Genome mapping of anthracnose resistance in sorghum germplasm

Abstract

Sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench] is the fifth most produced cereal in the world with increasing popularity by its ability to grow on marginal lands with minimal input of water and nutrients. Nevertheless, sorghum production is limited by foliar diseases such as anthracnose that can cause yield loses of up to 50% in susceptible varieties. Although several resistance sources have been identified in multiple sources of germplasm, the lack of inheritance studies limits their effective use in sorghum breeding programs. Therefore, three populations of recombinant inbred lines (RILs) derived from the crosses between resistant lines IS18760, QL3 or SC112-14 with the susceptible line PI609251 were evaluated for anthracnose reaction in Texas, Florida, Georgia and Puerto Rico. In parallel, three high density linkage maps based on genotype by sequence analysis were constructed to identify quantitative trait loci (QTL) for resistant response. The IS18760 and QL3 RILs populations showed segregation for anthracnose resistance in Texas and Puerto Rico, and susceptibility against pathotypes from Florida and Georgia, while SC112-14 segregated in the four locations. Genome scan of IS18760 by composite interval mapping detected 4 QTL in Texas and 4 QTL in Puerto Rico, while the scan of QL3 detected 4 QTL in Puerto Rico. Both analyses resulted in the detection of one QTL of 1.63 Mb in chromosome 4 that accounted for 22% and 9% of the phenotypic variation in Texas and Puerto Rico. The genome scan of SC112-14 identified one QTL in chromosome 5 (Cs-SC112) that explained 0.51, 0.57, 0.37 and 0.52% of the phenotypic variance in Puerto Rico, Texas, Florida and Georgia, respectively. Subsequently, analysis of 1,500 F2:3 segregating individuals reduced Cs-SC112 locus to an interval of 23 Kb enclosing three candidate genes. Comparative analysis with Plant Resistance Gene Database suggested Sobic.005g172300, which is characterized by the presence of F-box and Ser-Thr kinase domains, is the best candidate gene in the locus. Resequencing analysis of both parental lines identified four point mutations that generate two protein variants. Candidate genes within these loci suggest that resistance response is controlled by multiple defense mechanisms including signaling cascades and transcriptional reprogramming genes. The inheritance information and molecular markers developed in this study can facilitate the use of these resistant sources in breeding programs.

El sorgo [Sorghum bicolor (L.) Moench] es el quinto cereal más producido en el mundo y su popularidad va en aumento por su capacidad de crecer en tierras marginales con un aporte mínimo de agua y nutrientes. Sin embargo, la producción de sorgo se limita por enfermedades foliares como la antracnosis que pueden reducir el rendimiento hasta en un 50% en variedades susceptibles. Aunque se han identificado varias fuentes de resistencia en múltiples fuentes de germoplasma, la falta de estudios de herencia limita su uso efectivo en los programas de mejoramiento. Por consiguiente, se evaluó la respuesta a antracnosis de tres poblaciones de líneas endogámicas recombinantes (LER) derivadas del cruce entre las líneas resistentes IS18760, QL3 y SC112-14 con la línea susceptible PI609251 en Texas, Florida, Georgia y Puerto Rico. Paralelamente, se construyeron tres mapas de ligamiento con alta densidad, basados en el análisis de genotipo por secuenciación, para identificar loci cuantitativos (QTL) para la respuesta de resistencia. Las poblaciones LER de IS18760 y QL3 mostraron segregación para resistencia a la antracnosis en Texas y Puerto Rico, y susceptibilidad frente a patotipos de Florida y Georgia, mientras que SC112-14 segregó en las cuatro localidades. La evaluación del genoma de IS18760 utilizando un mapeo de intervalo compuesto detectó 4 QTL en Texas y 4 QTL en Puerto Rico, mientras que la evaluación de QL3 detectó 4 QTL en Puerto Rico. Ambos análisis resultaron en la detección de un QTL de 1.63 Mb en el cromosoma 4 que explica el 22% y el 9% de la variación fenotípica en Texas y Puerto Rico, respectivamente. En SC112-14 se identificó un QTL en el cromosoma 5 (Cs-SC112) que explica 51, 57, 37 y 52% de la varianza fenotípica en Puerto Rico, Texas, Florida y Georgia, respectivamente. Posteriormente, el análisis de 1,500 individuos F2:3 redujo el locus Cs-SC112 a un intervalo de 23 Kb con tres genes candidatos. El análisis comparativo con la base de datos de genes de resistencia de plantas sugirió que el gen Sobic.005g172300, caracterizado por la presencia del dominio F-box y una quinasa Ser-Thr, es el mejor candidato en la región. Un análisis de re-secuenciación de ambas líneas parentales identificó cuatro mutaciones que generan dos variantes de proteínas. Los genes candidatos dentro de estos loci sugieren que la respuesta de resistencia está controlada por múltiples mecanismos de defensa relacionados a la cascada de señalización y reprogramación transcripcional. La información de herencia y los marcadores moleculares desarrollados en este estudio son necesarios para hacer un uso adecuado de estas fuentes de resistencia en programas de mejoramiento.