Analysis of the adaptability of black bean cultivars by means of quantile regression / Análise da adaptabilidade de cultivares de feijão preto por meio de regressão quantílica

ABSTRACT: The aim of this study was to use quantile regression (QR) to characterize the effect of the adaptability parameter throughout the distribution of the productivity variable on black bean cultivars launched by different national research institutes (research centers) over the last 50 years. For this purpose, 40 cultivars developed by Brazilian genetic improvement programs between 1959 and 2013 were used. Initially, QR models were adjusted considering three quantiles (τ = 0.2, 0.5 and 0.8). Subsequently, with the confidence intervals, quantile models τ = 0.2 and 0.8 (QR0.2 and QR0.8) showed differences regarding the parameter of adaptability and average productivity. Finally, by grouping the cultivars into one of the two groups defined from QR0.2 and QR0.8, it was reported that the younger cultivars were associated to the quantile τ = 0.8, i.e., those with higher yields and more responsive conditions indicating that genetic improvement over the last 50 years resulted in an increase in both the productivity and the adaptability of cultivars.

RESUMO: Neste estudo objetivou-se utilizar a regressão quantílica (RQ) para caracterizar o efeito do parâmetro de adaptabilidade ao longo de toda a distribuição da variável produtividade em cultivares de feijão preto lançadas por diferentes instituições nacionais de pesquisa nos últimos 50 anos. Para tanto utilizou-se 40 cultivares desenvolvidas pelos programas brasileiros de melhoramento genético entre os anos de 1959 a 2013. Inicialmente foram ajustados modelos de RQ considerando três quantis (τ=0,2, 0,5, 0,8). Posteriormente, com os intervalos de confiança verificou-se que os modelos quantílicos τ=0,2 e 0,8 (RQ0,2 e RQ0,8) apresentaram diferenças quanto ao parâmetro de adaptabilidade e produtividade média. Finalmente, por meio do agrupamento das cultivares em um dos dois grupos definidos a partir de RQ0,2 e RQ0,8, constatou-se que as cultivares mais novas foram associadas ao quantil τ = 0,8, ou seja, aquelas com maiores produtividades e mais responsivas as condições ambientais indicando que o melhoramento ao longo dos últimos 50 anos possibilitou o incremento tanto na produtividade quanto na adaptabilidade das cultivares.

Quantile regression for genome-wide association study of flowering time-related traits in common bean.

Flowering is an important agronomic trait. Quantile regression (QR) can be used to fit models for all portions of a probability distribution. In Genome-wide association studies (GWAS), QR can estimate SNP (Single Nucleotide Polymorphism) effects on each quantile of interest. The objectives of this study were to estimate genetic parameters and to use QR to identify genomic regions for phenological traits (Days to first flower-DFF; Days for flowering-DTF; Days to end of flowering-DEF) in common bean. A total of 80 genotypes of common beans, with 3 replicates were raised at 4 locations and seasons. Plants were genotyped for 384 SNPs. Traditional single-SNP and 9 QR models, ranging from equally spaced quantiles (τ) 0.1 to 0.9, were used to associate SNPs to phenotype. Heritabilities were moderate high, ranging from 0.32 to 0.58. Genetic and phenotypic correlations were all high, averaging 0.66 and 0.98, respectively. Traditional single-SNP GWAS model was not able to find any SNP-trait association. On the other hand, when using QR methodology considering one extreme quantile (τ = 0.1) we found, respectively 1 and 7, significant SNPs associated for DFF and DTF. Significant SNPs were found on Pv01, Pv02, Pv03, Pv07, Pv10 and Pv11 chromosomes. We investigated potential candidate genes in the region around these significant SNPs. Three genes involved in the flowering pathways were identified, including Phvul.001G214500, Phvul.007G229300 and Phvul.010G142900.1 on Pv01, Pv07 and Pv10, respectively. These results indicate that GWAS-based QR was able to enhance the understanding on genetic architecture of phenological traits (DFF and DTF) in common bean.

Genome prediction accuracy of common bean via Bayesian models / Acurácia de predição genômica em feijoeiro-comum via modelos Bayesianos

ABSTRACT: We aimed to apply genomic information based on SNP (single nucleotide polymorphism) markers for the genetic evaluation of the traits "stay-green" (SG), plant architecture (PA), grain aspect (GA) and grain yield (GY) in common bean through Bayesian models. These models were compared in terms of prediction accuracy and ability for heritability estimation for each one of the mentioned traits. A total of 80 cultivars were genotyped for 377 SNP markers, whose effects were estimated by five different Bayesian models: Bayes A (BA), B (BB), C (BC), LASSO (BL) e Ridge regression (BRR). Although, prediction accuracies calculated by means of cross-validation have been similar within each trait, the BB model stood out for the trait SG, whereas the BRR was indicated for the remaining traits. The heritability estimates for the traits SG, PA, GA and GY were 0.61, 0.28, 0.32 and 0.29, respectively. In summary, the Bayesian methods applied here were effective and ease to be implemented. The used SNP markers can help in the early selection of promising genotypes, since incorporating genomic information increase the prediction accuracy of the estimated genetic merit.

RESUMO: Objetivou-se incorporar informações genômicas de marcadores SNP ("single nucleotide polymorphism") na avaliação genética das características "stay-green" (SG), arquitetura de planta (AP), aspecto de grãos (AG) e produtividade de grãos (PG) em feijoeiro-comum via modelos Bayesianos. Estes modelos foram comparados quanto a acurácia de predição e habilidade de estimação da herdabilidade para cada característica. Utilizaram-se informações de 80 cultivares genotipadas para 377 marcadores SNP, cujos efeitos de substituição alélica foram estimados por meio de cinco diferentes modelos Bayesianos: Bayes A (BA), B (BB), C (BC), LASSO (BL) e regressão "ridge" (BRR). Embora as acurácias de predição calculadas por meio de análise de validação cruzada tenham sido similares dentro de cada característica, o modelo BB se destacou para a característica SG, enquanto o modelo BRR foi indicado para as demais. As herdabilidades estimadas para SG, AP, AG e PG foram, respectivamente, 0,61, 0,28, 0,32 e 0,29. Em resumo, os métodos contemplados mostraram-se efetivos e de fácil implementação. O conjunto de marcadores utilizado pode auxiliar na seleção precoce de genótipos promissores, uma vez que a incorporação de informações genômicas aumenta a acurácia de predição do mérito genético estimado.

Adaptabilidade e estabilidade e a produtividade de grãos em cultivares de feijão preto recomendadas no Brasil nas últimas cinco décadas / Adaptability and stability and grain yield of black common bean cultivars used in Brazil in the last five decades

RESUMO:O objetivo deste trabalho foi estudar os parâmetros de adaptabilidade e estabilidade fenotípica e avaliar o incremento na produtividade de grãos em genótipos de feijão preto, desenvolvidos pelos programas brasileiros de melhoramento genético entre os anos de 1960 a 2013. Os experimentos foram realizados considerando 38 cultivares e duas linhagens em quatro ambientes (Coimbra e Viçosa nas safras da seca e de inverno de 2013), usando um delineamento em blocos casualizados com três repetições. Os resultados evidenciaram incremento efetivo na produtividade de grãos, proporcionado pela recomendação de novas cultivares pelos programas de melhoramento de feijão do Brasil nas últimas cinco décadas. Além disso, a análise da interação GxA indicou que as cultivares recomendadas após o ano de 2005 foram as que apresentaram conjuntamente altas produtividades de grãos, ampla adaptabilidade e alta previsibilidade de comportamento.

ABSTRACT:The objective of this research was to study the parameters of adaptability and phenotypic stability and estimate the increase in grain yield in black common bean genotypes developed by brazilian breeding programs between the years 1960-2013. The experiments were carried out considering 38 cultivars and two lines in four different environments (Coimbra and Viçosa cities, and dry and winter seasons of 2013 year) by using a randomized block design with three replications. Results showed an effective increasing of the grain yield provided by the recommendation of new cultivars from different Brazilian breeding programs in the past five decades. In addition, the GxE analysis interaction indicated that cultivars recommended after the year 2005 were those with high average grain yield, wide adaptability and high predictability.