Diversidade genética, ganhos com seleção e seleção genômica ampla na espécie Coffea canephora

Abstract

A presença de variabilidade genética associada a estratégias mais eficientes de seleção são imprescindíveis para se obter sucesso nos programas de melhoramento. Nesse sentido, o uso de marcadores moleculares em estudos de diversidade, bem como a seleção baseada em dados fenotípicos por meio do uso de procedimentos genético-estatísticos mais refinados têm se mostrado ferramentas úteis nos programas de melhoramento. Além disso, com o avanço das plataformas de NGS (Next Generation Sequencing), um novo método de seleção, que visa utilizar dados fenótipos e moleculares, denominado Seleção Genômica Ampla foi proposto. O objetivo do trabalho foi identificar marcadores SNP (Single Nucleotide Polymorphism) e validá-los em estudos de diversidade genética; estimar os parâmetros genéticos e os ganhos com a seleção utilizando a metodologia de modelos mistos (REML/BLUP); aplicar o princípio da GWS (Genome Wide Selection) e avaliar sua eficiência em população de C. canephora. A população em estudo, inicialmente, foi composta por 72 genótipos nos quais os marcadores SNP foram identificados e validados. A seleção fenotípica, por meio do procedimento REML/BLUP, foi realizada em 192 genótipos de cafeeiros. Por fim, a população avaliada por meio da GWS foi composta por 165 genótipos. Utilizando a plataforma de sequenciamento da empresa RAPiD Genomics foram identificados 117.450 SNP em 72 indivíduos de C. canephora. Após análises de qualidade, 33.485 SNP foram selecionados e validados em análises de diversidade e estrutura genética de populações. Os marcadores foram eficientes na avaliação da diversidade e estrutura genética de C. canephora e com base em nessas análises foi possível selecionar possíveis cruzamentos promissores dentro e entre os grupos varietais e Híbridos geneticamente mais distantes. Com base nas análises utilizando o método REML/BLUP foi possível selecionar genótipos Conilon e Robusta promissores por serem geneticamente divergentes pela análise de agrupamento e por proporcionarem ganhos elevados com a seleção. Estes podem ser intercruzados para obter cultivares dentro de cada grupo varietal e/ou como genitores em cruzamentos interpopulacionais. Além disso, foi possível selecionar famílias híbridas que se destacaram nas análises. Estas podem ser testadas em diferentes regiões e as promissoras utilizadas como variedade propagada por semente. As famílias híbridas selecionadas podem também ser intercruzadas (cruzamento intrapopulacional) para avanço da seleção recorrente. Por fim, a GWS mostrou-se ferramenta útil para o melhoramento de C. canephora, por predizer com alta acurácia os valores genéticos genômicos dos indivíduos e possibilitar a redução no tempo necessário para completar o ciclo de seleção, proporcionando ganhos significativos em eficiência seletiva por unidade de tempo.

The presence of genetic variability associated with more efficient selection strategies is essential for success in breeding programs. In this sense, the use of molecular markers in diversity studies, as well as selection based on phenotypic data through the use of more refined genetic-statistical procedures have been shown to be useful tools in breeding programs. In addition, with the advancement of NGS (Next Generation Sequencing) platforms, a new selection method, which aims to use phenotype and molecular data, called the Genome Wide Selection was proposed. The objective of this work was to identify SNP markers (Single Nucleotide Polymorphism) and to validate them in studies of genetic diversity; to estimate genetic parameters and selection gains using the mixed model methodology (REML/BLUP); to apply the principle of GWS (Genome Wide Selection) and to evaluate its efficiency in C. canephora population. The study population was initially composed of 72 genotypes in which the SNP markers were identified and validated. Phenotypic selection, using the REML/BLUP procedure, was performed on 192 coffee genotypes. Finally, the population evaluated through GWS consisted of 165 genotypes. Using the RAPiD Genomics company sequencing platform, 117,450 SNPs were identified in 72 C. canephora individuals. After quality analyzes, 33,485 SNPs were selected and validated in analyzes of diversity and genetic structure of populations. The markers were efficient in evaluating the genetic diversity and structure of C. canephora and based on these analyzes, it was possible to select possible promising crosses within and among the genetically distant varietal and hybrid groups. Based on the analyzes using the REML/BLUP method, it was possible to select promising Conilon and Robusta genotypes because they are genetically divergent by cluster analysis and because they provide high gains with selection. These can be cross-linked to obtain cultivars within each varietal group and/or as parents at interpopulation crossings. In addition, it was possible to select hybrid families that stood out in the analyzes. These can be tested in different regions and the promising ones used as seed propagated variety. Selected hybrid families can also be cross-linked (intrapopulation cross) to advance recurrent selection. Finally, the GWS proved to be a useful tool for the improvement of C. canephora, by accurately predicting the genomic genetic values of the individuals and allowing the reduction in the time needed to complete the selection cycle, providing significant gains in selective efficiency by unit of time.