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Genetic analysis of quantitative traits in potato breeding: partitioning additive and non-additive effects for optimizing clonal and parental selection

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Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

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ODS 4: Educação de qualidade
ODS 8: Trabalho decente e crescimento econômico
ODS 9: Indústria, inovação e infraestrutura
ODS 17: Parcerias e meios de implementação
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Dados abertos

Resumo

Solanum tuberosum L. é uma das principais culturas alimentares do mundo, desempenhando papel essencial na segurança alimentar global devido ao seu alto valor nutricional, versatilidade e adaptabilidade em diferentes ambientes. No entanto, a produtividade da cultura ainda está aquém do seu potencial, principalmente devido à ocorrência de doenças bacterianas severas como a podridão mole, causada por bactérias dos gêneros Pectobacterium e Dickeya. Essas doenças são de difícil controle, ocasionam perdas econômicas expressivas tanto em campo quanto no armazenamento, e não respondem eficientemente a métodos químicos de manejo, exigindo estratégias alternativas, como o melhoramento genético. Considerando a natureza quantitativa e complexa de caracteres como a produtividade de tubérculos (TTY), teor de matéria seca (SG) e resistência à podridão mole, torna-se fundamental a utilização de abordagens genéticas robustas que permitam entender a arquitetura desses caracteres. A partição da variância genética em componentes aditivos e não aditivos permite otimizar estratégias de seleção clonal e parental, especialmente em espécies autotetraploides como a batata, que apresenta alta heterozigosidade. Modelos mistos, como o modelo animal proposto por Oakey et al. (2007), oferecem ferramentas eficazes para estimar tais efeitos com base em informações de pedigree. Ness contexto, o objetivo do primeiro artigo foi investigar as implicações da integração de efeitos genéticos aditivos e não aditivos em um modelo linear misto, com ênfase na partição da variância genotípica e na estimativa da precisão seletiva para pais e clones em estágios iniciais de um programa de melhoramento de batata tetraploide, para uso direto ou para cruzamento. Já o segundo artigo teve por objetivo dissecar os efeitos genéticos em componentes aditivos e não aditivos para os caracteres TTY, SG e resistência à podridão mole; realizar a seleção simultânea de clones e genitores com base em múltiplas características e avaliar a eficiência da inclusão dos efeitos não aditivos em modelos mistos aplicados ao melhoramento de batata tetraploide. O primeiro artigo forneceu análises de duas populações (POP1 e POP2), enquanto que para o segundo foi utilizado apenas uma população. Foram testados cinco modelos no artigo um (M1, M2wE, M2pE, M3wE e M3pE) e três no artigo dois (M1, M2 e M3). Os resultados mostraram que os efeitos não aditivos foram mais relevantes para TTY, indicando maior potencial de ganho por meio da seleção clonal. Para SG, predominaram os efeitos aditivos, sugerindo maior estabilidade genética e eficiência tanto na seleção de clones quanto na escolha de genitores. Observou-se, ainda, correlação negativa entre SG e a severidade da podridão mole, demonstrando que clones com maior teor de matéria seca apresentaram menor diâmetro de lesão, sugerindo maior resistência à doença sem comprometer a produtividade. Este estudo reforça a importância da modelagem genética detalhada para aprimorar a seleção precoce em programas de melhoramento de batata, contribuindo para o desenvolvimento de cultivares mais produtivas e resistentes às principais doenças bacterianas da cultura.

Abstract

Solanum tuberosum L. is one of the world's main food crops, playing an essential role in global food security due to its high nutritional value, versatility and adaptability to different environments. However, crop productivity is still below its potential, mainly due to the occurrence of severe bacterial diseases such as soft rot, caused by bacteria of the genera Pectobacterium spp. and Dickeya. spp. These diseases are difficult to control, cause significant economic losses both in the field and in storage, and do not respond efficiently to chemical management methods, requiring alternative strategies, such as genetic improvement. Considering the quantitative and complex nature of traits such as tuber yield (TTY), dry matter content (SG) and resistance to soft rot, it is essential to use robust genetic approaches that allow understanding the architecture of these traits. Partitioning genetic variance into additive and non-additive components allows optimizing clonal and parental selection strategies, especially in autotetraploid species such as potato, which presents high heterozygosity. Mixed models, such as the animal model proposed by Oakey et al. (2007), offer effective tools for estimating such effects based on pedigree information. In this context, the objective of the first article was to investigate the implications of integrating additive and non-additive genetic effects in a linear mixed model, with emphasis on the partitioning of genotypic variance and the estimation of selective precision for parents and clones in early stages of a tetraploid potato breeding program, for direct use or for crossing. The second article aimed to dissect the genetic effects into additive and non-additive components for the traits TTY, SG and resistance to soft rot; to perform simultaneous selection of clones and parents based on multiple traits; and to evaluate the efficiency of including non-additive effects in mixed models applied to tetraploid potato breeding. The first article provided analyses of two populations (POP1 and POP2), while the second used only one population. Five models were tested in article one (M1, M2wE, M2pE, M3wE and M3pE) and three in article two (M1, M2 and M3). The results showed that non- additive effects were more relevant for TTY, indicating greater potential for gain through clonal selection. For SG, additive effects predominated, suggesting greater genetic stability and efficiency in both clone selection and parental selection. A negative correlation was also observed between SG and soft rot severity, demonstrating that clones with higher dry matter content had smaller lesion diameter, suggesting greater resistance to the disease without compromising productivity. This study reinforces the importance of detailed genetic modeling to improve early selection in potato breeding programs, contributing to the development

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MIGUEL, Luciana Aparecida. Genetic analysis of quantitative traits in potato breeding: partitioning additive and non-additive effects for optimizing clonal and parental selection. 2025. 94 p. Tese (Doutorado em Genética e Melhoramento de Plantas) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.

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