QTL Map of Early- and Late-Stage Perennial Regrowth in Zea diploperennis

Numerous climate change threats will necessitate a shift toward more sustainable agricultural practices during the 21st century. Conversion of annual crops to perennials that are capable of regrowing over multiple yearly growth cycles could help to facilitate this transition. Perennials can capture greater amounts of carbon and access more water and soil nutrients compared to annuals. In principle it should be possible to identify genes that confer perenniality from wild relatives and transfer them into existing breeding lines to create novel perennial crops. Two major loci controlling perennial regrowth in the maize relative Zea diploperennis were previously mapped to chromosome 2 (reg1) and chromosome 7 (reg2). Here we extend this work by mapping perennial regrowth in segregating populations involving Z. diploperennis and the maize inbreds P39 and Hp301 using QTL-seq and traditional QTL mapping approaches. The results confirmed the existence of a major perennial regrowth QTL on chromosome 2 (reg1). Although we did not observe the reg2 QTL in these populations, we discovered a third QTL on chromosome 8 which we named regrowth3 (reg3). The reg3 locus exerts its strongest effect late in the regrowth cycle. Neither reg1 nor reg3 overlapped with tiller number QTL scored in the same population, suggesting specific roles in the perennial phenotype. Our data, along with prior work, indicate that perennial regrowth in maize is conferred by relatively few major QTL.

Enhancing Drought Tolerance and Striga hermonthica Resistance in Maize Using Newly Derived Inbred Lines from the Wild Maize Relative, Zea diploperennis

Recurrent drought and Striga hermonthica (Del.) Benth parasitism constrains maize production in sub-Saharan Africa (SSA). Transfer of resistance genes from wild relatives can improve resistance to drought and Striga in tropical maize. The objectives of this study were to (i) determine the combining ability of 12 extra-early yellow maize inbreds derived from Zea diploperennis and tropical maize germplasm; (ii) classify the inbreds into heterotic groups using heterotic grouping based on the general combining ability (GCA) of multiple traits (HGCAMT) method; (iii) examine hybrid performance under contrasting environments; and (iv) examine the stability of hybrid combinations involving the inbreds. Sixty-six diallel crosses involving the inbreds plus four checks were evaluated for two years under drought, Striga-infested and rainfed environments in Nigeria. Significant differences (p < 0.05) were observed for the effects of genotype, environment, genotype × environment, GCA and specific combining ability (SCA) on grain yield and other measured traits. Inbred lines such as TZdEEI 7 × TZEEI 63 derived from Z. diploperennis and tropical germplasm exceeded the checks by a range of 28 to 41%. Across environments, the hybrid TZdEEI 1 × TZdEEI 7, which was derived from Z. diploperennis, was the highest-yielding with a grain yield of 4302 kg ha−1. The results revealed the predominance of GCA over SCA effects for most measured traits, suggesting that additive gene action governed the inheritance of Striga resistance and drought tolerance related traits in the inbreds. The 12 inbreds were classified into three heterotic groups, while TZEEI 79 and TZdEEI 7 were identified as inbred testers and TZdEEI 7 × TZEEI 12 as a single-cross tester across environments. Hybrid TZdEEI 9 × TZEEI 79 was the highest-yielding and most stable. Other promising hybrids were TZdEEI 7 × TZEEI 79, TZdEEI 1 × TZdEEI 7 and TZdEEI 12 × TZEEI 95. These hybrids should be extensively tested on-farm for potential commercialization in SSA. Overall, our results highlighted the importance of harnessing beneficial alleles from wild relatives of maize for improvement of resistance to Striga and tolerance to drought in adapted maize germplasm.

Temperaturas cardinales de desarrollo del teocintle (Zea spp.)

El teocintle representa una fuente importante de genes para el mejoramiento del maíz (Zea mays L.); sin embargo, poco se ha avanzado en la caracterización de sus respuestas a diversas condiciones ambientales, incluyendo el desarrollo del teocintle en función de la temperatura, siendo ésta una variable clave para su adaptación y distribución. La temperatura base (Tb), temperatura óptima (To) y temperatura umbral máxima (Tu) son conocidas también como temperaturas cardinales del desarrollo y son particulares para cada especie, genotipo y etapa fenológica. El objetivo del presente estudio fue determinar las temperaturas cardinales de poblaciones de los teocintles Zea perennis, Zea diploperennis, Zea mays subsp. mexicana razas Chalco, Durango, Mesa Central y Nobogame y Zea mays subsp. parviglumis o raza Balsas. Se utilizaron datos de experimentos de campo realizados entre 1986 y 2005 donde se monitorearon datos de días a antesis (F), datos de temperatura y precipitación. Se utilizaron modelos lineales y curvilíneos para explicar la variación de la tasa de desarrollo de la etapa siembra-antesis (1/F) en función de la variación de la temperatura media (Tm) del período siembra-floración. Los resultados mostraron que la relación entre Tm y 1/F es descrita por una función curvilínea, ajustándose en todos los casos un modelo cuadrático-exponencial, con un valor de r2> 0.73. El valor de Tb varió de 8.02 a 14.31 °C, el de To entre 23.5 y 31.67 °C y el de Tu entre 29.43 y 40.61 °C. Se concluye que los valores de temperaturas cardinales del teocintle varían entre y dentro de razas, lo que indica adaptación a diversas condiciones térmicas para las razas de teocintle estudiadas.

The genetics and genome-wide screening of regrowth loci, a key component of perennialism in Zea diploperennis

Perennialism is common among the higher plants, yet little is known about its inheritance. To address this, six hybrids were made by reciprocally crossing perennial Zea diploperennis Iltis, Doebley & R. Guzman with inbred lines B73 and Mo17 and Rhee Flint, a heirloom variety, of Z. mays L. ssp. mays. All the F1 plants demonstrated several cycles of growth, flowering, senescence and regrowth into normal flowering plants, indicating a dominant effect of the Z. diploperennis alleles. The regrowability (i.e. the plants' ability to regrow after senescence) was stably transmitted to progeny of the hybrids, so we focused on this trait. Segregation ratios in the F2 generations are consistent with the trait controlled by two dominant, complementary loci, but do not exclude the influence of other modifiers or environment. Genome-wide screening with genotyping-by-sequencing (GBS) indicated two major regrowth loci, regrowth 1 and regrowth 2, were on chromosomes 2 and 7, respectively. These findings lay the foundation for further exploration of the molecular mechanism of regrowth in Z. diploperennis.

Relaciones entre poblaciones de teocintle (Zea spp.) de México, Guatemala y Nicaragua

Se caracterizaron detalladamente poblaciones representativas de todas las razas, especies y subespecies conocidas de teocintle a fin de entender mejor sus relaciones y contribuir a resolver la taxonomía del género Zea. Se sembraron 95 accesiones en condiciones de invernadero en el Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias (CUCBA) en el verano del 2011. Con base en las plantas obtenidas de esta manera, así como de su procedencia, se evaluaron 18 caracteres morfológicos y fisiológicos y 21 variables climatológicas con análisis de agrupamiento y de componentes principales (ACP). El uso combinado de los datos obtenidos y los análisis multivariados permitieron describir la gran complejidad de las relaciones entre poblaciones de diferentes especies de teocintle y de diversas zonas geográficas de México y América Central. Además de avanzar en aspectos taxonómicos, fue posible identificar con claridad las variables de mayor importancia, con base en la longitud de los vectores característicos derivados del análisis de componentes principales. La raza Balsas mostró la mayor diversidad morfológica y de adaptación. Dentro de la subespecie mexicana, hay una clara separación de las razas Chalco, Nobogame y Durango. Con base en los resultados, los límites de especies, subespecies y razas de teocintle encontrados son los siguientes: Zea nicaraguensis debe considerarse una subespecie de Zea luxurians, mientras que Zea luxurians de Oaxaca y Zea diploperennis de Huajicori, Nayarit son taxa diferentes del resto. Asimismo, Durango se considera una raza independiente de Mesa Central, mientras que la subespecieparviglumis corresponde a al menos dos razas, poblaciones adaptadas a altitudes inferiores a 1000 m y aquellas distribuidas entre 1000 y 1800 m s.n.m.

Los fenoles del polen del género Zea

Se analizó la variabilidad de la composición fenólica del polen de 32 poblaciones de Zea mays subsp. mexicana, Zea mays subsp. parviglumis, Zea mays subsp. mays, Zea diploperennis, Zea perennis yZea luxurians de México y Guatemala. Los perfiles se obtuvieron por cromatografía líquida de alta presión con detector de arreglo de diodos (HPLC-DAD) y cromatografía líquida de ultra resolución acoplada a espectrómetro de masas de tiempo de vuelo (UPLC-TOF-MS). Se encontró un total de 23 compuestos fenólicos (cuatro ácidos fenólicos, 16 flavonoles y tres dihidroflavonoides). Los derivados glicósidos de quercetina (siete derivados, además de la quercetina aglicona misma) fueron las substancias predominantes en todos los analisis realizados. El compuesto principal, el más abundante y presente en la totalidad de las muestras, incluido el maíz, se identificó como quercetina-3,3’-O-diglucósido. El polen de todas las especies y subespecies de Zea analizadas mostraron patrones muy similares de fenoles acumulados; sin embargo, diferencias en los compuestos menores (ácidos fenólicos y dihidroflavonoides) permitieron discernir variaciones inter e intraespecíficas, aunque la división del género en las dos secciones Luxuriantes y Zea no fue claramente sustentada. La baja variación de los perfiles fenólicos del polen dentro del género Zea apoya la propuesta de que el maíz y algunos teocintles son grupos conespecíficos, e indica que la composición fenólica del polen fue altamente conservada en los diferentes taxa de Zea a lo largo del tiempo.