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Taller CYTED “ Zonas agrícolas en expansión: impactos y desafíos impuestos por limitaciones a la productividad de cereales”
Paysandú, 27 de octubre de 2010
Control genético de enfermedades fúngicas: acercamientos para identificación y utilización de
genes de resistencia cualitativa, cuantitativa ytolerancia
Ariel CastroEEMAC, Facultad de Agronomía, Universidad de la República
Los problemasIdentificar los componentes genéticos responsables de la resistencia (cuantitativa y cualitativa) y la tolerancia
Desarrollar una estrategia de integración de los componentes identificados en el germoplasma en uso en producción sin perder caracteres deseables
Las herramientas Uso de instrumentos genómicos para la identificación y localización de los componentes genéticos (Análisis de QTL, Mapeo por DL)
Uso de estrategias de acumulación de genes vía piramidización y selección asistida
Algunos cuellos de botella
HUESPED PATÓGENOESCAPE
TOLERANCIA
RESISTENCIA
RESISTENCIA
• Factores morfológicos (altura, barreras físicas, etc)
• Factores fisiológicos (ciclo, tolerancia a estrés, etc)
• Resistencia “verdadera”
HUESPED PATÓGENO
MECANISMOS - ESPECIALIZADOS
MECANISMOS + ESPECIALIZADOS
TIPOS DE RESISTENCIA
Nivel de resistencia
Razas o aislamientos del patógeno
A B C D E F G
Nivel de resistencia
Razas o aislamientos del patógeno
A B C D E F G
RH
RH
Resistencia Vertical
TIPOS DE RESISTENCIA
VERTICAL HORIZONTAL
CUALITATIVA CUANTITATIVA
MONOGÉNICA POLIGÉNICA
ESPECÍFICA NO-ESPECÍFICA
NO-DURABLE DURABLE
TOTAL PARCIAL
Baja infección
Infección intermedia
Baja durabilidad
Alta durabilidad
Patógeno
Avr R gen
Huesped
SIN ENFERMEDAD
Respuesta hipersensitiva
MODELO BIOTROFOS: HIPERSENSIBILIDAD
Patógeno
Avr R gen
Huesped
Patógeno
Avr
ENFERMEDAD
MODELO NECROTROFOS: DETOXIFICACIÓN
Patógeno
Toxina Huesped
ENFERMEDAD
Muerte
Patógeno
Toxina Huesped
SIN ENFERMEDAD
Inactivación
MODELO NECROTROFOS: DETOXIFICACIÓN
UTILIZACIÓN DE LA RESISTENCIA
TIEMPO
INFECCIÓN AREA
TIEMPO
INFECCIÓN AREA
EFECTO “VERTIFOLIA”
TIEMPO
RESISTENCIAHORIZONTAL
RESISTENCIA VERTICAL
EFECTO “VERTIFOLIA”
TIEMPO
RESISTENCIAHORIZONTAL
RESISTENCIA VERTICAL
Patógeno
Resistencia
Huesped
ENFERMEDAD LIMITADA
Sin respuesta hipersensitiva
RESISTENCIA CUANTITATIVA
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0-20 20-40 40-60 60-80 80-100
Severidad a campo
Fre
cuen
cia
IT 0-3IT 4-6IT 7-9
Distribución del comportamiento de líneas avanzadas de cebada del programa de ICARDA/CIMMYT frente a roya estriada en condiciones de campo de acuerdo a su reacción a la inoculación en invernadero.
Sandoval-Islas et al., 1998
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 1 2 3 4
Ciclo de selección
AU
DP
C
Respuesta a 4 ciclos de selección recurrente por resistencia parcial a roya de la avena
Diaz-Lago et al., 2002
INFECCIÓN RENDIMIENTO
INFECCIÓN RENDIMIENTO
¿TOLERANCIA?
Evolución del área foliar afectada por Septoria tri tici para dos cultivares contrastantes (Barkai y Miriam) .
Zuckerman et al. 1996
0102030405060708090
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Dias pos-emergencia
Sev
erid
ad (
%)
Cult. Sucep.
Cult. Tolerant
GS 41
GS 71
Adaptado por Hoffman, 2006
-69.62.25 a6135.8 aProtegidoSusceptible
-163.21.14 b829.8 bInoculado
-122.00 a3635.5 aInoculado
-122.14 a9137.3 aProtegidoTolerante
µg/cm²(mg)Cultivar
Flujo CO2
en espigaT. fijación CO2ClorofilaPeso grano
A nivel de AF verde
Zuckerman et al., 1996, adaptado por Hoffman, 2006
Hoffman et al., sp.
Hoffman et al., sp.
2003, 2004 y 2006
y = 0,0012x2 - 12,766x + 33575R2 = 0,7826
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
30003500400045005000550060006500
Media ambiental
Res
pues
ta a
l con
trol (
kg.h
a-1)
CbeQueb
Hoffman et al., sp.
TOLERANCIA
• Aparece como altamente deseable en nuestro “fenotipo ideal”
• Sin una definición ajustada
• De muy costosa medición
Los problemasIdentificar los componentes genéticos responsables de la resistencia (cuantitativa y cualitativa) y la tolerancia
Las herramientas Uso de instrumentos genómicos para la identificación y localización de los componentes genéticos (Análisis de QTL, Mapeo por DL)
VARIEDAD
Gen 1 Gen 2 Gen 3 Gen 4 Gen 5
HERRAMIENTAS:
Resistencia cualitativa (distribución discreta mendeliana)
Mapeo directo por análisis de ligamiento (el carácter es utilizado como un marcador más)
0.00MWG889b 5.60
ABG461
30.50
Risp103 39.6047.40
62.90
69.60
78.9087.40
cat3 87.40
HvGLB 96.80
Bmag120
Bmac156
Ris44
Stripe Rust
ABC310b
KPF087
CEBADA
Población: CI 10987 x Galena
Resistencia a roya estriada
Castro et al., 2003
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
LOD score
Nivel de significación
Resistencia cuantitativa
Mapeo mediante análisis de QTL (poblaciones segregantes balanceadas)
Resistencia cuantitativa
Bmac3160.0
Bmag50029.7
Bmag17380.5Bmag00981.0
6H
CEBADA
Población: BCD47 x Baronesse
Resistencia a roya de la hoja
Resistencia cuantitativa Mapeo mediante desequilibrio de ligamientos (colecciones sin requerimientos específicos)
LOD score
Nivel de significación
Falsos positivos
1H 2H 3H 4H 5H 6H 7H
-Log(p-valor)
p< 0.0001
DETECCION DE GENES Y QTL DE RESISTENCIA: MANCHA BOR ROSA (URUGUAY)
Resistencia cuantitativa Mapeo mediante desequilibrio de ligamientos (colecciones sin requerimientos específicos)
CUELLO DE BOTELLA
DISPONIBILIDAD DE FUENTES DE RESISTENCIA DURABLE
Tolerancia?
• Análisis de QTL
Limita el rango de variación y define mejor las clases.Parecería la mejor opción en una primera etapa
N = 100
• Mapeo por DL
Si existe una variación muy amplia o mecanismos contrapuestos los resultados pueden ser confusos.Podría funcionar en una etapa mas desarrollada del tema
N = 100-200?
CUELLO DE BOTELLA
DISPONIBILIDAD DE FUENTES DE RESISTENCIA DURABLE
IDENTIFICACION DE LOS FACTORES GENETICOS QUE DETERMINAN LA TOLERANCIA: COMO CARACTERIZAR FENOTIPICAMENTE?
Los problemasDesarrollar una estrategia de integración de los componentes identificados en el germoplasma en uso en producción
Las herramientas Uso de estrategias de acumulación de genes vía piramidización y selección asistida
Patógeno
Avr R gen
ACUMULACIÓN DE GENES
Huesped
R1 gen
R2 gen
Avr1
Avr2
SIN ENFERMEDAD
Respuesta hipersensitiva
PR-106• Alto rendimiento• Alta susceptibilidad a X.oryzae
IRBB62• 3 genes de resistencia a X.oryzae
F1
BC1F1
Selección asistida con marcadores ligados a resistencia
BC2F1
Selección asistida con marcadores ligados a resistencia
BC2F2
BC3F1
Adaptado de Singh et al., 2001
16.021.025.010.5PR-106
0.20.50.40.2PR-106 +xa5 + xa13 + Xa21
0.50.32.60.5PR-106 + xa13 + Xa21
0.82.01.50.4PR-106 + xa5 + Xa21
3.04.04.02.5PR-106 + xa5 + xa13
1.02.52.50.5PR-106 + Xa21
4.02.014.05.5PR-106 + xa13
7.512.84.83.5PR-106 + xa5
4321
Aislamientos de X. oryzae
Singh et al., 2001
Tamaños de lesión (en centímetros) en líneas derivadas de PR-106 con diversas combinaciones de alelos de resistencia a X. oryzae al ser
inoculadas con distintos aislamientos del patógeno.
Patógeno Huesped
ENFERMEDAD MÁS LIMITADA
Resist.Cuant.
ACUMULACIÓN DE QTL (RESISTENCIA CUANTITATIVA)
Resist.Cuant.
Resist.Cuant.
Resistencia cuantitativa en planta adulta
4(4H) 5(1H) 7(5H)
QTL4QTL7
Cali/Bowman
QTL5
Shyri/Galena
EFECTO ADITIVO
Orca Harrington
BC1 M.A.S.
Cr.4 y 7
Shyri Galena
DI-72
Calicuchima Bowman
F1
QTL4
QTL7
QTL5
Pirámide
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Days after disease appearance
Dis
ease
sev
erity
(%
)
HarringtonOrcaD1-72
Castro et al., 2003
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Days after disease appearance
Dis
ease
sev
erity
(%
)
HarringtonNO QTLQTL4QTL5QTL7
Castro et al., 2003
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Days after disease appearance
Dis
ease
sev
erity
(%
)
HarringtonNO QTLQTL45QTL47QTL57QTL457
Castro et al., 2003
61.144.646.0r 2
0.0130 f226 d8.9 EF+++
0.0194 e341 cd21.1 D++-
0.0085 g160 d7.7 F+-+
0.0137 f241 d15.8 E-++
0.0317 b648 b40.2 B+--
0.0278 c587 b31.7 C-+-
0.0227 d438 c25.0 D--+
0.0402 a850 a50.8 A---
Tasa de infeccion
ABCDESeveridadQTL7QTL5QTL4
Castro et al., 2003
Patógeno
Avr R gen
Huesped
SIN ENFERMEDAD
Respuesta hipersensible
Resist.Cuant.
ACUMULACIÓN DE RESISTENCIA CUANTITATIVA Y CUALITATIVA
Reversión del efecto “vertifolia”
Patógeno
Avr R gen
Huesped
ENFERMEDAD REDUCIDA
Sin respuesta hipersensible
Resist.Cuant.
ACUMULACIÓN DE RESISTENCIA CUANTITATIVA Y CUALITATIVA
Reversión del efecto “vertifolia”
1(7H) 4(4H) 5(1H) 7(5H)
QTL4QTL7
QTL5
BSTR1
0
10
20
30
40
50
60
70
Severidad
BSTR1 + + + + - - - -QTL4 + + - - + + - -QTL4b + - + - + - + -
D DD D
C
B
AA
Castro et al., 2003
0
10
20
30
40
50
60
Severidad
BSTR1 + + + + - - - -QTL5 + + - - + + - -QTL4c + - + - + - + -
DD
D D
C
B
A
BC
Castro et al., 2003
Los problemasDesarrollar una estrategia de integración de los componentes identificados en el germoplasma en uso en producción
Las herramientas Uso de estrategias de acumulación de genes vía piramidización y selección asistida
Nuevas estrategias de acumulación/selección (Selección genómica)
Identificación y utilización de genes de resistencia cualitativa, cuantitativa y
tolerancia
HABERES
• Capacidad de caracterización fenotípica
• Capacidad de caracterización genotípica (local e internacional)
• Recursos humanos
• Laboratorios descentralizados (cercanos al proceso de selección)
• Equipos de apoyo (fitopatología, fisiología)
Identificación y utilización de genes de resistencia cualitativa, cuantitativa y
tolerancia
LIMITANTES
• Disponibilidad de fuentes de resistencia (ambos tipos)
• Sobre-utilización de un número reducido de fuentes cuantitativas
• Poca “financiabilidad” de la creación de germoplasma de base
• Dificultades para la identificación PRACTICA de la tolerancia
• Financiación del desarrollo sistemático de nuevas pirámides