Photoperiod response as a driver of flowering time in spring durum wheat and its influence on productivity, and environmental adaptability

Author

Arjona Rodríguez, José María

Director

Villegas Tort, Dolors

Tutor

Cantero-Martínez, Carlos

Date of defense

2019-12-10

Pages

170 p.



Department/Institute

Universitat de Lleida. Departament de Producció Vegetal i Ciència Forestal

Abstract

El blat és un cultiu que aporta el 20% de les proteïnes i les calories per al consum humà a nivell global. L’adaptació de la data de floració a cada ambient en particular forma part d’un mecanisme d’escapament de l’estrès, cosa que podria reduir l’impacte negatiu esperat degut al canvi climàtic. La hipòtesi general sobre la que s’estableix aquest estudi és que un canvi en la data de floració afectaria les condiciones ambientals durant les fases crítiques de desenvolupament del blat, que al seu torn poden tenir un impacte en la formació del rendiment. Un conjunt de línies de blat dur de primavera, amb variacions al·lèliques contrastants per als loci Ppd-1, que afecten la sensibilitat al fotoperíode, es van assajar en un ampli rang de latituds de l’hemisferi Nord (41°N a Espanya, 27°N al noroest de Mèxic, i 19°N al sud de Mèxic, aquesta darrera amb sembra de primavera). Es van portar a terme experiments de camp en regadiu, entre els anys 2007 i 2012, per a investigar l’efecte de les variants al·lèliques en els loci Ppd-A1 i Ppd-B1 sobre la fenologia i la formació del rendiment. Els genotips portadors de l’al·lel Ppd-A1a GS100, causant d’insensibilitat al fotoperíode, van tendir a presentar un pes de gra (PG) i un rendiment superiors a la resta. Les variants al·lèliques per a Ppd-B1 no van afectar la data de floració, però l’al·lel causant d’insensibilitat al fotoperíode (Ppd-B1b) es va associar a un major número de grans per unitat de superfície (NG), degut a un augment en el número d’espiguetes espiga-1. Una floració més precoç (tant si era degut a Ppd-1 com a precocitat intrínseca, Eps), va tendir a una associació amb un rendiment més alt degut a un major PG. Les combinacions al·lèliques GS105/Ppd-B1b i Ppd-A1b/Ppd-B1b es van associar amb un increment del NG degut a un augment del número de grans espigueta-1, però això no es va traduir en un rendiment major, degut a la relació negativa entre NG i PG. Una floració més precoç produïda per gens Eps va resultar en un menor número d’espiguetes espiga-1, però no un menor NG. Quan ambdós al·lels en els loci Ppd-1 presentaven el mateix tipus de resposta al fotoperíode (sensible/sensible o insensible/insensible) es va observar una major estabilitat en el rendiment. Les condicions ambientals durant la primera meitat del període d’ompliment del gra van ser els factors més importants per definir el PG. Un retràs en la data de floració es va associar amb reduccions en la taxa d’ompliment de gra i amb PG. En les latituds amb sembra de tardor, un increment de 1°C en la temperatura mitjana va reduir el PG en 5,2 mg gra-1. L’anàlisi d’associació genotip-fenotip va mostrar que les regions als cromosomes 6A (114 cM) i 6B (126 cM) tenien associacions generals amb el rendiment, esdevenint regions crítiques amb QTLs importants. La detecció de marcadors únics associats a una característica va estar molt lligada a l’ambient, i la interacció entre parells de marcadors va mostrar major efecte que els corresponents marcadors únics.


El trigo es un cultivo que aporta el 20% de las proteínas y calorías para el consumo humano a nivel global. La adaptación de la fecha de floración a cada ambiente en particular forma parte de un mecanismo de escape al estrés, lo que podría reducir el impacto negativo esperado debido al cambio climático. La hipótesis general sobre la que se establece este estudio es que un cambio en la fecha de floración afectaría a las condiciones ambientales durante las fases críticas del desarrollo del trigo, lo que a su vez puede tener un impacto en la formación del rendimiento. Un conjunto de líneas de trigo duro de primavera, con variaciones alélicas contrastantes para loci Ppd-1, que afectan la sensibilidad al fotoperiodo, fueron ensayadas en un amplio rango de latitudes del hemisferio Norte (41°N en España, 27°N en el noroeste de México, y 19°N en el sur de México, esta última con siembra de primavera). Se llevaron a cabo experimentos de campo en regadío, entre los años 2007 y 2012, para investigar el efecto que tuvieron las variantes alélicas en los loci Ppd-A1 y Ppd-B1 sobre la fenología y la formación del rendimiento. Los genotipos con el alelo Ppd-A1a GS100, causante de insensibilidad al fotoperiodo, tendieron a presentar un peso de grano (PG) y un rendimiento superiores al resto. Las variantes alélicas para Ppd-B1 no afectaron a la fecha de floración, pero el alelo causante de insensibilidad al fotoperiodo (Ppd B1b) aumentó el número de granos por unidad de superficie (NG) debido a un aumento de número de espiguillas espiga-1. Una floración más temprana (ya fuera debida a Ppd-1 o a precocidad intrínseca, Eps) tendió a estar asociada con rendimiento más alto debido a un PG mayor. Las combinaciones alélicas GS105/Ppd-B1b y Ppd-A1b/Ppd-B1b se asociaron con un incremento de NG debido a un aumento del número de granos espiguilla-1, pero esto no se tradujo en un mayor rendimiento debido a la relación negativa entre NG y PG. Una floración más temprana producida por genes Eps tuvo como resultado un menor número de espiguillas espiga-1, pero no un menor NG. Cuando ambos alelos en los loci Ppd-1 poseían el mismo tipo de respuesta al fotoperiodo (sensible/sensible o insensible/insensible) se observó una mayor estabilidad en el rendimiento. Las condiciones ambientales durante la primera mitad del periodo de llenado de grano fueron los factores más importantes para definir el PG. Un retraso en la fecha de floración se asoció con reducciones en la tasa de llenado de grano y el PG. En las latitudes donde la siembra se realizó en otoño, un incremento de 1°C en la temperatura media redujo el PG en 5,2 mg grano-1. El análisis de asociación de fenotipo-genotipo mostró que las regiones en los cromosomas 6A (114 cM) y 6B (126 cM) se asociaron en general con el rendimiento, representando regiones críticas con QTLs importantes. La detección de marcadores únicos asociados a una característica estuvo muy ligada al ambiente, y la interacción entre pares de marcadores mostró mayor efecto que sus correspondientes marcadores únicos.


Wheat is a staple crop that provides 20% of proteins and calories to global human diets. Adapting flowering time to each particular environment is one of the stress avoidance mechanisms that could reduce the predicted impact of climate change. The general hypothesis underlying this research was that a change in flowering time would affect environmental conditions of spring durum wheat during critical developmental phases, which in turn would have an impact on yield formation. A set of spring durum wheat lines with contrasting allele variants at Ppd-1 loci, affecting photoperiod sensitivity, were tested at a range of Northern latitudes (41°N in Spain, 27°N in the northwest of Mexico, and 19°N in the south of Mexico, this last site with spring sowing time). Field experiments under irrigation were carried out between the years 2007 and 2012, to investigate the effect of allele variants at Ppd-A1 and Ppd-B1 loci on phenology and yield formation. Genotypes carrying the allele Ppd-A1a GS100, causing photoperiod insensitivity, tended to have high grain weight (GW) and yield. Allele variants at Ppd-B1 locus did not affect flowering time, but the Ppd-B1b allele causing photoperiod sensitivity increased grain number per unit area (GN) due to a higher number of spikelets spike-1. Early flowering (either due to Ppd-1 or earliness per se, Eps) tended to be associated with high yield due to high GW. The allele combinations GS105/Ppd-B1b and Ppd-A1b/Ppd-B1b were associated with higher GN due to an increase in the number of grains spikelet-1, but it did not translate as yield increase due to a trade-off between GN and GW. Early flowering caused by Eps genes resulted in a low number of spikelets spike-1, but not a low GN. Yield stability was enhanced when alleles at Ppd-1 loci conferred a similar photoperiod response (sensitive/sensitive or insensitive/insensitive). The environmental conditions during the first half of the grain filling period were the most critical factors to define GW. Flowering time delays were associated with reductions in grain filling rate and GW. At autumn-sowing sites, an increase of 1°C in mean temperature reduced GW by 5.2 mg grain-1. The analysis of phenotype-genotype associations showed that the regions at chromosomes 6A (114 cM) and 6B (126 cM) were associated with yield across sites, thus representing hotspots for QTL regulating yield performance. The detection of single markers-trait associations (MTAs) was highly affected by environment, and the interactions between pairs of markers showed a stronger effect than the corresponding single MTAs.

Keywords

Blat dur; Fenologia; Rendiment; Trigo duro; Fenología; Rendimiento; Durum wheat; Phenology; Yield and yield components

Subjects

633 - Field crops and their production

Knowledge Area

Producció Vegetal

Documents

Tjmar1de1.pdf

5.256Mb

 

Rights

L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

This item appears in the following Collection(s)