Desenvolvimento e aplicações de DArT (Diversity Arrays Technology) e genotipagem por sequenciamento (Genotyping-by-Sequencing) para análise genética em eucalyptus

Abstract

Espécies de Eucalyptus tem sido utilizadas com sucesso para plantios florestais devido ao seu rápido crescimento, sua capacidade de adaptação às diversas condições edafo-climáticas e pelo seu potencial econômico na produção de energia, fibra e madeira sólida, reduzindo assim a pressão sobre as florestas tropicais e a biodiversidade associada. Marcadores moleculares tais como RAPD, AFLP, microssatélites, e mais recentemente SFP e SNPs têm contribuído para a caracterização e conservação dos recursos genéticos do gênero Eucalyptus, auxiliando também na compreensão da evolução do gênero, além de permitir a construção de mapas de ligação e identificação de QTLs (Quantitative trait loci). Entretanto, estas técnicas são lentas, laboriosas, apresentam limitações de cobertura genômica e envolvem custos elevados para a análise de muitos indivíduos. Diversity Arrays Technology (DArT) é um método baseado em hibridização que permite genotipar centenas a milhares de marcadores num simples ensaio. Esta tecnologia gera um perfil genômico com um alto rendimento e um grande poder de transferibilidade entre espécies. Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento da primeira plataforma de genotipagem de alto desempenho de marcadores DArTs em microarranjo para o gênero Eucalyptus, e demonstrada sua eficiência em estudos de diversidade genética, filogenia e mapeamento genético. Foram desenvolvidas 18 bibliotecas genômicas de complexidade reduzida a partir de 64 espécies diferentes do gênero. Um total de 23.808 fragmentos de DNA foram avaliados para revelação de polimorfismos DArT, e 13.300 (56%) destes declarados polimórficos entre um painel de triagem composto por 284 indivíduos. Destes, 7.680 marcadores foram selecionados para a construção de um microarranjo de genotipagem para uso em rotina. Em um estudo de diversidade intra-específica, 4.752 marcadores foram polimórficos e 5.013 mostraram segregação mendeliana em seis populações segregantes não relacionadas, com uma média de 2.211 marcadores polimórficos por população. Na etapa seguinte do trabalho, foi otimizada a tecnologia de genotipagem por sequenciamento DArT-seq para a construção de um mapa genético de alta densidade para uma população segregante do cruzamento entre árvores elite de E. grandis (BRASUZ1 x M4D31). A população foi genotipada com o microarranjo DArT e com a técnica DArTseq. Enquanto o microarranjo DArT forneceu 1.088 marcadores, a genotipagem DArT-seq forneceu 2.449. No total, um mapa de ligação integrado por 564 marcadores DArT, 1.930 marcadores DArTseq e 29 microssatélites foi construído. Além destes marcadores, mais de 1.500 SNPs derivados da metodologia DArT-seq foram obtidos proporcionando uma vantagem adicional pela inclusão de marcadores co-dominantes no mapa. O desenvolvimento de metodologias de genotipagem por sequenciamento (GbS) via enzimas de restrição como DArT-seq ou captura com sondas, representa uma aplicação adicional das tecnologias de "next generation sequencing" além do sequenciamento, 2 potencializando a análise genética com marcadores moleculares. A combinação do elevado número de marcadores, baixo custo, metodologia relativamente accessível e uso de reagentes universais, aponta para um uso crescente de GbS nos próximos anos nas mais diversas aplicações em estudos de genética de populações, investigações evolutivas e em apoio ao melhoramento acelerando e aumentando a precisão da seleção direcional de características multifatoriais complexas. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT

Species of Eucalyptus have been successfully used for forest plantations due to its rapid growth, its ability to adapt to various soil and climatic conditions and its economic use in energy, fiber and solid wood, reducing pressure on tropical forests and associated biodiversity. Molecular markers such as RAPD, AFLP, microsatellites, and more recently SFP and SNPs have contributed to the characterization and conservation of genetic resources of the genus, to the understanding of the evolution of the genus, and allowing the construction of linkage and QTLs maps. However, these techniques are slow, laborious, provide limited genome coverage and are costly for the analysis of large sample sizes. Diversity Arrays Technology (DArT) is a hybridization-based method that allows genotyping hundreds to thousands of markers in a single assay. This technology generates a genomic profile with high throughput and transferability between species. This study presents the development of the first high throughput genotyping platform for species of Eucalyptus based on a DArT microarray and demonstrates its use for diversity, phylogeny and mapping studies. A total of 18 reduced representation genomic libraries from 64 different species of the genus were developed. A total of 23,808 DNA fragments were screened for polymorphism and 13,300 (56%) of them declared polymorphic in a panel of 284 individuals. Out of these, 7,680 markers were selected to populate a routine DArT genotyping microarray. In an inter-specific diversity study, 4,752 were deemed polymorphic while 5,013 showed Mendelian segregation when assessed in six inter-specific mapping pedigrees, with an average of 2,211 polymorphic markers per pedigree. The subsequent step of the study, involved the optimization of the genotyping-by-sequencing technology called DArT-seq to construct a high density genetic map for a segregating population derived from the E. grandis elite trees (BRASUZ1 x M4D31). The population was genotyped both with the DArT microarray and with DArT-seq. While the DArT microarray yielded 1,088 markers, the DArT-seq method supplied 2,449 markers. In total, an integrated linkage map with 564 DArT markers, 1,930 DArT-NGS markers and 29 microsatellites was built. Besides these mapped markers, an additional set of over 1,500 SNPs derived from DArT-seq were scored providing an additional advantage by the inclusion of co-dominant markers on the map. The development of genotyping by sequencing (GBS) 3 methods via restriction enzymes as DART-seq or capture probes, represents a further application of the technologies of "next generation sequencing" beyond sequencing, empowering the genetic analysis with molecular markers. The combination of the large number of markers, low cost, relatively accessible methodology and use of universal reagents, points to an increased use of GBS in the coming years in several applications in studies of population genetics, evolutionary investigations and in support to plant breeding accelerating and increasing accuracy of directional selection for complex multi-factorial traits.