Multi-environment multi-QTL association mapping identifies disease resistance QTL in barley germplasm from Latin America

Abstract

Diseases represent a major constraint for barley (Hordeum vulgare L.) production in Latin America. Spot blotch (caused by Cochliobolus sativus), stripe rust (caused by Puccinia striiformis f.sp. hordei) and leaf rust (caused by Puccinia hordei) are three of the most important diseases that affect the crop in the region. Since fungicide application is not an economically or environmentally sound solution, the development of durably resistant varieties is a priority for breeding programs. Therefore, new resistance sources are needed. The objective of this work was to detect genomic regions associated with field level plant resistance to spot blotch, stripe rust, and leaf rust in Latin American germplasm. Disease severities measured in multi-environment trials across the Americas and 1,096 SNPs in a population of 360 genotypes were used to identify genomic regions associated with disease resistance. Optimized experimental design and spatial modeling were used in each trial to estimate genotypic means. Genome-Wide Association Mapping (GWAS) in each environment was used to detect Quantitative Trait Loci (QTL). All significant environment-specific QTL were subsequently included in a multi-environment-multi-QTL (MEMQ) model. Geographical origin and inflorescence type were the main determinants of population structure. Spot blotch severity was low to intermediate while leaf and stripe rust severity was high in all environments. Mega-environments were defined by locations for spot blotch and leaf rust. Significant marker-trait associations for spot blotch (9 QTL), leaf (6 QTL) and stripe rust (7 QTL) and both global and environment-specific QTL were detected that will be useful for future breeding efforts.

Las enfermedades representan una limitación importante para la producción de cebada (Hordeum vulgare L.) en América Latina. La mancha amarilla (causada por Cochliobolus sativus), la roya amarilla (causada por Puccinia striiformis f.sp. hordei) y la roya de la hoja (causada por Puccinia hordei) son tres de las enfermedades más importantes que afectan al cultivo en la región. Dado que la aplicación de fungicidas no es una solución económica ni ecológica, el desarrollo de variedades resistentes de forma duradera es una prioridad para los programas de mejora genética. Por lo tanto, se necesitan nuevas fuentes de resistencia. El objetivo de este trabajo fue detectar regiones genómicas asociadas con la resistencia de las plantas a nivel de campo a la mancha amarilla, la roya amarilla y la roya de la hoja en germoplasma latinoamericano. Para identificar las regiones genómicas asociadas con la resistencia a las enfermedades se utilizaron las severidades de las enfermedades medidas en ensayos multiambientales a lo largo de las Américas y 1.096 SNPs en una población de 360 genotipos. En cada ensayo se utilizó un diseño experimental optimizado y modelos espaciales para estimar las medias genotípicas. Para detectar los loci de rasgos cuantitativos (QTL) se utilizó la cartografía de asociación de genoma completo (GWAS) en cada entorno. Todos los QTL significativos específicos de cada ambiente se incluyeron posteriormente en un modelo multi-ambiente-multi-QTL (MEMQ). El origen geográfico y el tipo de inflorescencia fueron los principales determinantes de la estructura de la población. La severidad de la mancha fue de baja a intermedia, mientras que la severidad de la roya de la hoja y de la raya fue alta en todos los ambientes. Los megaambientes se definieron por localizaciones para la mancha y la roya de la hoja. Se detectaron asociaciones significativas entre marcadores y rasgos para la mancha (9 QTL), la hoja (6 QTL) y la roya amarilla (7 QTL), así como QTL globales y específicos de cada ambiente, que serán útiles para futuros esfuerzos de mejora genética.