Spike fertility in barley as affected by the PPD-H1 photoperiod sensitivity gene

Abstract

El desenvolupament de l'ordi és crucial per a la seva adaptació, ja que determina el temps de floració i pot influir significativament en la determinació del rendiment al controlar la durada i la taxa de desenvolupament dels òrgans que seran fonts i destins. La variació en el temps de floració entre els genotips d'ordi es deu principalment a diferències en el gen de sensibilitat al fotoperíode PPD-H1. Com que l'efecte al·lèlic d'aquests gens canvia la sensibilitat a les senyals ambientals i, per tant, la durada de les fases prèvies a la floració, diversos investigadors han afirmat que tenen un efecte pleiotròpic en el rendiment. No obstant això, podria ser més un efecte indirecte degut a l'augment de la durada del cicle que un veritable efecte pleiotròpic. Desafortunadament, encara no s'han realitzat estudis que examinin si els gens del desenvolupament tenen efectes directes en els components del rendiment de l'ordi, independentment de les variacions fenològiques. Per tant, l'objectiu principal d'aquesta Tesi va ser quantificar els efectes dels al·lels de PPD-H1 en el desenvolupament, la fertilitat de l'espiga i els components del rendiment del gra; distingint els efectes indirectes deguts a canvis fenològics induïts pels al·lels de PPD-H1 dels possibles efectes directes que podrien observar-se fins i tot sense diferències en el temps de floració. A més, es va determinar si aquests efectes són independents del fons genètic PHYC. A més, donat que el canvi climàtic està exposant els cultius a temperatures cada vegada més altes, es van quantificar les alteracions en els components de rendiment de línies isogèniques (NILs) d'ordi de primavera pel gen PPD-H1 en resposta a onades de calor imposades immediatament abans de la floració. La configuració experimental va incloure diversos contextos ambientals, amb diferents fotoperíodes i temperatures, el que va permetre avaluar la possible interacció i compensacions entre el gen PPD-H1 i els entorns en quant a la sensibilitat a onades de calor. Durant tres cicles de cultiu, es van realitzar quatre experiments de camp i tres experiments en cambres de creixement a Lleida i Bell-lloc d'Urgell. Aquests experiments tenien com a objectiu caracteritzar el desenvolupament de diferents fases de creixement en un conjunt de línies isogèniques pel gen PPD-H1. L'estudi es va centrar en la iniciació de fulles i espiguetes, la taxa d'aparició de fulles, el macollament i el nombre final de fulles, així com en la dinàmica de la iniciació i degeneració de primordis florals. Al llarg de tots els experiments, es van realitzar nombroses disseccions periòdiques, resultat en una base de dades exhaustiva. Sota fotoperíodes naturals (12-16 hores), els genotips Ppd-H1 sensibles van florir abans que els ppd-H1 insensibles. No obstant això, sota fotoperíodes estesos (>21 hores), els temps de floració de les dues NILs van convergir, permetent l'estudi dels efectes genètics en els components del rendiment independentment del temps de floració. Els anàlisis fenològics detallats van revelar que les subfases prèvies a la floració, l'aparició de fulles, la dinàmica del macollament i el desenvolupament de les espiguetes es van veure afectats pel fotoperíode. Els fotoperíodes més llargs van acurtar consistentment el cicle de creixement. Els efectes de PPD-H1 en el temps de floració van dependre del fons genètic PHYC i les condicions del fotoperíode. PPD-H1 va regular el nombre de fulles i el filocron, afectant principalment la fase reproductiva tardana i tendint a allargar la durada des de l'emergència fins a la iniciació d'arestes. Especialment notable és que, tot i que PPD-H1 no va afectar el filocron de les primeres sis fulles, les fulles posteriors van mostrar un major filocron en les línies ppd-H1 sota fotoperíodes curts. Sota fotoperíodes estesos, la insensibilitat dels al·lels ppd-H1 va conduir a una major fertilitat de l'espiga i nombre de grans a través d'efectes pleiotròpics directes, independentment del temps de floració. L'al·lel ppd-H1 va millorar la fertilitat de l'espiga en assignar més fotoassimilats a les espigues juvenils i augmentar l'eficiència en la producció de flors fèrtils per unitat de fotoassimilat. El mapeig de flors va revelar patrons de fertilitat consistents dins de l'espiga, amb espiguetes centrals fèrtils en totes dues línies, mentre que la línia insensible ppd-H1 va mostrar una major fertilitat en les espiguetes distals en comparació amb la línia sensible Ppd-H1, explicat per una major supervivència dels primordis florals. El rendiment va variar significativament entre els diferents ambients, mostrant una reducció consistent a causa de les onades de calor. La línia insensible al fotoperíode (ppd-H1) va patir una major penalització de rendiment (19.1±4%) en comparació amb la línia sensible al fotoperíode (Ppd-H1; 10±5%). Aquesta disminució en el rendiment es va atribuir principalment a una reducció en el nombre de grans per m2, causada per una menor fertilitat de l'espiga i un augment en l'avortament de grans, especialment evident en la línia ppd-H1. L'impacte de les onades de calor en el temps de floració va ser negligible, suggerint que la resiliència està més relacionada amb factors genètics que amb mecanismes fenològics. Els resultats obtinguts en aquesta Tesi són rellevants per comprendre el paper dels efectes pleiotròpics del gen PPD-H1 en el desenvolupament de l'ordi, la fertilitat de l'espiga i la capacitat de resposta a l'estrès per calor. Aquests resultats subratllen la importància de la sensibilitat al fotoperíode en la determinació del temps de floració, la fertilitat de l'espiga i el rendiment sota diferents condicions de fotoperíode i temperatura. Els efectes directes de PPD-H1 sobre la fertilitat de l'espiga i la seva funció en la resposta a l'estrès per calor proporcionen informació valuosa per als programes de millora genètica.

El desarrollo de la cebada es crucial para su adaptación, ya que determina el tiempo a floración y puede influir significativamente en la determinación del rendimiento al controlar la duración y la tasa de desarrollo de los órganos que serán fuentes y destinos. La variación en el tiempo a floración entre los genotipos de cebada se debe principalmente a diferencias en el gen de sensibilidad al fotoperíodo PPD-H1. Como el efecto alélico de estos genes cambia la sensibilidad a las señales ambientales y, por ende, la duración de las fases previas a la floración, varios investigadores han afirmado que tienen un efecto pleiotrópico en el rendimiento. Sin embargo, podría ser más un efecto indirecto mediado por el aumento de la duración del ciclo que un verdadero efecto pleiotrópico. Desafortunadamente, aún no se han realizado estudios que examinen si los genes del desarrollo tienen efectos directos en los componentes del rendimiento de la cebada, independientemente de las variaciones fenológicas. Por lo tanto, el objetivo principal de esta Tesis fue cuantificar los efectos de los alelos de PPD-H1 en el desarrollo, la fertilidad de la espiga y los componentes del rendimiento de grano; distinguiendo los efectos indirectos mediados por los cambios fenológicos inducidos por los alelos de PPD-H1 de los posibles efectos directos que podrían observarse incluso sin diferencias en el tiempo de floración. Además, se determinó si estos efectos son independientes del fondo genético PHYC. Además, dado que el cambio climático está exponiendo a los cultivos a temperaturas cada vez más altas, se cuantificaron las alteraciones en los componentes de rendimiento de líneas isogénicas (NILs) de cebada primaveral para el gen PPD-H1 en respuesta a olas de calor impuestas inmediatamente antes de la floración. La configuración experimental incluyó diversos contextos ambientales, con diferentes fotoperíodos y temperaturas, lo que permitió evaluar la posible interacción y compensaciones entre el gen PPD-H1 y los ambientes en cuanto a la sensibilidad a olas de calor. Durante tres ciclos de cultivo, se realizaron cuatro experimentos de campo y tres experimentos en cámaras de crecimiento en Lleida y Bell-lloc d’Urgell. Estos experimentos tenían como objetivo caracterizar el desarrollo de diferentes fases de crecimiento en un conjunto de líneas isogénicas para el gen PPD-H1. El estudio se centró en la iniciación de hojas y espiguillas, la tasa de aparición de hojas, el ahijamiento y el número final de hojas, así como en la dinámica de la iniciación y degeneración de primordios florales. A lo largo de todos los experimentos, se realizaron numerosas disecciones periódicas, resultando en una base de datos exhaustiva. Bajo fotoperíodos naturales (12-16 horas), los genotipos Ppd-H1 sensibles florecieron antes que los ppd-H1 insensibles. Sin embargo, bajo fotoperíodos extendidos (>21 horas), los tiempos de floración de ambas NILs convergieron, permitiendo el estudio de los efectos genéticos en los componentes del rendimiento independientemente del tiempo a floración. Análisis fenológicos detallados revelaron que las subfases previas a la floración, la emergencia de hojas, la dinámica del ahijamiento y el desarrollo de las espiguillas se vieron afectados por el fotoperíodo. Los fotoperíodos más largos acortaron consistentemente el ciclo de crecimiento. Los efectos de PPD-H1 en el tiempo de floración dependieron del fondo genético PHYC y las condiciones del fotoperíodo. PPD-H1 reguló el número de hojas y el filocrono, afectando principalmente la fase reproductiva tardía y tendiendo a alargar la duración desde la emergencia hasta la iniciación de aristas. Notablemente, aunque PPD-H1 no afectó el filocrono de las primeras seis hojas, las hojas posteriores mostraron un mayor filocrono en las líneas ppd-H1 bajo fotoperíodos cortos. Bajo fotoperíodos extendidos, la insensibilidad de los alelos ppd-H1 condujo a una mayor fertilidad de la espiga y número de granos a través de efectos pleiotrópicos directos, independientemente del tiempo a floración. El alelo ppd-H1 mejoró la fertilidad de espiga al asignar más fotoasimilados a las espigas juveniles y aumentar la eficiencia en la producción de flores fértiles por unidad de fotoasimilado. El mapeo de flores reveló patrones de fertilidad consistentes dentro de la espiga, con espiguillas centrales fértiles en ambas líneas, mientras que la línea insensible ppd-H1 mostró una mayor fertilidad en las espiguillas distales en comparación con la línea sensible Ppd-H1, explicado por una mayor supervivencia de los primordios florales. El rendimiento varió significativamente entre los diferentes ambientes, mostrando una reducción consistente debido a las olas de calor. La línea insensible al fotoperíodo (ppd-H1) sufrió una mayor penalización de rendimiento (19.1±4%) en comparación con la línea sensible al fotoperíodo (Ppd-H1; 10±5%). Esta disminución en el rendimiento se atribuyó principalmente a una reducción en el número de granos por m2, causada por una menor fertilidad de la espiga y un aumento en el aborto de granos, especialmente evidente en la línea ppd-H1. El impacto de las olas de calor en el tiempo de floración fue despreciable, sugiriendo que la resiliencia está más relacionada con factores genéticos que con mecanismos fenológicos. Los resultados obtenidos en esta Tesis son relevantes para comprender el papel de los efectos pleiotrópicos del gen PPD-H1 en el desarrollo de la cebada, la fertilidad de la espiga y la capacidad de respuesta al estrés por calor. Estos resultados subrayan la importancia de la sensibilidad al fotoperíodo en la determinación del tiempo de floración, la fertilidad de la espiga y el rendimiento bajo diferentes condiciones de fotoperíodo y temperatura. Los efectos directos de PPD-H1 sobre la fertilidad de la espiga y su función en la respuesta al estrés por calor proporcionan información valiosa para los programas de mejora genética.

Barley development is critical for adaptation because it determines time to flowering and can significantly influence yield determination by controlling duration and rate of development of source and sink organs. Variation in flowering time among barley genotypes is primarily due to differences in the photoperiod-sensitivity gene PPD-H1, which modulate sensitivity to daylength. As allelic effect of these gene changes in sensitivity to environmental cues and therefore the duration of pre-flowering phases, several researchers claimed that they have a pleiotropic effect on yield. However, it might be more an indirect effect mediated by increases in cycle duration than a true pleiotropic effect. Unfortunately, no studies have yet examined whether developmental genes have direct effects on yield components in barley, independent of phenological variations. Therefore, the main aim of this Thesis was to quantify the effects of PPD-H1 alleles on development, spike fertility and grain yield components; distinguishing indirect effects mediated by phenological changes induced by PPD-H1 alleles from possible direct effects that may be observed even without differences in flowering time. Also trying to determine whether these effects are independent of the PHYC genetic background. Moreover, as climate change is exposing crops to increasingly high temperatures, the reproductive outputs alterations of spring barley near isogenic lines (NILs) for the PPD-H1 gene were quantified in response to heat waves imposed immediately before flowering. The experimental setup included several environmental backgrounds, reflecting different photoperiods and temperatures, allowing the assessment of potential interaction and trade-offs between PPD-H1 gene and environments on heat wave sensitivity. Over three growing seasons, four field experiments and three growth chamber experiments were conducted at Lleida and Bell-lloc d’Urgell. These experiments aimed to characterize the development of different growth phases in a set of NILs for the PPD-H1 gene. The study focused on leaf and spikelet initiation, leaf appearance, tillering, and final leaf number, as well as the dynamics of floret primordia initiation and degeneration. Throughout all experiments, numerous dissections were periodically performed, resulting in a comprehensive database. Under natural photoperiods (12-16 hours), the sensitive Ppd-H1 genotype flowered earlier than insensitive ppd-H1 one. However, under extended photoperiods (>21 hours), flowering times of both NILs converge, allowing for the study of genetic effects on yield components independent of flowering time. Detailed phenological analyses reveal that pre-flowering sub-phases, leaf emergence, tillering dynamics, and spikelet development were affected by photoperiod. Longer photoperiods consistently shorten the growth cycle. The effects of PPD-H1 on flowering time depended on the PHYC genetic backgrounds and photoperiod conditions, with PPD-H1 modulating leaf number and phyllochron, affecting mainly the late reproductive phase while tending to lengthen the duration of the seedling emergence to awn initiation phase. Notably, although PPD-H1 did not affect the phyllochron of the first six leaves, later leaves showed increased phyllochron in ppd-H1 lines under short photoperiods. Under extended photoperiods, the insensitivity of ppd-H1 alleles enhanced spike fertility and grain number through pleiotropic effects, independent of flowering time. The ppd-H1 allele enhanced spike fertility by allocating more resources to juvenile spikes and improved the efficiency of the allocated resources to produce fertile florets. Floret mapping revealed consistent fertility patterns within the spike, with central spikelets maintaining fertility across both lines, while the insensitive ppd-H1 line exhibited higher fertility in distal spikelets compared to the sensitive Ppd-H1 line explained by an enhanced floret primordia survival. Grain yield varied significantly across environmental conditions, with heat waves consistently reducing yield. The photoperiod-insensitive NIL (ppd-H1) exhibited a greater yield reduction (19.1±4%) compared to the photoperiod-sensitive NIL (Ppd-H1; 10±5%). This yield penalty was primarily due to a reduction in grain number per m2, driven by decreased spike fertility and increased grain abortion, especially in the ppd-H1 line. The minimal impact of heat waves on flowering time suggests that resilience is linked to genetic factors rather than phenological mechanisms. All these findings are relevant to understand PPD-H1 pleiotropic effects role in barley development, spike fertility and heat stress resilience. The findings highlight the significance of photoperiod sensitivity in determining flowering time, spike fertility, and yield under varying photoperiod and temperature conditions. The direct effects of PPD-H1 on spike fertility and its role in heat stress response offer valuable insights for future breeding programs.