Desenvolvimento e utilização de um array de genotipagem de SNPs na genética de populações e melhoramento genético de Araucaria angustifolia (Bert.) O. Kuntze

Abstract

Araucaria angustifolia (Bertol.) Kuntze é uma conífera subtropical endêmica no sul e sudeste do Brasil e áreas menores na Argentina e no Paraguai. Essa espécie icônica destaca-se como uma das duas únicas gimnospermas nativas brasileiras, atualmente em risco de extinção e ainda essencialmente inexplorada do ponto de vista do melhoramento genético apesar de seu alto valor madeireiro. Neste trabalho investigamos a variação genética para características de crescimento de Araucaria angustifolia em um estudo envolvendo 122 famílias de 15 procedências de duas regiões brasileiras. Medidas coletadas nas idades de 7, 24, 32, 33 e 35 anos foram usadas para ajustar curvas de crescimento contínuo com base em modelos de efeito misto não-lineares para 2.158 árvores, fornecendo estimativas para idades não medidas no intervalo de 7-35. Os valores estimados coincidiram com os observados e uma redução do coeficiente de variação residual foi observada nos dados estimados, tornando as curvas estimadas mais confiáveis para prever padrões de crescimento. Procedências com grande potencial de melhoramento e conservação genética foram identificadas com adaptação variável para apoiar as mudanças climáticas e paisagísticas globais. Os dados de crescimento indicam claramente o potencial de seleção precoce de 7 a 10 anos, com 85% de precisão na seleção aos 35 anos e a possibilidade de encurtar a idade de rotação para 15 a 20 anos, selecionando os melhores indivíduos e famílias. Um programa de melhoramento moderno depende da disponibilidade de ferramentas de genotipagem de alto rendimento, que se tornou um pré-requisito não apenas para análises mais sofisticadas da diversidade e estrutura genética em populações naturais, mas também para a prática de melhoramento genético envolvendo reconstrução de parentesco e implementação da seleção genômica. Até o momento, estudos genéticos de populações naturais de araucária foram realizados usando dezenas de marcadores microssatélites limitando assim a capacidade de evoluir para investigações mais sofisticadas, e não existe nenhum estudo associando análises a marcadores moleculares e programas de melhoramento. Neste estudo, desenvolvemos um catálogo de 44.318 SNPs anotados para Araucaria angustifolia, os primeiros SNPs para o gênero, descobertos a partir dos dados de sequenciamento de RNAseq e RAD. A partir do catálogo SNP, um array Axiom® SNP com ~3.000 SNPs validados foi desenvolvido e usado para fornecer uma visão abrangente da diversidade genética e estrutura de 15 populações em toda a faixa de ocorrência natural da espécie. Das 22.983 sequências utilizadas, 15.144 possuem homologia com sequências já publicadas, e destas, 5.301 possuem homologia com Picea sitchensis, conífera de grande importância industrial e ecológica em países temperados. Ao comparar dados de microssatélites e SNP no mesmo conjunto de indivíduos de A. angustifolia, mostramos que os SNPs refletem com maior precisão os padrões reais de diversidade e estrutura genética em todo o genoma, desafiando avaliações anteriores baseadas em microssatélites. Além disso, os SNPs corroboraram o principal gradiente genético norte-sul conhecido, e permitiram uma atribuição mais precisa à diferenciação regional versus entre populações, indicando o potencial de selecionar marcadores informativos de ancestralidade. Também. Combinando os SNPs desenvolvidos e as curvas de crescimento ajustadas, este trabalho também teve como objetivo propor uma metodologia baseada na seleção genômica (GS) para acelerar o melhoramento genético de A. angustifolia. Foi utilizado um conjunto de 1.710 SNPs combinados com 26 SSRs, 857 plantas foram genotipadas com ambas as plataformas de marcadores. Utilizando dados de crescimento de 35 anos, foram observados componentes de variância aditiva, de dominância e epistática, sendo o primeiro o mais prevalente na expressão volumétrica do crescimento das árvores. Nossas descobertas mostram que é possível treinar modelos a partir dos 12 anos de idade visando a seleção indireta bem-sucedida de indivíduos aos 35 anos. Dado o longo tempo necessário para alcançar o crescimento máximo das árvores e a boa qualidade dos modelos, a SG foi muito competitiva com a seleção fenotípica abrindo excelentes oportunidades para estabelecer um programa de melhoramento economicamente viável e eficiente dessa icônica conífera brasileira. Esses resultados destacam o enorme potencial de expansão dos investimentos em silvicultura de melhoramento e plantio de A. angustifolia, com um aprimoramento concomitante dos esforços de conservação.