Assessment of genomic and high-throughput phenotyping tools in a diversity panel of Mediterranean landraces and cultivars for wheat breeding under rainfed environments

Abstract

El blat fariner (Triticum aestivum L.) és el principal cultiu arreu del món, però la seva producció es veurà afectada per l’impacte del canvi climàtic, sobretot a la conca Mediterrània. L’objectiu final d’aquesta tesi és oferir coneixement científic i les eines necessàries pel desenvolupament les noves varietats de blat fariner resilients a l’esperat increment de la sequera en les següents dècades com a conseqüència del canvi climàtic. Per aconseguir aquest objectiu, l’existència d’estructures genètiques, fenotípiques i/o geogràfiques en les col•leccions de germoplasma va ser explorada i els QTLs controlant caràcters relacionats amb la resistència terminal a la sequera usant l’anàlisi GWAS van ser identificats. La col•lecció MED6WHEAT del IRTA, amb 170 varietats tradicionals originàries de 24 països mediterranis i 184 varietats modernes cultivades a 19 països de la regió va ser caracteritzada amb més de deu mil marcadors SNP. Un clar patró geogràfic associat a l’estructura genètica es va trobar en les varietats tradicionals, amb 3 subpoblacions (SPs) representant l’oest, el nord i l’est del Mediterrani, mentre que les modernes van ser estructurades d’acord amb els programes de millora genètica de la regió: CIMMYT/ICARDA, França/Itàlia i països balcànics/est-europeus. Les varietats tradicionals van ser utilitzades per investigar l’arquitectura del sistema radicular seminal (RSA) adaptat a les condicions de secà de la regió mediterrània. Les varietats dels països Nord-Mediterranis van mostrar el màxim nombre d’arrels seminals amb un angle radical no significativament diferent al dels de l’oest del Mediterrani, mentre que les varietats tradicionals Est-Mediterrànies van mostrar el mínim nombre d’arrels, major angle radical, les tiges més llargues i el mínim pes de llavor. L’estudi GWAS va detectar MTAs relacionats amb arrels i es van identificar 31 gens candidats vinculats a RSA, mida de la llavor, i tolerància a estrès abiòtic en 15 regions genòmiques. La col•lecció completa va ser avaluada a un assaig a camp de dos anys mitjançant tecnologies de fenotipat d’alt rendiment (HTP) amb l’objectiu de predir caràcters agronòmics. La millor estimació de l’índex d’àrea foliar (LAI) es va assolir amb l’índex MTVI2, i els índexs de vegetació RGB mesurats manualment a camp van mostrar millors prediccions dels caràcters agronòmics. Els resultats basats en un estudi de tres anys consecutius van mostrar diferències significatives pels caràcters agronòmics entre SPs, ressaltant la divisió en varietats tradicionals i varietats modernes. Les SPs modernes van mostrar majors valors de rendiment i dels seus components, de l’índex de collita i de biomassa i una durada de l’ompliment del gra més llarga que les SPs de les varietats tradicionals, que van ser més altes. El major rendiment va ser observat en les varietats modernes de França i Itàlia. El GWAS va identificar 2579 marcadors associats a caràcters agronòmics i relacionats amb els VIs que, finalment, van quedar simplificats en 11 regions genòmiques. L’anàlisi in silico de gens candidats va detectar 12 gens sobre-expressats en condicions d’estrès abiòtic en 6 d’aquestes regions. Cinc d’aquests gens ja havien estat descrits prèviament per estar relacionats amb la tolerància a l’estrès abiòtic. Globalment, aquests resultats van constatar que les varietats tradicionals Mediterrànies són una font important de variabilitat per introduir nous al•lels de caràcters desitjats en programes de millora genètica al voltant de la conca Mediterrània. L’ús de noves tecnologies de teledetecció és una eina eficient i ràpida per la mesura dels caràcters agronòmics. Finalment, el GWAS ha resultat ser un enfoc molt útil per la identificació de regions genòmiques que controlen caràcters importants del germoplasma del blat fariner Mediterrani.

El trigo harinero (Triticum aestivum L.) es el principal cultivo en el mundo, pero su producción se verá seriamente afectada por el cambio climático, principalmente en la cuenca Mediterránea. El objetivo final de esta tesis es desarrollar el conocimiento científico y las herramientas necesarias para el desarrollo de las nuevas variedades de trigo harinero resilientes al incremento de la sequía en las próximas décadas como consecuencia del cambio climático. Para ello se ha explorado la existencia de las estructuras genética y fenotípica, así como geográfica en la colección de germoplasma utilizada y se han identificado QTLs que controlan caracteres relacionados con la resistencia a la sequía terminal mediante análisis GWAS. Se caracterizó la colección MED6WHEAT del IRTA, con 170 variedades tradicionales de 24 países mediterráneos y 184 variedades modernas cultivadas en 19 países de la región, con más de diez mil marcadores SNP. Se encontró un patrón geográfico asociado a la estructura genética con 3 subpoblaciones (SPs) de variedades tradicionales que representan el oeste, el norte y el este de la cuenca Mediterránea, mientras que las variedades modernas fueron estructuradas de acuerdo con los programas de mejora de la región: CIMMYT/ICARDA, Francia/Italia y países del este de Europa. Las variedades tradicionales se usaron para investigar la arquitectura del sistema radicular (RSA) adaptado a las condiciones de secano del Mediterráneo. Las variedades de los países del norte mostraron el mayor número de raíces seminales con un ángulo radical no significativamente diferente al de los del oeste, mientras que las variedades tradicionales del este mostraron el menor número de raíces, un mayor ángulo radical, unos tallos más largos y el menor peso de la semilla. El análisis GWAS detectó la presencia de marcadores asociados a los distintos caracteres y se identificaron 31 genes candidatos vinculados a RSA, el tamaño de la semilla, y la tolerancia a estrés abiótico en 15 regiones genómicas. La colección completa fue evaluada en un ensayo en campo de dos años mediante tecnologías de fenotipado masivo (HTP) con el objetivo de predecir caracteres agronómicos. La mejor estimación del LAI se logró con el índice MTVI2, y los índices de vegetación (VI) RGB medidos manualmente en campo mostraron mejores predicciones para los caracteres agronómicos. Los resultados basados en un estudio de tres años consecutivos mostraron diferencias significativas para los caracteres agronómicos entre SPs, resaltando la división en variedades tradicionales y variedades modernas. Las SPs modernas mostraron mayores valores de rendimiento y de sus componentes, mayor índice de cosecha, biomasa y duración de llenado de grano que las SPs de las variedades tradicionales, que fueron a su vez más altas. El mayor rendimiento fue observado en las variedades modernas de Francia e Italia. El análisis GWAS identificó 2579 marcadores asociados a caracteres agronómicos y relacionados con los VIs, que finalmente quedaron simplificados en 11 regiones genómicas. El análisis in silico de genes candidatos detectó 12 genes en condiciones de estrés abiótico en 6 de estas regiones. Cinco de estos genes ya se han descrito previamente relacionados con la tolerancia a estrés abiótico. Estos resultados constataron que las variedades tradicionales Mediterráneas son una fuente importante de variabilidad para introducir nuevos alelos en programas de mejora genética en la cuenca Mediterránea. El uso de nuevas tecnologías de teledetección es una herramienta eficiente y rápida para estimar caracteres agronómicos. Finalmente, el análisis GWAS ha resultado ser un enfoque muy útil para la identificación de regiones genómicas que controlen caracteres importantes del germoplasma del trigo harinero Mediterráneo.

Bread wheat (Triticum aestivum L.) is the main crop cultivated around the world, but climate change will significantly affect its production, with special impact in the Mediterranean basin. The ultimate purpose of this PhD thesis is to provide scientific knowledge and useful tools for the development of the next generation of superior bread wheat varieties resilient to the increased drought expected in the next decades as consequence of climate change. To achieve this objective, the existence of genetic, phenotypic and/or geographic structures in the germplasm collections was explored and quantitative trait loci (QTLs) controlling traits related to terminal drought resistance using a genome wide association study (GWAS) were identified. The MED6WHEAT IRTA-panel, with 170 landraces from 24 Mediterranean countries and 184 to modern varieties cultivated in 19 countries in the region, was characterized with more than 10K single nucleotide polymorphism (SNP) markers. A clear geographical pattern was found for the landraces, with three subpopulations (SPs) representing the western, northern, and eastern Mediterranean, whereas the modern cultivars were structured according to the breeding programmes operating in the region: CIMMYT/ICARDA, France/Italy, and Balkan/eastern European countries. Landraces were used to investigate their seminal root system architecture (RSA) adapted to rainfed Mediterranean conditions. Those from northern Mediterranean countries showed the highest number of seminal roots with a root angle not statistically different from the western Mediterranean ones, whereas eastern Mediterranean landraces showed the lowest number of roots but the widest angle, the longest shoots, and the lowest seed weight. A GWAS detected marker-trait associations (MTAs) linked to root-related traits and 31 candidate genes related to RSA traits, seed size, root development and abiotic stress tolerance were found within 15 QTL hotspots. The whole panel was evaluated on a two-year field trial using high-throughput phenotyping (HTP) technologies with the aim to predict agronomic traits. The best estimation of LAI was achieved through the modified triangular vegetation index (MTVI2), and ground-based RGB vegetation indices (VIs) showed better predictions of agronomic traits. The predictive value of the models developed for modern genotypes increased when the data of more than one growing season were aggregated to build them. Results based on a three consecutive year study found significant differences for agronomic traits between subpopulations, pointing out the division of the whole set into landraces and modern cultivars. Modern SPs showed higher values of grain yield and components, harvest index and biomass and longer grain filling duration than landrace SPs, which were taller. The highest grain yield was observed for modern cultivars from France and Italy. A GWAS identified 2579 markers associated with agronomic and VIs–related traits that were simplified to 11 QTL hotspots. In silico analysis of candidate genes detected 12 differentially expressed genes (DEG) upregulated under abiotic stress within 6 QTL hotspots. Among them, five genes were previously reported to be involved in abiotic stress tolerance. Overall, these results proved that Mediterranean wheat landraces are a valuable source of variability to introgress new alleles for desirable traits in the breeding programs in the Mediterranean Basin. The use of remote sensing technology is an efficient and rapid tool for the assessment of agronomic traits. Finally, GWAS have resulted a useful approach for the identification of genomic regions controlling important traits in the bread wheat Mediterranean germplasm.