and chitin, demonstrating the relevant role of SGB10/MKP1 and AGB1 in PTI. sgb11 mutant is characterized by showing a similar phenotype to irregular xylem mutants (e.g. irx1), affected in secondary cell wall: irregular xylems cells, rosette size reduction and plant height, and higher chlorophyll content on leaves. The resistance of sgb11 to PcBMM is independent of agb1-2, as susceptibility of the double mutant agb1-2sgb11 is intermediate between agb1-2 and sgb11. The sgb11 mutant does not revert the deficient PTI response in agb1-2 after flg22 treatment, indicating that is altered in a pathway different to the one regulated by SGB10. sgb11 presents an over-activation of the abscisic acid pathway (ABA), which could explain its resistance to PcBMM. The sgb11 mutation has been mapped on chromosome III of Arabidopsis, between AthFUS6 (81.64 cM) and nga6 (86.41 cM) markers, in 200 kb interval, which does not include previously known IRX genes. The isolation and characterization of SGB11 supports the importance of heterotrimeric G protein in the regulation of the interconnection between the cell wall integrity and immunity.

Molecular characterization of Glu-B3 locus in wheat cultivars and segregating populations

Bread wheat quality constitutes a key trait for the demands of the baking industry as well as the broad consumer preferences. The role of the low molecular weight glutenin subunits (LMW-GS) with regard to bread quality is so far not well understood owing to their genetic complexity and to the use of different nomenclatures and standards for the LMW-GS assignment by different research groups, which has made difficult the undertaking of association studies between genotypes and bread quality. The development of molecular markers to carry out genetic characterization and allele determination is demanding. Nowadays, the most promising LMW gene marker system is based on PCR and high resolution capillary electrophoresis for the simultaneous analysis of the complete multigene family. The molecular analysis of the bread wheat Glu-B3 locus in F2 and F4:6 populations expressed the expected one-locus Mendelian segregation pattern, thus validating the suitability of this marker system for the characterization of LMW-GS genes in segregating populations, allowing for the successful undertaking of studies related to bread-making quality. Moreover, the Glu-B3 allele characterization of standard cultivars with the molecular marker system has revealed its potential as a complementary tool for the allelic determination of this complex multigene family.