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Genomic prediction and genome-wide association study: an application of quantitative genetics in plant breeding programs

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Universidade Federal de Lavras

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Departamento de Biologia

Programa de Pós-Graduação

Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

Agência de fomento

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Tipo de impacto

Áreas Temáticas da Extenção

Objetivos de Desenvolvimento Sustentável

Dados abertos

Resumo

O desenvolvimento de novas ferramentas e avanços em tecnologias genômicas de alto rendimento têm facilitado a seleção genômica e a identificação regiões causais, especialmente de características complexas. Dessa forma, a disponibilidade de marcadores abundantes e baratos possibilitou a exploração das informações dos marcadores em programas de melhoramento. As ferramentas mais comuns usadas em programas de melhoramento que exploram a cobertura densa de marcadores são a predição genômica e estudos de associação genômica. Na predição genômica, os parâmetros do marcador são estimados a partir de um conjunto de dados de treinamento com indivíduos genotipados e fenotipados. Posteriormente, o modelo treinado é usado para predizer o desempenho de indivíduos que são apenas genotipados. Já os estudos de associação do genoma testam associações marcador-característica que podem ser responsáveis pela variação causal. Nós investigamos o desempenho de diferentes modelos de predição genômica para selecionar pais no estágio inicial de um programa de melhoramento híbrido usando a capacidade geral de combinação estimada e seu impacto na precisão da seleção e no ganho genético de longo prazo. Avaliamos o desempenho de cinco modelos de predição genômica sob diferentes densidades de marcadores SNP ou genótipos QTL usando simulações estocásticas de um programa de melhoramento híbrido completo. Nós também investigamos a capacidade de GWAS univariada e multivariada de identificar marcadores ligados a loci que contribuem para a resistência à podridão da espiga causada por Diplodia ou Fusarium ou ambas as doenças em linhagens de milho. Avaliamos as abordagens univariada e multivariada usando um painel diverso de milho avaliado para três características diferentes.

Abstract

The development of new tools and advances in high throughput genomic technologies have facilitated genomic selection the identification of sources of variation, especially of complex traits. Therefore, the availability of abundant and cheap markers made it possible to exploit the marker information in breeding programs. The most common tools used in breeding programs that exploit the dense marker coverage are genomic prediction and genome-wide association studies. In the genomic prediction, marker parameters are estimated from a training dataset with genotyped and phenotyped individuals. Subsequently, the trained model is used to predict performance for individuals that are only genotyped. On the other hand, genome-wide association studies test marker-trait associations that may be responsible for the causal variation of interest. We investigated the performance of different genomic prediction models to select parents in the early stage of a hybrid breeding program using estimated general combining ability and their impact on selection accuracy and long-term genetic gain. We evaluated the performance of five genomic prediction models under different SNP marker densities or QTL genotypes using stochastic simulations of an entire hybrid breeding program. We also investigated the ability of univariate and multivariate GWAS identifying markers linked to loci that contribute to resistance to Diplodia ear rot or Fusarium ear rot or both diseases in maize inbred lines. We evaluated the univariate and multivariate approaches using a maize diverse panel evaluated for three different traits.

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DE JONG, G. Genomic prediction and genome-wide association study: an application of quantitative genetics in plant breeding programs. 2021. 83 p. Tese (Doutorado em Genética e Melhoramento de Plantas) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2021.

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