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Análise bayesiana das interações genótipo×ambiente e marcador×ambiente utilizando o modelo AMMI-GBLUP-D em ensaios multiamientais

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Resumo

O estudo da interação genótipo por ambiente (G×E) é fundamental para o avanço dos programas de melhoramento genético, viabilizando a recomendação de genótipos superiores que sejam estáveis ou adaptados a ambientes específicos. O modelo de efeitos principais aditivos e interação multiplicativa (AMMI) tornou-se uma abordagem de referência para analisar essa interação, sendo posteriormente enriquecido por sua formulação bayesiana, aprimorando o rigor inferencial ao tratar efeitos genotípicos como variáveis aleatórias e exibir regiões bivariadas de credibilidade por meio de gráficos biplots. Contudo, mesmo nas versões bayesianas, o AMMI considera apenas os efeitos aditivos dos genótipos, desconsiderando a variabilidade decorrente dos efeitos de dominância e das interações entre marcadores e ambientes (M×E). Com o intuito de preencher essas lacunas, esta tese propõe duas inovações metodológicas. Primeiramente, apresenta-se formalmente o novo modelo denominado AMMI-GBLUP-D, que combina a decomposição bilinear do AMMI com matrizes de parentesco genômico que contemplam efeitos aditivos e de dominância, permitindo capturar uma maior proporção da variabilidade genética explicada. Em seguida, desenvolve-se um procedimento inédito que utiliza cadeias de Markov geradas pelo AMMI-GBLUP-D para obter cadeias para os parâmetros relacionados a interação M×E, atribuindo-lhe regiões bivariadas de credibilidade semelhantes às da interação G×E. Esta metodologia foi avaliada por meio de estudos de simulação e análise de um conjunto de dados reais proveniente de ensaios multiambientais com 200 híbridos de milho avaliados em 14 ambientes sob delineamento em blocos incompletos. Todas as análises foram realizadas no software R e os códigos correspondentes ao modelo AMMI-GBLUP-D foram integrados ao pacote ammiBayes. A partir dos resultados obtidos, observa-se que a inclusão do efeito de dominância no modelo AMMI-GBLUP-D elevou a acurácia preditiva em relação ao modelo AMMI-GBLUP que considera apenas o efeito aditivo, permitindo identificar e selecionar genótipos superiores com maior eficiência em ensaios multiambientais. Além disso, o novo procedimento para predição da interação M×E possibilitou representar graficamente essa interação em biplots com regiões bivariadas de credibilidade e identificar marcadores direta ou indiretamente associados a interação M×E. Essa abordagem potencializa a extrapolação de valores genéticos para genótipos ainda não fenotipados e orienta estratégias de seleção assistida por marcadores. Portanto, as inovações apresentadas ampliam o ferramental estatístico aplicadoao melhoramento genético, oferecendo uma estrutura robusta para modelar, de forma integrada, efeitos aditivos, de dominância e interações genômicas em análises multiambientais.

Abstract

The study of genotype-by-environment (G×E) interaction is fundamental to the advancement of genetic-breeding programs, enabling the recommendation of superior genotypes that are either stable or specifically adapted to particular environments. The additive main-effects and multiplicative interaction (AMMI) model has become a benchmark for analyzing this interaction and, in its Bayesian formulation, has enhanced inferential rigor by treating genotypic effects as random variables and displaying bivariate credibility regions through biplots. Nevertheless, even in its Bayesian versions, AMMI accounts only for additive genotypic effects, ignoring variability arising from dominance effects and marker-by-environment interactions (M×E). To fill these gaps, this thesis proposes two methodological innovations. First, it formally introduces the new AMMI-GBLUP-D model, which combines the bilinear decomposition of AMMI with genomic relationship matrices that capture both additive and dominance effects, thereby explaining a larger proportion of genetic variability. Second, it develops an original procedure that uses Markov chains generated by AMMI- GBLUP-D to obtain chains for the parameters associated with the M×E interaction, assigning bivariate credibility regions analogous to those for G×E. The methodology was evaluated through simulation studies and by analyzing a real data set from multi-environment trials comprising 200 maize hybrids tested in 14 environments under an incomplete-block design. All analyses were performed in R, and the corresponding AMMI-GBLUP-D code was integrated into the ammiBayes package. The results indicate that including dominance effects in the AMMI-GBLUP-D model increased predictive accuracy relative to the AMMI-GBLUP model, that consider only aditive effect, thereby enabling more efficient identification and selection of superior genotypes in multi- environment trials. Moreover, the new procedure for predicting M×E interactions allowed graphical representation of this interaction in biplots with bivariate credibility regions and facilitated the identification of markers directly or indirectly associated with M×E interaction. This approach enhances the extrapolation of genetic values to genotypes not yet phenotyped and informs marker-assisted selection strategies. Consequently, the innovations presented herein broaden the statistical toolkit available for genetic breeding by providing a robust framework to jointly model additive effects, dominance effects, and genomic interactions in multi-environment analyses.

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VILAS BOAS, Larissa Carvalho. Análise bayesiana das interações genótipo×ambiente e marcador×ambiente utilizando o modelo AMMI-GBLUP-D em ensaios multiambientais. 2025. 123 p. Tese (Doutorado em Estatística e Experimentação Agropecuária) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.

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