Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Uso de marcadores moleculares en el
mejoramiento genético y su aplicabilidad
Christopher VIOT1
1CIRAD, UMR AGAP
Av Agropolis - 34398 Montpellier Cedex 5 – Francia
TALLER Y CONFERENCIA INTERNACIONAL “SITUACION ACTUAL DE LA
VALORACIÓN, CONSERVACION Y USO DE LA DIVERSIDAD GENETICA DEL
ALGODÓN CON FINES DE BIOSEGURIDAD”
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
x
F1
BC1
x
x Año n+1
Año n+4
Año n
SAM 1
Variedad cultivada Genotipo mejorador
Variedad cultivada
Variedad cultivada
BC2 Año n+2
SAM 2
Variedad cultivada x
BC4 Variedad cultivada x
SAM 5
Variedad cultivada con
gen(es) transferido(s)
Estrategia de SAM
por
retrocruzamiento /
backross
SAM = Selección
asistida por
marcadores
BC = backcross /
retrocruzamiento
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Mapas genéticos de marcadores ADN y
cartografía de QTLs asociados a
caracteres fenotípicos
Ejemplo de mapa genético con regiones
probables de QTLs
Datos no reales
Map: MapChart (Voorrips 2002)
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Principios del
posicionamiento de
los marcadores y de
los QTLs sobre un
cromosoma
Localización
calculada del
QTL
SSR-1
SSR-2
SSR-3
SSR-4
SSR-5
Fenotipo
Fenotipo
Fenotipo
Fenotipo
Fenotipo
Genotipo
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Incremento de precisión de los QTLs :
nuevas poblaciones más numerosas
combinación de QTLs de diferentes
estudios calculo de meta-QTLs con
softwares especializados
3 QTLs de tenacidad ( )
1 QTL de uniformidad de longitud ( )
1 QTL de longitud ( )
1 QTL de finura ( )
Datos no reales
Map: MapChart (Voorrips 2002)
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Mapas genéticos consensos por
combinación de datos de dos
mapas genéticos conteniendo
marcadores ADN comunes
mapa genético con más
marcadores que los mapas
originales
combinación de QTLs de
diferentes estudios, por ej. en una
meta-análisis
Datos no reales
Map: MapChart (Voorrips 2002)
Mapa genético consenso
c02-2016
c02-cons
c02-2014
c21-2016
c21-cons
c21-2014
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Distribución de frecuencia de QTLs a lo largo de los 26 cromosomas
del algodón tetraploide. Los eQTLs o QTLs de expresión (ARN)
fueron detectados por hibridación sobre micro-array,
Observación de "hotspots" o clusters de e-QTLs
Datos no publicados
Gráfico: R software
c22 c23 c24 c25 c26 c21 c20 c19 c18 c17 c15 c14 c13 c12 c11 c10 c09 c08 c07 c06 c05 c04 c03 c02 c01 c16
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
QTL
correspondiendo
al carácter meta
gen A
gen regulador
del gen A
Gen A de
estructura
QTLs y genes de estructura o regulación
cromosoma
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Importancia de la compatibilidad de los alelos de diferentes genes en el
caso de cruces entre genotipos distantes Desequilibrio gamético (o de ligamiento o "linkaje") entre loci de cromosomas homeólogos
en la descendencia de un cruce G. hirsutum x G. barbadense
Mk Mk cM cM
c12 c26
-- --
--
--
--
-- -- -- --
-- -- -- -- -- --
-- -- -- --
-- -- -- --
-- -- -- -- -- -- -- --
--
-- --
-- --
-- -- --
-- -- --
-- -- --
--
-- -- -- --
--
--
0
2
8
15
20
24 25
27 28
34 34 36 36
38 39
46 47
49 50
54 54
56 56
61
62
64 65
67 68 69
70
75
0 1
8 9
20
22 23
32
34 35
38 38 40
46
52
54 55
57
62
76
SSR
SSR
SSR
SSR
SSR
SSR SSR
AFLP AFLP
SSR SSR SSR SSR
SSR SSR
AFLP SSR
SSR AFLP
AFLP AFLP
SSR SSR
SSR
SSR
SSR SSR
SSR AFLP AFLP
SSR
SSR
SSR SSR
AFLP SSR
SSR
AFLP AFLP
AFLP
SSR AFLP
SSR AFLP SSR
AFLP
AFLP
AFLP SSR
SSR
SSR
SSR
Mk Mk cM cM
0
9
15
16
21
23 24 24
26 26
30
32
38
42
45 46
48
50
52
54
61
70
73
77
0
16
21
25
30
32 33
35
39 40 41 42
46
SSR
SSR
SSR
SSR
SSR
AFLP SSR SSR
SSR SSR
AFLP
AFLP
AFLP
SSR
SSR SSR
AFLP
AFLP
SSR
SSR
SSR
SSR
SSR
SSR
SSR
SSR
SSR
SSR
SSR
AFLP SSR
AFLP
SSR SSR SSR SSR
SSR
c3 c17
--
--
-- --
-- -- -- -- -- --
-- --
--
--
-- -- -- -- -- --
--
--
--
--
--
--
--
--
-- -- -- --
-- -- -- --
--
Mk Mk cM cM
c5 c19
--
--
-- -- -- -- --
--
-- -- -- --
-- --
-- -- -- --
--
-- -- -- -- -- -- -- --
-- -- -- -- -- -- -- --
--
--
--
-- --
-- --
-- -- -- --
-- -- -- -- -- --
-- --
-- -- --
-- -- --
0
9
15
18
22 23 25
31
36 38
40
43
49 51
55
57 59 59
65
74 75 76 77 79 80 81
83
88 89
92 93 94
98 99
103
109
0
8
16
18
22 24
31
33
36
38
42 43 44 45 45 46
53
56
65 66 68
72 73
76
SSR
SSR
AFLP
SSR
SSR SSR SSR
SSR
SSR SSR
AFLP
SSR
AFLP SSR
SSR
SSR AFLP AFLP
AFLP
SSR AFLP SSR SSR SSR
AFLP AFLP
AFLP
SSR AFLP
SSR SSR AFLP
SSR SSR
AFLP
SSR
SSR
SSR
AFLP
SSR
SSR SSR
SSR
SSR
SSR
SSR
SSR SSR SSR SSR SSR AFLP
SSR
SSR
SSR AFLP SSR
SSR AFLP
AFLP
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Dos grandes categorías para las bases genéticas
de los caracteres de interés
Multigénica: caracteres
cuantitativos
Detección de QTLs para la
selección asistida por
marcadores
Transferencia fácil por
selección clásica o asistida
por marcadores
Balance por el momento negativo
en creación varietal algodonera
basada sobre los QTLs.
Simple - implicando
pocos genes
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Marcadores del ADN utilizados :
- Microsatélites o SSR - simple sequence repeats
- SNPs – single nucleotide polymorphisms
Métodos de genotipaje (principales)
- PCR y electroforesis
- Micro-array
- Genotipado por secuenciado – GBS
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Principio de la aparición del polimorfismo de longitud
de las secuencias SSR / microsatélites
Copia de la región SSR con 1 unidad más
del motivo repetitivo
Copia de la región SSR con 1 unidad menos
del motivo repetitivo
Copia de la región SSR sin cambio Primer 1 del
marcador SSR
Primer 2 del
marcador SSR
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Imagen de Wikipedia: SNP model by David Eccles (gringer)
Polimorfismo de tipo SNP – single nucleotide polymorphism
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Desnaturalización del ADN
5’ 3’
3’ 5’
ADN doble hebra
3’ 5’
Primer 1 5’ 3’
Primer 2
Apareamiento de los cebadores e
instalación de la polimerasa 5’ 3’
Taq Pol 3’ 5’
Taq Pol
Elongación
5’ 3’
Taq Pol 3’ 5’
Taq Pol
Principio de la PCR – polymerase chain reaction
Ciclo siguiente
Numero de copias del
ADN x2 / ciclo de PCR
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Dos metodologías basadas sobre marcadores ADN
adaptadas para el mejoramiento genético de los
cultivos
Selección genómica Genética de asociación
Mejoramiento varietal de
los cultivos con SAM
Búsqueda de genes en
recursos genéticos
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
La genética de asociación - GWAS
Genómica funcional
Creación varietal
Validación de genes para el
mejoramiento varietal
Genética de asociación: búsqueda
de correlaciones estadísticas entre
fenotipos y genotipos
Recursos Genéticos
QTLs / genes candidatos
localizados
Selección asistida por marcadores
genotipos sin relación
definida de parentesco
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Selección genómica
Principio :
Estudio de las relaciones entre
un muy grande número de
marcadores y los fenotipos de
una población de algodoneros
Estimación de los parámetros de
un modelo de la relación
marcadores ADN - fenotipos 7
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
7
7
7 7
7
Población de referencia :
Genotipado (alta capacidad)
Fenotipado
Estimación de parámetros para un modelo de la
relación entre genotipos y fenotipos
7 7
7 7
7 7
Aplicación para la selección
dentro de las poblaciones metas
7 7 7
Selección genómica
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Aplicación de los marcadores del ADN en el mejoramiento
genético
Los marcadores del ADN permiten respuestas fiables, rápidas y baratas para:
Diferenciar plantas individuales:
identidad entre variedades
proximidad entre genotipos
pureza varietal
estructuración y gestión de recursos genéticos
Controlar la presencia de un transgén o de un gen determinado:
transferencia por retrocruzamiento,
. selección de caracteres con herencia simple
Selección asistida
por marcadores
resistencias a
enfermedades, grado de
pilosidad, densidad de
glándulas de gosipol ..
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Aplicación de los marcadores del ADN en el mejoramiento
genético (2)
En metodologías mas sofisticadas, permiten asistir en la selección de
ideotipos moleculares, a través de la selección genómica en particular
Las secuencias de genomas algodoneros disponibles para todas las
especies importantes permiten buscar directamente marcadores del ADN
ligados a genes determinados
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Genotipado microsatélite Precio (investigación) Precio por dato
96 microplaca ABI 75.48 € 0.10 €
384 microplaca ABI 215.22 € 0.07 €
Ejemplos de costos de datos de genotipado
molecular alta capacidad
Genotipado SNP Precio (investigación) Precio por dato
1 SNP placa 96, LC480 25 € 0.26 €
1 SNP placa 384, LC480 75 € 0.20 €
48*48 Chip Fluidigm,
Biomark 48 SNP x 48
samples
352 € 0.14 €
96*96 Puce Fluidigm,
Biomark 96 SNP x 96
samples
599 € 0.06 €
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Muchas gracias por su atención
Christopher VIOT
CIRAD, UMR AGAP
Av Agropolis - 34398 Montpellier Cedex 5 – Francia
http://www.cirad.fr/
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
En fitomejoramiento de algodón, los marcadores del
ADN permiten diferenciar plantas individuales,
elaborar mapas genéticos incluyendo las posiciones
estimadas de genes de interés, asistir en la
selección de genes determinados o de ideotipos
moleculares, determinar la identidad entre
variedades y la pureza varietal.
La selección asistida por marcadores del ADN está
muy difundida en fitomejoramiento varietal y es
usada para controlar, durante una transferencia por
retrocruzamiento, la presencia de un transgén o de
un gen de un carácter de herencia simple, tal como
ciertas resistencias a enfermedades.
Para los caracteres cuantitativos, de base
multigénica y compleja, las estrategias basadas
sobre el posicionamiento de QTLs a lo largo de los
mapas genéticos no resultaron en aplicaciones
exitosas en fitomejoramiento varietal. La orientación
actual es aplicar la selección genómica desarrollada
en mejoramiento animal, basada sobre números
muy importantes de marcadores.
Para la pureza varietal, la identidad entre
variedades, la ausencia o presencia de transgenes,
los marcadores del ADN permiten respuestas
fiables, rápidas y baratas.
Para los recursos genéticos utilizados en
mejoramiento genético de plantas, el genotipado por
marcadores del ADN permite estructurarlos,
determinar la probabilidad de utilidad, la constitución
de colecciones de referencia y optimizar su gestión.
Las secuencias de genomas algodoneros
disponibles para todas las especies importantes
permiten buscar directamente marcadores del ADN
ligados a genes determinados.
RESUMEN
Christopher VIOT, Uso de marcadores moleculares en el mejoramiento genético y su aplicabilidad. In
MINAM-IPA-MINAGRI-UNALM (Organizadores), Taller y conferencia internacional “Situación actual de
la valoración, conservación y uso de la diversidad genética del algodón con fines de bioseguridad”,
26-28 de septiembre de 2016, La Molina, Perú.
Taller “Conservación y Uso de la Diversidad de Gossypium barbadense L.” - La Molina, Perú - 26-28 Set. 2016 ©C. Viot
Referencias bibliográficas Chee PW and BT Campbell, 2009, Bridging Classical and Molecular Genetics of Cotton Fiber Quality
and Development. In Paterson AH (Ed.), 2009, Genetics and genomics of cotton. Plant Genetics
and Genomics: Crops and Models., , vol. 3, Springer, pp. 283-311
Cros D, 2014, Practical aspects of genomic selection in oil palm (Elaeis guineensis). International
colloquium of the International Society for Oil Palm Breeders (ISOPB), June 2014, Bali, Indonesia
Grand plateau technique régional de génotypage, 2016, Prestations du Plateau de Génotypage CIRAD.
http://www.gptr-lr-genotypage.com/tarifs/plateau-de-genotypage-cirad/microsat
Lacape JM, D Llewellyn, J Jacobs, T Arioli, D Becker, S Calhoun, Y Al-Ghazi, S Liu, O Palaï, S
Georges, M Giband, H de Assunção, P Augusto, V Barroso, M Claverie, G Gawryziak, J Jean, M
Vialle, C Viot, Meta-analysis of cotton fiber quality QTLs across diverse environments in a
Gossypium hirsutum x G. barbadense RIL population. BMC Plant Biology 10, 132 (2010)
Paterson AH, 2009, Toward characterizing the spectrum of diversity in the Gossypium genus. In
Paterson AH (Ed.), 2009, Genetics and genomics of cotton. Plant Genetics and Genomics: Crops
and Models Vol. 3, Springer. pp. 483-491
Perrier X, A Flori, F Bonnot, 2003, Data analysis methods. In: Hamon P, M Seguin, X Perrier, JC
Glaszmann (Eds.), Genetic diversity of cultivated tropical plants. Enfield, Science Publishers.
Montpellier. pp 43 - 76
Viot C, J Jacobs, T Arioli, D Llewellyn, R Derijcker, M Claverie, M Lacape, 2009, Non-independence
between markers on homoeologous chromosomes in an interspecific allopolyploid cotton RILs
population. International Conference on Polyploidy, Hybridization and Biodiversity (ICPHB 2009),
May 17-20, 2009, Saint-Malo, France, Program and Abstracts: p. 135
Voorrips RE, 2002. MapChart: Software for the graphical presentation of linkage maps and QTLs. The
Journal of Heredity 93 (1): 77-78
.