Mapeo de asociaciones anidadas

El mapeo de asociación anidada ( NAM ) es una técnica diseñada por los laboratorios de Edward Buckler , James Holland y Michael McMullen para identificar y analizar la arquitectura genética de rasgos complejos en el maíz ( Zea mays ). El mapeo de asociación anidada (a diferencia del mapeo de asociación ) es una técnica específica que no se puede realizar fuera de una población diseñada específicamente, como la población NAM de maíz ^{[ 1 ]} , cuyos detalles se describen a continuación.

NAM se creó para combinar las ventajas y eliminar las desventajas de dos métodos tradicionales para identificar loci de rasgos cuantitativos : el análisis de ligamiento y el mapeo de asociación . El análisis de ligamiento se basa en la recombinación genética reciente entre dos líneas de plantas diferentes (como resultado de un cruce genético) para identificar regiones generales de interés, con la ventaja de requerir pocos marcadores genéticos para asegurar una cobertura genómica completa y una alta potencia estadística por alelo. Sin embargo, el análisis de ligamiento tiene las desventajas de una baja resolución de mapeo y una baja riqueza alélica. El mapeo de asociación , por el contrario, aprovecha la recombinación histórica y se realiza escaneando un genoma en busca de SNP en desequilibrio de ligamiento con un rasgo de interés. El mapeo de asociación tiene ventajas sobre el análisis de ligamiento, ya que puede mapear con alta resolución y tiene una alta riqueza alélica; sin embargo, también requiere un conocimiento extenso de los SNP dentro del genoma y, por lo tanto, solo ahora es posible en especies diversas como el maíz.

NAM aprovecha tanto los eventos de recombinación históricos como los recientes para obtener las ventajas de bajos requisitos de densidad de marcadores, alta riqueza de alelos, alta resolución de mapeo y alta potencia estadística, sin ninguna de las desventajas del análisis de ligamiento o el mapeo de asociación. ^{[ 1 ] [ 2 ]} En este sentido, el enfoque NAM es similar en principio a las líneas MAGIC y AMPRILs en Arabidopsis y al Collaborative Cross en ratón.

Se seleccionaron veinticinco líneas de maíz diversas como líneas parentales para la población NAM con el fin de abarcar la notable diversidad del maíz y preservar el desequilibrio de ligamiento histórico. Cada línea parental se cruzó con la línea endogámica de maíz B73 (elegida como línea de referencia debido a su uso en el proyecto público de secuenciación de maíz y su amplia implementación como una de las líneas endogámicas comerciales más exitosas) para crear la población F1 . Las plantas F1 se autofecundaron durante seis generaciones para crear un total de 200 líneas endogámicas recombinantes homocigotas (RIL) por familia, para un total de 5000 RIL dentro de la población NAM. Las líneas están disponibles públicamente a través del Centro de Recursos de Maíz del USDA-ARS .

Cada RIL se genotipó con los mismos 1106 marcadores moleculares (para ello, los investigadores seleccionaron marcadores para los que B73 tenía un alelo raro), con el fin de identificar bloques de recombinación. Tras la genotipificación con los 1106 marcadores, cada una de las líneas parentales se secuenció o se genotipificó con alta densidad, y los resultados de dicha secuenciación/genotipificación se superpusieron a los bloques de recombinación identificados para cada RIL. El resultado fueron 5000 RIL que fueron secuenciadas completamente o genotipadas con alta densidad que, gracias a la genotipificación con los 1106 marcadores comunes, pudieron compararse entre sí y analizarse conjuntamente (Figura 1). ^{[ 1 ] [ 2 ]}

El segundo aspecto de la caracterización de la población NAM es la secuenciación de las líneas parentales. Esto captura información sobre la variación natural que se incorporó a la población y un registro de la extensa recombinación capturada en la historia de la variación del maíz. La primera fase de esta secuenciación se realizó mediante secuenciación de representación reducida utilizando tecnología de secuenciación de nueva generación, como se informa en Gore, Chia et al. en 2009. ^{[ 3 ]} Esta secuenciación inicial descubrió 1,6 millones de regiones variables en el maíz, lo que ahora facilita el análisis de una amplia gama de rasgos.

Al igual que con las estrategias tradicionales de mapeo de QTL , el objetivo general en el mapeo de asociación anidada es correlacionar un fenotipo de interés con genotipos específicos. Uno de los objetivos declarados por los creadores para la población NAM fue poder realizar estudios de asociación de todo el genoma en maíz buscando asociaciones entre SNP dentro de la población NAM y rasgos cuantitativos de interés (por ejemplo, tiempo de floración, altura de la planta, contenido de caroteno ). ^{[ 1 ]} Sin embargo, en 2009, la secuenciación de las líneas parentales originales aún no se había completado en el grado necesario para realizar estos análisis. No obstante, la población NAM se ha utilizado con éxito para el análisis de ligamiento. En el estudio de ligamiento publicado, la estructura única de la población NAM, descrita en la sección anterior, permitió la regresión escalonada conjunta y el mapeo de intervalo compuesto inclusivo conjunto de las familias NAM combinadas para identificar QTL para el tiempo de floración. ^{[ 4 ]}

La primera publicación en la que se utilizó NAM para identificar QTLs fue realizada por el laboratorio de Buckler sobre la arquitectura genética del tiempo de floración del maíz y se publicó en el verano de 2009. ^{[ 4 ]} En este estudio innovador, los autores registraron los días hasta la aparición de los estigmas , los días hasta la antesis y el intervalo entre la aparición de los estigmas y la antesis para casi un millón de plantas, y luego realizaron una regresión escalonada simple y conjunta y un mapeo de intervalo compuesto inclusivo (ICIM) para identificar 39 QTLs que explicaban el 89% de la varianza en los días hasta la aparición de los estigmas y los días hasta la antesis, y 29 QTLs que explicaban el 64% de la varianza en el intervalo entre la aparición de los estigmas y la antesis. ^{[ 4 ]}

Se encontró que el 98% de los QTL de tiempo de floración identificados en este artículo afectaban el tiempo de floración en menos de un día (en comparación con la referencia B73). Sin embargo, también se demostró que estos efectos de QTL relativamente pequeños sumaban para cada familia grandes diferencias y cambios en los días hasta la aparición de los estigmas. Además, se observó que, si bien la mayoría de los QTL eran compartidos entre familias, cada familia parece tener alelos funcionalmente distintos para la mayoría de los QTL. Estas observaciones llevaron a los autores a proponer un modelo de "genes comunes con variantes poco comunes" ^{[ 4 ]} para explicar la diversidad del tiempo de floración en el maíz. Probaron su modelo documentando una serie alélica en el QTL de tiempo de floración del maíz previamente estudiado Vgt1 (vegetation-to-transition1) ^{[ 5 ]} controlando el fondo genético y estimando los efectos de vgt1 en cada familia. Luego procedieron a identificar variantes de secuencia específicas que correspondían a la serie alélica, incluyendo un alelo que contenía un transposón en miniatura fuertemente asociado con la floración temprana, y otros alelos que contenían SNP asociados con la floración tardía. ^{[ 4 ]}

Los NAM del maíz han ayudado a mapear rasgos que de otro modo serían difíciles de identificar y que confieren resistencia a los hongos, incluyendo Kump et al. 2011, para la resistencia a la tizón foliar del sur , y Poland et al. 2011, para la resistencia a la tizón foliar del norte . ^{[ 6 ]}

El mapeo de asociación anidada (NAM) tiene un enorme potencial para la investigación de rasgos agronómicos en el maíz y otras especies. Como demuestra el estudio inicial del tiempo de floración, el NAM permite identificar QTL para rasgos de relevancia agrícola y relacionarlos con homólogos y genes candidatos en especies distintas del maíz. Además, las líneas NAM se convierten en un valioso recurso público para la comunidad del maíz y en una oportunidad para compartir germoplasma de maíz, así como los resultados de estudios sobre el maíz a través de bases de datos comunes (véanse los enlaces externos), lo que facilita aún más la investigación futura sobre los rasgos agronómicos del maíz. Dado que el maíz es uno de los cultivos agrícolas más importantes del mundo, esta investigación tiene importantes implicaciones para el mejoramiento genético de los cultivos y, por consiguiente, para la seguridad alimentaria mundial . ^{[ 4 ]}

También se están creando diseños similares para el trigo , la cebada , el sorgo y la Arabidopsis thaliana .

• Mapeo de QTL basado en la familia
• Selección asistida por marcadores
• Reproducción molecular
• Mapeo de QTL

Bases de datos de maíz:

• Panzea.org – la base de datos oficial de mapeo de asociaciones anidadas
• MaizeGDB: base de datos comunitaria con información biológica sobre el maíz.
• Navegador de secuencias del genoma del maíz
• Gramene: genomas ensamblados para muchos sistemas genéticos de plantas, incluidos el maíz, el arroz y el sorgo.