O mapeamento dinâmico de QTL revelou principalmente a estrutura genética das características fotossintéticas da mamona (Ricinus communis L.)

Jul 20, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 14071 (2023) Citar este artigo

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A alta eficiência fotossintética é a base da elevada biomassa e do alto índice de colheita da mamona (Ricinus communis L.). Compreender a lei genética das características fotossintéticas facilitará o melhoramento para alta eficiência fotossintética. Neste estudo, o mapeamento dinâmico de QTL foi realizado com as populações F2 e BC1 derivadas de 2 genitores com diferença significativa na taxa fotossintética líquida (Pn) em 3 estágios, a fim de revelar a estrutura genética das características fotossintéticas. Na população F2, foram identificados 26 QTLs de locus único, incluindo 3/3/1 (o número de QTL no estágio I/II/III, o mesmo abaixo), 1/2/0, 1/2/2, 1/3 /1, 0/1/1 e 1/1/2 QTLs conferindo Pn, eficiência no uso da água (Wue), taxa de transpiração (Tr), condutância estomática (Gs), concentração intercelular de CO2 (Ci) e teor de clorofila (Cc) , com variação fenotípica explicada (PVE) de 8,40%/8,91%/6,17%, 5,36%/31,74%/0, 7,31%/12,80%/15,15%, 1,60%/6,44%/0,02%, 0/1,10%/ 0,70% e 2,77%/3,96%/6,50% respectivamente. E foram identificados 53 QTLs epistáticos (31 pares), incluindo 2/2/5, 5/6/3, 4/4/2, 6/3/2, 3/2/0 e 4/0/0, conferindo a acima de 6 características, com PVE de 6,52%/6,47%/19,04%, 16,72%/15,67%/14,12%, 18,57%/15,58%/7,34%, 21,72%/8,52%/7,13%, 13,33%/4,94%/ 0 e 7,84%/0/0 respectivamente. Os resultados do mapeamento de QTL na população BC1 foram consistentes com os da população F2, exceto pelo menor número de QTL detectados. A maioria dos QTLs identificados eram de efeito menor, apenas alguns eram de efeito principal (PVE> 10%), focados em 2 características, Wue e Tr, como qWue1.1, qWue1.2, FqTr1.1, FqTr6, BqWue1 .1 e BqTr3; Os efeitos epistáticos, especialmente aqueles relacionados aos efeitos de dominância, foram o principal componente genético das características fotossintéticas, e todos os QTLs epistáticos não tiveram efeitos de locus único, exceto qPn1.2, FqGs1.2, FqCi1.2 e qCc3.2; Os QTLs detectados subjacentes a cada característica variaram em diferentes estágios, exceto os QTLs estáveis ​​qGs1.1, detectados em 3 estágios, qWue2, qTr1.2 e qCc3.2, detectados em 2 estágios; Foram identificados 6 QTLs co-localizados, cada um dos quais conferindo 2 a 5 características diferentes, demonstrando a pleiotropia genética entre características fotossintéticas; 2 clusters de QTL, localizados dentro dos intervalos de marcadores RCM1842-RCM1335 e RCM523-RCM83, continham 15/5 (F2/BC1) e 4/4 (F2/BC1) QTLs conferindo múltiplas características, incluindo QTLs co-localizados e QTLs de efeito principal . Os resultados acima forneceram novos insights sobre a estrutura genética das características fotossintéticas e referências importantes para o melhoramento de alta eficiência fotossintética em mamona.

A mamona é uma importante cultura oleaginosa industrial, com um teor de óleo de semente de 46–55%1. O óleo de mamona é amplamente utilizado nas áreas medicinal, de biodiesel e de especialidades químicas devido à sua elevada quantidade de ácido ricinoleico, que possui propriedades físicas e químicas excepcionalmente distintas2. O óleo de rícino tem sido escasso em resultado do crescimento da economia, uma vez que a sua produção está muito abaixo do nível da procura global3. O cultivo da mamona é a única fonte comercial de óleo de mamona, mas com baixos rendimentos e altos custos trabalhistas, a área de cultivo está diminuindo ano após ano. Assim, é urgente o cultivo de variedades de alto rendimento para promover o crescimento da indústria da mamona no estágio atual.

Melhorar a fotossíntese das culturas pode aumentar significativamente o rendimento e a biomassa4, 5. No entanto, foram relatadas menos pesquisas para características fotossintéticas do que outras características como rendimento e tipo de planta, principalmente devido à dificuldade de recolha de dados e aos efeitos ambientais do processo de medição6. O aprimoramento dos instrumentos e métodos de medição tem promovido o estudo das características fotossintéticas, especialmente em plantas modelo, vários genes que controlam as características fotossintéticas foram encontrados, por exemplo, os genes mediadores da eficiência do uso da água (Wue)7,8,9,10 ,11, taxa de transpiração (Tr)12,13,14 e densidade estomática15, 16 em Arabidopsis, e os genes que regulam a capacidade fotossintética e Wue em arroz17,18,19,20. Além disso, alguns QTLs subjacentes às características fotossintéticas foram detectados com sucesso em outras culturas, mas com baixa taxa de contribuição (a maioria deles com taxa de contribuição inferior a 10%)21,22,23,24. Tal situação pode ser causada pelo efeito epistático que mascara parcialmente o efeito de locus único e pelo controle conjunto das características fotossintéticas por muitos genes de efeito menor . No entanto, a inserção adicional de OsDREB1C resultou no aumento da capacidade fotossintética, o que aumentou o rendimento em mais de 40% no arroz . Demonstrou fortemente o enorme potencial de regulação da expressão dos principais genes que controlam as características fotossintéticas através da engenharia genética para aumentar o rendimento das culturas.