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MEJORA GENÉTICA DE LA
CEBADA
La selección para maltería
José Luis Molina Cano* William T.B. Thomas**
J. Stuart Swanston** y los miembros del Programa Nacional Español
de Mejora de Cebadas***
*Jubilado. España
**The James Hutton Institute, Dundee, Gran Bretaña ***IRTA-UdL, EEAD-CSIC, ITACyL, ITAP, España
1
El Programa Nacional Español de Mejora de Cebadas
2
MEJORA PREVIA
Larga duración
Financiado con fondos públicos
Uso de las técnicas más avanzadas
Un programa de mejora públicamente financiado
3
MEJORA
PREVIA
LA COLECCIÓN
NUCLEAR DE
CEBADAS
ESPAÑOLAS
4
El carácter único del germoplasma autóctono español
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
-0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6PC
O3
PCO1
European2r spring
European6r winter
European 2r winter
Landraces Spain & North Africa
“Manchurian” types(6r spring)
PCO plots of 1000 lines from AGOUEB, ExBARDIV, MABDE & Molina-Cano set of accessions genotyped with bOPA1. Constructed with simple matching coefficients of all SNPs (1536 SNPs)
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
-0,5 0 0,5
PCO1
PC
O2
2 row
6 row
spring
winter
5
El carácter único del germoplasma autóctono español
0 0.2
MOR_V
MOR_VMOR_VMOR_V
MOR_VMOR_V
MOR_V
MOR_V
MOR_VMOR_V
MOR_VMOR_V
MOR_VMOR_V
MOR_VMOR_V
MOR_VMOR_V
MOR_V
MOR_VMOR_V
MOR_V
MOR_V
MOR_V
MOR_V
MOR_V
MOR_V
MOR_V
MOR_VMOR_V
MOR_V
MOR_V
MOR_V
MOR_V
MOR_V
MOR_V
MOR_S
MOR_S
MOR_SMOR_SMOR_S
MOR_S
MOR_S
MOR_S
ISR_S
ISR_S
ISR_S TUR_STUR_S
CYP_S
AFG_S
AFG_S
IRN_SIRN_SIRN_S
CRE_S
ISR_SAFG_S
IRN_S
LIB_S
IRQ_S
IRQ_SAFG_S
ETH_S
LIB_S
SPA_V
SPA_VSPA_VSPA_VSPA_V
ETH_V
ETH_VETH_V
ETH_V
ETH_V
ETH_V
ETH_V
ETH_V
ETH_V
ETH_VETH_V
ETH_VETH_VETH_V
ETH_V
LIB_V
LIB_V
LIB_V
LIB_VLIB_V
LIB_V
LIB_V
LIB_VLIB_V
AGRO
AGROAGROAGRO
AGRO
AGRO
AGROAGRO
AGRO
100
7888
100
97
53
10095
100
736574
75
100100
100
6299
100
91
62
91
50
56
62
58
82
51
96
85
59
86
50
75
100
10094
100
63
10096
100
5174
51
6
Colección Nuclear de Cebadas Españolas (www.eead.csic.es/EEAD/barley/index.php) 175 entradas de ellas 159 líneas de poblaciones locales y 16 cultivares
7
Colección Nuclear de Cebadas Españolas (www.eead.csic.es/EEAD/barley/index.php) 175 entradas de ellas 159 líneas de poblaciones locales y 16 cultivares
8
9
Colección Nuclear de Cebadas Españolas (www.eead.csic.es/EEAD/barley/index.php)
10
Colección Nuclear de Cebadas Españolas (www.eead.csic.es/EEAD/barley/index.php
Molecular characterization • 65 SSRs • 1,536 SNPs from BOPA1 11
12
Explotación del gran potencial de diversidad genética existente en la Colección Nuclear.
54 poblaciones de BC1F2 desarrolladas anteriormente: • 27 entradas CNCE, seleccionadas por caracteres específicos. • Retrocruzadas en todos los casos con nuestra variedad Cierzo, y un segundo juego
con los parentales élite Orria o Plaisant.
Incorporación anual al programa de ocho poblaciones. Tratamiento similar a F2.
Obtención simultanea del juego BC2F2.
Materiales desarrollados hasta el momento:
GeneraciónProyecto
anterior
Campaña
2009-10
Campaña
2010-11
Campaña
2011-12
Total Proyecto
RTA-2009
Campaña
2012-13
Obt. Retrocruz. 54-BC1 0 2-BC2 2-BC2 4-BC2 2-BC2
F2-Core 16 8 BC1 8 BC1 8 BC1+2 24-BC1 y 2-BC2 8 BC1+2
F3-Core 1.260 984 1440 900 3.324 1080
F4-Core 315 185 193 693 107
F5-Core 93 110 203 65
F6-Core 52 52 15
F7-Core 13
MEJORA
PREVIA COLECCION
NUCLEAR
NUEVA VARIABILIDAD
Recombinación
Poblaciones
Originalidad
13
MEJORA
PREVIA COLECCION
NUCLEAR NUEVA VARIABILIDAD
Herramientas
moleculares Respuesta a
estreses
Adaptación
estacional
MATERIAL
ELITE
14
Búsqueda de la adaptación estacional en la Colección Nuclear Española
SPANISH 6-row
REFERENCE 6-row
SPANISH 2-row
REFERENCE 2-row
K=2
K=3
K=4
Final populations
Groups a priori
K=2 K=2
K=3
Subpop. IV-1
Subpop. IV-2
Subpop. III-3
Subpop. III-2
Subpop. III-1
Pop. IV
Pop. III
Pop. II
Pop. I
This genetic diversity is strongly correlated with climatic and latitudinal factors. Eco-geographic adaptation has been demonstrated: HvFT1 (Vrn-H3)
Allelic variation in Vrn-H1 is partially responsible of the seasonal adaptation of the Spanish landraces. There is a gradual vernalization response in the winter types.
Molecular marker diversity analysis has revealed the existence of four clearly separated groups within the old Spanish landrace material
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Typical winter VrnH1-6 VrnH1-4 Typical spring
Day
s to
hea
din
g
VrnH1 allele
0 days
15 days
30 days
45 days
42°N
38°N
36°N
40°N
135_146_AG
135_146_TC
139_142_AG
139_142_TC
Canary Islands
15
Scald Net blotchPowdery mildew
Leaf rust BYDV BaMMV
Resistant/tolerant Susceptible
2. QTL mapping populations:
3. High resolution mapping populations
PIC2
5-1
0,0
Bmag
021
3,3
GBM
1126
5,
4 S9
202
12,7
G
BM10
60
17,6
Bm
ag20
6 20
,9
scss
r079
70b
23,7
Hv
M04
29
,2
scss
r079
70
0,0
GBM
1464
3,
4 Hv
SS1
9,3
scss
r158
64
31,2
Bmac
064
53,5
GBM
1102
62
,9
Ebm
ac07
55
0,0
Bmac
156
14,7
G
BM14
56
21,7
HvM
05
29,6
sc
ssr0
4056
32
,9
HvG
LB2
39,8
F5&F
6-7H
1. Disease screening in the SBCC
New QTL detected, PM
Three populations. PlaisantxSBCC097(L151): 2500 plants, 123 recombinants in 4 cM
4. Fine search through synteny
• SBCC097 x Plaisant, powdery mildew • SBCC145 x Beatrix, powdery mildew, scald • SBCC154 x Beatrix, scald
Genome zipper
Project ExpResBar Plant-KBBE
Búsqueda de resistencia a enfermedades en la Colección Nuclear
16
MEJORA
PREVIA VARIABILIDAD
NUEVA
Herramientas
moleculares Adaptación
estacional
MATERIAL
ELITE
PROGRAMA DE
MEJORA
Selección de parentales
asistida por marcadores
COLECCION
NUCLEAR
Respuesta a
estreses
17
As examples, , we can see in marker Bmac132 of 2H, allele 189 conferring poor adaptation caused by late heading; allele 131 of marker HvBAMY of 4H, of Spanish origin, confers good seasonal adaptation ; finally, allele combination 182-201 of markers Bmag006 and 136 indicates a yield QTL.
Selección de parentales asistida por marcadores moleculares
18
Descripción del programa
19
Centros de mejora del programa nacional de cebada
20
Una de nuestras estaciones en 2005 (más de 4 ha)
21
Estación principal de mejora de cebada en Albacete
22
Características principales
• Basado en un esfuerzo de mejora continuado
– Recombinación del material genético disponible
– Nuevas tecnologías, QTLs y genes candidatos …
– Se aplica ampliamente el concepto de masa crítica: • Hemos desarrollado más de 20.000 genotipos nuevos/año
• 10 centros de ensayo distribuidos por toda España
• Dando respuesta a las demandas sociales
23
ensayos F7
24
1. Creado en 1994 combinando los programas existentes en tres institutos públicos.
2. En su máximo desarrollo han participado cuatro grupos cubriendo todas las zonas cebaderas de España. Ahora solo son dos.
3. Más de 3.500 combinaciones distintas exploradas hasta el momento.
4. Más de 400.000 genotipos cribados hasta el momento.
5. Se trabajó varios años con dihaploides, pero no se continuó debido al pobre ratio beneficio/coste. 25
Parte de una F3
26
6. Cribado por calidad maltera desde F7. 7. Se genotipan molecularmente líneas avanzadas y
parentales potenciales desde hace 10 años. 8. Actualmente de lleva a cabo la introgresión de
segmentos cromosómicos (CILs), QTLs o genes procedentes de la Colección Nuclear española.
9. Se realizan estudios de aptitud combinatoria con
los parentales potenciales.
27
Presente esquema de cruzamientos
• Solamente 100 cruces/año.
• Intercruzamiento de líneas élite del propio programa.
• Introgresión de segmentos cromosómicos (CILs), QTLs o genes procedentes de la Colección Nuclear española.
• Cruzamiento con parentales extranjeros élite previamente ensayados en España y estudiada su aptitud combinatoria.
28
29
30
Generación
Genotipos
evaluados
1994-2009
Genotipos
evaluados
2009-2012
Genotipos
evaluados
1994-2012
Genotipos
evaluados
2013
Cruzamientos 3.469 350 3.819 74
Retrocruz. Core 8 4 12 2
F1 3.737 431 4.168 71
F2 3.248 325 3.573 98
F2retros Core 16 24 40 10
F3 403.566 63.900 467.466 11.400
F4 40.663 6.806 47.469 1.593
F5 11.242 2.387 13.629 480
F6 3.045 718 3.763 160
F7 854 180 1.034 40
F8 389 96 485 24
F9 183 48 231 12
F10 129 26 155 6
Variedades
registradas5 2 7
Relación de materiales generados y seleccionados hasta el presente en el Programa Nacional de Mejora de Cebadas (1994-2013)
Análisis genético retrospectivo del programa de mejora
Grain yield(kg.ha-1)
Albacete 96.0 100.7 100.8 3626
Lleida 101.1 101.3 102.8 4179
Valladolid 99.0 102.2 102.8 3685
Zaragoza 97.6 103.3 107.5 3109
Overall 98.9 102.8 103.5
F8 F9 F10
En base a datos de rendimiento y floración de 349 líneas avanzadas (F8 a F10) Evaluadas en 163 ensayos. En un periodo de once años (1998-2008)
• Progreso evidente en el programa, aumentando los rendimientos relativos en cada generación, hasta superar a los testigos.
• Relación entre fecha de floración y rendimiento débil, en general, en todas las localidades en esta etapa avanzada del programa.
• Existe efecto de la interacción genotipo por ambiente, traducido en algunas diferencias en el comportamiento de los materiales, en determinados ambientes, posiblemente relacionados con el hábito de crecimiento.
31
Evolución del éxito de la mejora
1994-2005
Total genotipos evaluados 362.131
Genotipos evaluados/año 30.178
Variedades inscritas 2
2006-2010
Total genotipos evaluados 83.931
Genotipos evaluados/año 27.977
Variedades inscritas 3
32
Rdto medio (% testigos) en ensayos OEVV
Rendimiento de las cuatro últimas variedades inscritas
Cosecha de campo de 32 ha de Cierzo en Albacete (2011): 8,4 t/ha de rendimiento y 95% de grano de calibre mayor de 2,5 mm. Destinado a la maltería de Estrella de Levante (Murcia)
33
Resultados comerciales
• Cuatro variedades transferidas hasta ahora al sector empresarial.
• Cierzo, la variedad más adelantada en desarrollo comercial, ocupa más de 15.000 ha en 2012 (sembradas con semilla legal).
• Se producirá a escala industrial malta y cerveza de Cierzo en 2012.
34
Integrantes de los equipos participantes en el programa IRTA-UdL (Lérida): • J.L. Molina Cano, A. López, M. Moralejo, P. Muñoz, C. Martínez,
EEAD-CSIC (Zaragoza): • J.M. Lasa, P. Gracia, B. Medina, A. Casas, E. Igartua
ITACyL (Valladolid): • F. Ciudad, N. Aparicio, M. Hernández, T. Aparicio, J.L. Montoya
ITAP (Albacete): • P. López-Fuster, J. Escribano
35
FISIOLOGÍA, GENÉTICA Y GENÓMICA DE LA CALIDAD CERVECERA Y SU USO EN LA
MEJORA DE LA CEBADA
36
1. Introducción (1)
• ¿Qué es el malteado?
• No es, ni más ni menos, que un proceso de germinación semejante al natural, aunque las condiciones de humedad y temperatura se ajustan para optimizar el resultado.
• Al final, lo que se pretende es liberar los gránulos de almidón que se encuentran empaquetados en el endospermo y generar una cantidad suficiente de enzimas hidrolíticas.
• Este almidón será el sustrato principal sobre el que actuarán las enzimas hidrolíticas durante el braceado para generar azúcares simples, principalmente maltosa. Esta será convertida en alcohol y CO2 por las levaduras durante la fermentación.
37
1. Introducción (2)
• Los caracteres de calidad cervecera están, como casi todos los parámetros de valor económico, determinados por la influencia conjunta del genotipo y el ambiente.
• Y esto hace a nuestro proceso extremadamente complicado, pensemos que, a diferencia del trigo, hay aquí dos fenómenos biológicos sucesivos e independientes: la germinación y el braceado/fermentación (por cierto, en esta última aparece otro genotipo: el de la levadura).
• Simplificando diríamos que un buen genotipo necesita de un ambiente adecuado para expresar todo su potencial; sin embargo, un mal genotipo nunca producirá malta y cerveza de alta calidad-
38
1. Introducción (3)
• Lo dicho anteriormente nos anticipa la enorme dificultad que entraña la evaluación de la calidad en un programa de mejora, pues, aunque desde los primeros trabajos en Inglaterra y Canadá en los años 50 del pasado siglo se pusieran las bases que han conducido a las muy eficientes máquinas de micromalteo que existen hoy día, el coste y lo engorroso del trabajo técnico, lo hacen accesible a muy pocos.
• En muchos casos, como en el programa español, solamente se micromaltean muestras de las últimas generaciones.
39
Microestructura del grano de cebada De fuera hacia dentro, y en un corte dorsiventral, podemos distinguir las siguientes regiones:
• Lemma.
• Pericarpio.
• Testa.
• Aleurona.
• Endospermo amiláceo.
40
Corte dorsiventral del grano de cebada
41
Embrión
42
Corte transversal del grano
43
2. Componentes físicos y químicos de la calidad maltera (1)
• Los tres componentes principales del grano de cebada son almidón, β-glucanos y proteínas, que constituyen alrededor del 80% del peso del mismo.
• Estos grupos, en consecuencia, son los principales determinantes de la calidad maltero-cervecera.
• El almidón es el componente mayoritario (~60%) y se encuentra en forma de gránulos grandes (tipo A) y pequeños (tipo B), constituyendo los de tipo A el 90% del volumen.
• Es la combinación de dos polisacáridos, amilopectina (75%) y amilosa. La amilopectina, de cadena ramificada, se degrada más fácilmente que la amilosa, componente mayoritario en la cebadas tipo waxy.
• Los gránulos de almidón se encuentran en el interior de las células del endospermo y están embebidos en la matriz proteínica, constituida mayoritariamente por hordeínas.
44
Gránulos de almidón
45
2. Componentes físicos y químicos de la calidad maltera (2)
• El polisacárido (1-3)(1-4)-β-D-glucanos (abreviadamente β-glucanos ) es el componente principal de las paredes de las células del endospermo de la cebada. Altos niveles del mismo son negativos porque dificultan la modificación del endospermo durante la germinación, al dificultar la difusión de enzimas.
• El desarrollo de métodos rápidos de análisis (Calcofluor, Megazyme…) permiten su evaluación eficaz en los programas de mejora.
• Actualmente, está muy en boga el uso de variedades ricas en β-glucanos, para fabricar complementos dietéticos para la alimentación humana, ya que reducen el colesterol en sangre.
46
Paredes de las células del endospermo
47
2. Componentes físicos y químicos de la calidad maltera (3)
• Las proteínas del grano de cebada se dividen en cuatro fracciones: albúminas, globulinas, hordeínas y glutelinas, y suponen alrededor del 12% del peso seco del grano.
• Las hordeínas, proteínas de reserva, son la fracción mayoritaria y forman la matriz proteínica que envuelve a los gránulos de almidón dentro de las células del endospermo, encontrándose también en la subaleurona.
• Se dividen en cuatro fracciones B, C, D y γ, siendo las C mayoritarias cuantitativamente.
• Las albúminas, globulinas y glutelinas son fundamentalmente proteínas estructurales y metabólicas.
• El contenido de hordeínas C se ve fuertemente incrementado por el abonado nitrogenado y las situaciones de estrés hídrico y/o térmico (por ejemplo en climas mediterráneos).
48
Endospermo: matriz proteínica
49
Componentes físicos y químicos de la calidad maltera (4)
• Las enzimas hidrolíticas más relevantes son: endo-(1,3)(1,4)-β-glucanasa (abreviadamente β-glucanasa), endo y exo-peptidasas, α-amilasa, β-amilasa, α-glucoxidasa y dextrinasa límite.
• La β-glucanasa, que se genera durante la germinación, y cuya actividad está regulada tanto genética como ambientalmente, tiene como fin la degradación de los β-glucanos de las paredes celulares. Su acción en las células del endospermo libera los gránulos de almidón, haciéndolos así accesibles para las amilasas.
• Se compone de dos isoenzimas, ambas termolábiles, aunque existe un transgen de β-glucanasa termoestable.
• Las enzimas proteolíticas principales son las endo y exo-peptidasas, que, aunque existe poca información sobre estas y la calidad maltera en general, pueden ser un factor importante en las cebadas españolas por su más elevado contenido de proteína. Degradan la matriz proteínica.
50
Componentes físicos y químicos de la calidad maltera (5)
• La α-amilasa es el producto de dos familias génicas, y se desarrolla en gran medida durante la germinación, es bastante termoestable y ataca los enlaces 1-4 del almidón.
• La β-amilasa ataca los extremos no reductores de las cadenas de almidón y una parte de ella se encuentra en el grano no-germinado, aunque otra parte se genera durante la germinación. Es bastante termolábil y tiene varias formas isoenzimáticas.
• La dextrinasa límite y la α-glucoxidasa liberan glucosa a partir de las oligodextrinas y maltosa. Ambas son muy termolábiles, por lo que el papel más importante en la hidrólisis del almidón corresponde a la α-amilasa.
51
Un éxito de la mejora para calidad cervecera: La cebada libre de lipoxigenasa (LOX-1 null)
• La cerveza fabricada con malta procedente de cebada libre de LOX-1 muestra niveles reducidos de ácido trihidrooctadecenoico y trans-2-nonenol.
• Esta cerveza es normal organolépticamente hablando pero envejece mucho más lentamente.
52
Null Lox
53
Barley Lipids
Trihydroxyoctadecenoic acid Trans-2-Nonenol
Lipoxygenase (LOX1)
Null Lox
54
Lipoxygenase (LOX1) X Biochemical Screen
Mutagenised Population Germplasm Collection
Componentes físicos y químicos de la calidad maltera (7)
• El complejo sistema de síntesis de enzimas en el grano de cebada está regulado por un sistema hormonal antagonista, ácido giberélico (GA) y ácido abscísico (ABA).
• Simplificando mucho, podríamos decir que el GA acelera la germinación, mientras el ABA la retarda e incluso impide.
• El GA se sintetiza por el embrión y se exporta a la capa de aleurona para disparar la síntesis enzimática (sobre todo de α-amilasa).
• El ABA actúa como antagonista del GA y se encuentra tanto en el grano durmiente como en el mismo al final de la germinación.
• Aparte del contenido de estas hormonas existen diferencias en la sensibilidad a las mismas de las distintas variedades.
55
El efecto ambiental sobre la absorción de agua y el desarrollo del extracto: el modelo Norte-Sur (1)
• Los resultados de investigaciones propias sobre este tema, basados en años de comparaciones muy precisas entre cebadas cultivadas en el sur (Península Ibérica) y norte de Europa (Escocia y Escandinavia) y Norteamérica (Canadá) podemos resumirlos como sigue:
• La absorción de agua depende del contenido de hordeínas y β-glucanos.
• El ratio hordeínas B/hordeínas C se correlaciona negativamente con la absorción.
• Esta se ve facilitada por el contenido de β-glucanos solubles y dificultada por el de insolubles.
• En España se desarrollan más β-glucanasa y β-glucanos que en Escocia, por tanto éstos contribuyen positivamente al extracto. Algo semejante ocurre si comparamos Escandinavia con la Península Ibérica.
56
El efecto ambiental sobre los la absorción de agua y el desarrollo del extracto: el modelo
Norte-Sur (2)
• En Escocia proteína total y β-glucanos crecieron hasta 600 grados-día, en España hasta el final del período de crecimiento.
• En climas más cálidos el extracto decrece a tasa constante al aumentar la proteína total, en climas fríos lo hace a tasa creciente.
• La proteína total hace decrecer más el extracto en los países nórdicos que en la Península Ibérica.
• En un estudio España-Canadá, pudo verse que las cebadas españolas, a pesar de mostrar más elevadas proteína total y hordeínas produjeron más extracto que las canadienses debido a la mayor cantidad de enzimas hidrolíticas (amilolíticas, proteolíticas y citolíticas) generadas durante la germinación de las primeras.
57
La selección fenotípica y sus limitaciones
• Por todo lo dicho anteriormente, la selección fenotípica clásica para la calidad cervecera, p.ej. el micromalteo, tiene sus limitaciones, es decir, no son, en general, transferibles los resultados de un clima a otro muy diferente.
• De aquí que la selección basada en datos genéticos y genómicos pueda considerarse de aplicación más general.
• No obstante, cuando se selecciona para un ambiente concreto, el micromalteo es muy eficaz.
• Mucho cuidado, sin embargo, con aplicar el concepto de pyramiding a la calidad cervecera.
58
La genómica y la mejora de cebada cervecera (1)
• La mejora genética clásica ha contribuido a lo largo de décadas a la elevación de la calidad cervecera, notablemente del extracto y parámetros de modificación.
• Sin embargo en otros (p.ej. poder diastásico y β-glucanos del mosto) no es tan claro.
59
Malt Improvement with time
• Significant improvement in the spring crop
• Not significant in winter crop
Winter poorer than spring
290
295
300
305
310
315
1980 1985 1990 1995 2000 2005
Spring
Winter
60
65
70
75
80
85
90
95
100
1980 1985 1990 1995 2000 2005
Spring
Winter
Hot Water Extract Friability
60
Malt Improvement with time
60
80
100
120
140
160
180
1980 1985 1990 1995 2000 2005
Spring
Winter
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1980 1985 1990 1995 2000 2005
Spring
Winter
Diastatic Power Wort B-Glucan
• No significant improvement in either crop
• Little difference between either crop for DP
• WB tends to have higher B-Glucan than SB
61
La genómica y la mejora de cebada cervecera (2)
• Los QTLs para calidad cervecera, así como los genes candidatos potenciales, están repartidos por todo el genoma.
62
Malting quality QTLs
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
Fria
bility
Hom
og
1H
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
Fria
bility
H
WE
Fria
bility
F
riability
Hom
og
2H
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
Fria
bility
F
riability
F
riability
Hom
og
3H
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
Fria
bility
F
riability
Fria
bility
H
om
og
Fria
bility
HW
E
4H
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
Hom
og F
riability
Hom
og
Fria
bility
Fria
bility
5H
HW
E
Hom
og
HW
E H
WE
H
WE
H
WE
HW
E
HW
E
Fria
bility
Hom
og
6H
HW
E
HW
E
HW
E
HW
E
Fria
bility
H
WE
H
WE
Fria
bility
F
riability
Hom
og
7H
Malt QTL are everywhere on the
genome
See also Szucs et al. The Plant
Genome 2 :134-140
63
La genómica y la mejora de cebada cervecera (3)
• El desarrollo de alineamiento de secuencias para más de 26.000 genes constituye un enorme recurso genómico, dada la facilidad de genotipado de alto rendimiento de SNPs, e incluso genotipado por secuenciación.
• Esto significa que ahora podemos ir desde un intervalo para un QTL dado hasta encontrar los correspondientes genes candidatos aunque no estén representados en chips.
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Development of barley sequence
• Over 26,000 genes
aligned
• Physical & genetic
maps (inner 2 rings)
• Outer 5 rings illustrate
SNV variation of 5
genotypes compared
to reference (Morex)
• Arrow heads indicate
regions of low
diversity in genotypes
ISBC Nature 491, 711–716 65
La genómica y la mejora de cebada cervecera (4)
• A partir de las plataformas Illumina BOPA (Barley Oligo Pooled Assay) se han incrementado enormemente las oportunidades para identificar genes candidatos en regiones conocidas por afectar la calidad.
• El enorme incremento de la eficacia y reducción del coste de estas técnicas de genotipado, han influído muy positivamente en las posibilidades de su aplicación a la selección para calidad cervecera.
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La genómica y la mejora de cebada cervecera (5)
• Estas nuevas técnicas están teniendo como consecuencia el abandono progresivo de las poblaciones biparentales (dihaploides, RILs,…) para pasar a los estudios de asociación del genoma completo (GWAS), que se basa en la tendencia de bloques completos de genes a ser transmitidos juntos (desequilibrio de ligamiento, LD).
• LD persiste en bloques de 2-3 cM en la cebada cultivada, lo que significa que una densidad de marcadores de uno por cM permita detectar asociaciones de marcadores con caracteres.
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La genómica y la mejora de cebada cervecera (6)
• Los estudios de asociación sobre el genoma completo, GWAS, permiten usar grupos de genotipos (variedades locales, cultivares, líneas de mejora, etc), en lugar de poblaciones biparentales, para genotipar y fenotipar con el fin de localizar marcadores usables en la mejora para calidad cervecera.
68
Resources to find candidates
Use marker peak to find candidate genes under peak
Potential Candidate Marker
EEAD Zaragoza, Spain - http://floresta.eead.csic.es/barleymap/mapmarkers/
69
La genómica y la mejora de cebada cervecera (7)
• No obstante la mayor parte de los estudios de asociación sobre el genoma completo (GWAS) están, por el momento, explicando simplemente lo que los mejoradores han logrado durante décadas por medio de análisis fenotípicos clásicos.
• Esto se advierte al comprobar que las regiones relevantes de los genes candidatos típicos en las variedades élite, están virtualmente ya fijadas. La pequeña variación restante es muy poco probable que sea funcional.
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Chromosome 1H Candidates N
ot M
Q/M
Q
Agl3
CslF
9
HcG
lb
UK
Spring R
L 2
008
• Little variation in elite gene pool for known candidates
• Is what’s present functional?
• Has breeding/domestication led to the best balance? 71
La genómica y la mejora de cebada cervecera (8)
• La aplicación de tecnologías de marcadores de alto rendimiento a germoplasma élite supone que puedan explorarse métodos de selección alternativos, como la selección genómica.
• La esencia de estos métodos consiste en estimar efectos alélicos para cada marcador genotipado, que al ser sumados sobre cada genotipo permitirían estimar un Valor de Mejora que nos podría ayudar a decidir qué cruces realizar.
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La genómica y la mejora de cebada cervecera (9)
• Esta Selección Genómica sería muy interesante para la mejora para calidad maltera, pues nos permitiría realizar selección en las primeras generaciones segregantes, en lugar de al final del programa como, por ejemplo, nosotros en España hemos hecho hasta ahora.
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La genómica y la mejora de cebada cervecera ( 10)
• Hemos de ser cautos, sin embargo, a la hora de pensar que todo esto sea una panacea.
• Por ejemplo, la eficacia de la introgresión de caracteres de calidad en líneas élite adaptadas, dependería sobremanera del grado de ligamiento del marcador con el gen de interés.
• Idealmente el marcador debería basarse en el polimorfismo causante del carácter, pero esto es desconocido para muchos caracteres de calidad cervecera.
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• Por ejemplo, aunque el polimorfismo del locus BMY-1, que controla la actividad de β-amilasa, se conoce muy bien,
• estudios sobre germoplasma de mejora han demostrado que hay otros factores que también influyen
• y que el uso de marcadores no puede sustituir al conocimiento de la variación en la secuencia dentro del pool genético de mejora.
La genómica y la mejora de cebada cervecera ( 11)
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La genómica y la mejora de cebada cervecera ( y 12)
• Finalmente, habría que señalar que la mejor estrategia sería usar las herramientas y recursos genómicos disponibles junto con un preciso y eficiente fenotipado para identificar los genes desconocidos que gobiernan la mejora continuada de la calidad maltera observada hasta el momento.
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Para más información sobre genómica de la cebada cervecera, contactar con:
Bill Thomas ([email protected]) o
Stuart Swanston ([email protected])
Muchas gracias por su atención
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