Barley improvement and yield constraints in Mediterranean environments: binterfacing crop physiology with plant breeding

Abstract

L'ordi (Hordeum vulgäre L.) és un cereal de zones temperades conreat extensament en<br/>climes mediterranis. Es desenvolupa favorablement en àrees de pluviometria mitjana anual<br/>superior a 250 mm. Durant les darreres dècades, els increments en rendiment deguts a activitats<br/>de millora genètica han estat poc importants a causa, probablement, de la limitació que la sequera<br/>i altres estressos abiòtics exerceixen sobre el creixement. Futurs increments poden veure's<br/>accelerats per un millor coneixement dels processos que controlen el creixement i<br/>desenvolupament i que limiten la product! vi tat dels genotips en situacions de manca d'aigua. Dins<br/>d'aquest contexte, les activitats d'investigació en fisiologia vegetal haurien de tenir un fort<br/>impacte, en un futur proper, en l'increment de l'eficiència dels programes de millora tradicionals.<br/>Aquesta tesi pretén ampliar el coneixement actual d'aquells factors que redueixen el creixement,<br/>la productivitat i la qualitat de l'ordi en ambients mediterranis. Amb aquesta finalitat, s'han<br/>avaluat en assajos localitzats a la província de Lleida (nordest d'Espanya) i, ocasionalment, a les<br/>províncies de Navarra (nord d'Espanya) i Valladolid (centre d'Espanya), un conjunt de deu<br/>genotips d'ordi (incloent-hi dos i sis carreres) que difereixen en adaptació a ambients semiàrids.<br/>Inicialment, un conjunt de tres genotips moderns i altament productius (Barberousse,<br/>Orria i Plaisant) va ésser utilitzat per examinar l'efecte que una reducció de l'embomal<br/>reproductiu (nombre de grans per espiga) provocava sobre el pes i el creixement del gra,<br/>l'acumulació de carbohidrats i el transport de nitrogen en condicions semiàrides (Capítols I i II).<br/>Els increments en pes de gra obtinguts en resposta a una reducció del 50% de l'embornal van ser<br/>progressivament superiors en aquells ambients amb grans testimoni de menor pes. Pel contrari,<br/>el nitrogen es va acumular uniformement en tots els ambients en resposta a una reducció de<br/>l'embornal. Aquests resultats suggereixen que el rendiment final es troba fortament limitat, en<br/>ambients productivament pobres, per la disponibilitat de carbohidrats durant l'omplenat del gra,<br/>en tant que l'acumulació de proteïnes en el gra sembla independent de les condicions ambientals<br/>en que té lloc l'omplenat del gra. El grau de limitació exercit per la font es va manifestar més<br/>elevat en els grans situats en espigúeles laterals de l'espiga, amb independència de la<br/>disponibilitat d'assimilats per l'omplenat del gra. Aquest desavantatge dels grans laterals de<br/>l'espiga es va poder atribuir principalment a taxes d'acumulació de matèria seca inferiors durant<br/>l'omplenat.<br/>La influència d'estressos abiòtics com ara la sequera o les altes temperatures en el procés<br/>d'omplenat dels grans es va examinar en detall utilitzant el conjunt dels deu genotips assajats en<br/>dotze ambients (Capítols III i IV). L'objectiu final va consistir a detectar variabilitat genètica així<br/>com determinar possibles mecanismes morfofisiològics de tolerància als esmentats estressos. Els<br/>possibles factors causants d'interacció genotip-ambient (G*E) en el pes del gra, tasa i duració<br/>d'omplenat es van estudiar mitjançant l'ús de models estadístics biadditius. Es van detectar<br/>sensibilitats genotípiques diferencials en tolerància a sequera i a elevades temperatures de postantesi<br/>pel pes final del gra, que varen atribuir-se parcialment a diferències entre els grups d'ordis<br/>de dos i sis carreres. La presència de GxE per a la taxa d'omplenat es va explicar per l'efecte<br/>conjunt de variables climàtiques de pre-antesi, la qual cosa va suggerir que les diferències<br/>genotípiques podrien ser degudes parcialment a diferències en el balanç font/embornal entre ordis<br/>de dos i sis carreres en antesi. L'existència de GXE per a la duració d'omplenat va poder-se<br/>atribuir principalment a diferències en data d'antesi entre genotips, indicant l'existència d'una<br/>estratègia d'escapament causant d'un allargament del période d'omplenat d'alguns genotips a<br/>finals del cicle de cultiu.<br/>La relació entre rendiment i discriminació isotòpica del carboni (A) en grans va avaluar-se<br/>extensament en un grup de 22 ambients (Capítol VI), i també va examinar-se la possibilitat<br/>d'utilització de la concentració de cendres en teixits aeris com a substitut de A (Capítol VII).<br/>L'expressió genotipica del rendiment va estar condicionada per l'ambient d'una forma més<br/>important que la de A. L'existència de GxE pel rendiment va suggerir la presència d'una<br/>interacció qualitativa amb un punt de creuament aproximat situat en productivitats mitjanes<br/>inferiors a 3 t ha"1. Pel contrari, la classificació de genotips per a A no va variar substancialment<br/>amb l'ambient. En general, aquells genotips amb valors baixos de A i, per tant, amb elevades<br/>eficiències de transpiració, van ésser superiors en ambients poc productius (ambients per sota de<br/>3 t ha"1), en tant que valors genotípics de A elevats van mostrar-se com avantatjosos en ambients<br/>de rendiment mig i alt. És probable que, quan la sequera sigui moderada, un important embornal<br/>reproductiu forci la planta a incrementar la seva conductancia estomàtica i, com a conseqüència,<br/>l'aigua total utilitzada. Aquest fenomen probablement capgira la relació negativa esperada entre<br/>A i biomassa o rendiment quan la disponibilitat d'aigua és factor limitant. Per altra banda, la<br/>concentració mineral en grans va trobar-se relacionada freqüentment i de forma negativa amb A,<br/>en tant que no va trobar-se relació entre la concentració mineral en palla i A. Aquests resultats<br/>suggereixen que l'acumulació mineral en teixits aeris mostrejats a finals del cicle de cultiu és<br/>independent de l'eficiència de transpiració durant l'omplenat del gra. La concentració de cendres<br/>en grans podria emprar-se com a criteri de selecció complementari a A en ambient semiàrids, si<br/>bé es fa necessari un coneixement fisiologie més profund dels mecanismes que afecten<br/>l'acumulació de minerals en el gra.<br/>La sequera esdevé el principal factor limitant del creixement i la productivitat de l'ordi<br/>en els secans semiàrids mediterranis. En el present estudi, les diferències en productivitat en un<br/>conjunt de 22 ambients van poder atribuir-se, en gran part, a diferències paral·leles en<br/>disponibilitat hídrica des de sembra fins a antesi, période en el qual es determina el nombre de<br/>grans per m2. La presència d'una interacció GXE de tipus qualitatiu pel rendiment, així com les<br/>relacions fluctuants entre rendiment i A, depenent de la intensitat de l'estrès hídric, suggereixen<br/>que la tolerància a la sequera i l'elevat potencial de rendiment son conceptes antagònics en ordi.

La cebada (Hordeum vulgäre L.) es un cereal de zonas templadas ampliamente cultivado<br/>en climas mediterráneos. Se desarrolla favorablemente en zonas de pluviometría media anual<br/>superior a 250 mm. Durante las últimas décadas, los incrementos en rendimiento debidos a<br/>actividades de mejora genética han sido poco importantes probablemente a causa de la limitación<br/>que la sequía y otros estreses abióticos ejercen sobre el crecimiento. Futuros incrementos pueden<br/>verse acelerados por un mejor conocimiento de los procesos que controlan el crecimiento y<br/>desarrollo y que limitan la productividad de los genotipos en situaciones caracterizadas por la<br/>falta de agua. En este contexto, las actividades de investigación en fisiología vegetal deberían<br/>tener un fuerte impacto, ya en un futuro próximo, en el incremento de la eficiencia de los<br/>programas de mejora tradicionales. La presente tesis pretende ampliar el conocimiento actual de<br/>aquellos factores que reducen el crecimiento, la productividad y la calidad de la cebada en<br/>ambientes mediterráneos. Con este fin se ha evaluado en ensayos situados en la provincia de<br/>Lérida (nordeste de España) y, ocasionalmente, en las provincias de Navarra (norte de España)<br/>y Valladolid (centro de España), un conjunto de diez genotipos de cebada (incluyendo dos y seis<br/>carreras) que difieren en adaptación a ambientes semiáridos.<br/>Inicialmente, un conjunto de tres genotipos modernos y altamente productivos<br/>(Barberousse, Orria y Plaisant) fue utilizado para examinar el efecto que una reducción del<br/>sumidero reproductivo (número de granos por espiga) provocaba sobre el peso y el crecimiento<br/>del grano, la acumulación de carbohidratos y el transporte de nitrógeno en condiciones semiáridas<br/>(Capítulos I y II). Los incrementos en peso del grano obtenidos en respuesta a una reducción del<br/>sumidero del 50% fueron progresivamente superiores en aquellos ambientes con granos testigo<br/>de menor peso. Por el contrario, el nitrógeno se acumuló uniformemente en todos los ambientes<br/>en respuesta a una reducción del sumidero. Estos resultados sugieren que el rendimiento final se<br/>encuentra fuertemente limitado, en ambientes productivamente pobres, por la disponibilidad de<br/>carbohidratos durante el llenado del grano, mientras que la acumulación de proteínas en el grano<br/>parece independiente de las condiciones ambientales en las que el llenado del grano tiene lugar.<br/>El grado de limitación ejercido por la fuente fue más elevado para los granos situados en<br/>espiguillas laterales de la espiga, con independencia de la disponibilidad de asimilados durante<br/>el llenado del grano. Esta desventaja de los granos laterales de la espiga pudo atribuirse<br/>principalmente a tasas inferiores de acumulación de materia seca durante el llenado.<br/>La influencia de estreses abióticos tales como la sequía o las altas temperaturas en el<br/>proceso de llenado de los granos se examinó en detalle utilizando el conjunto de los diez<br/>genotipos ensayados en doce ambientes (Capítulos III y IV). El objetivo final perseguido<br/>consistió en detectar variabilidad genética así como en determinar posibles mecanismos<br/>morfofisiológicos de tolerancia a dichos estreses. Los posibles factores causantes de interacción<br/>genotipo-ambiente (G*E) en el peso del grano, la tasa y la duraoión de llenado se estudiaron<br/>mediante el uso de modelos estadísticos biaditivos. Se detectaron sensibilidades genotípicas<br/>diferenciales en la tolerancia a la sequía y a las elevadas temperaturas de post-antesis para el peso<br/>final del grano, que se atribuyeron parcialmente a diferencias entre los grupos de cebadas de dos<br/>y seis carreras. La presencia de G*E para la tasa de llenado se explicó por el efecto conjunto de<br/>variables climáticas de pre-antesis, lo que sugirió que las diferencias genotípicas pudieran deberse<br/>parcialmente a diferencias en el balance fuente/sumidero entre cebadas de dos y seis carreras en<br/>antesis. La existencia de G*E para la duración del llenado pudo atribuirse principalmente a<br/>diferencias en fecha de antesis entre genotipos, indicando la existencia de cierta estrategia de<br/>escape causante de un alargamiento del periodo de llenado de algunos genotipos al final del ciclo<br/>de cultivo.<br/>La relación entre rendimiento y discriminación isotópica del carbono (A) en granos se<br/>evaluó extensamente en un grupo de 22 ambientes (Capítulo V), y también se examinó la<br/>posibilidad de utilizar la concentración de cenizas en tejidos aéreos como substituto de A<br/>(Capítulo VI). La expresión genotipica del rendimiento fue condicionada por el ambiente de una<br/>forma más acusada que la de A. La existencia de GXE para el rendimiento sugirió la presencia<br/>de una interacción cualitativa cuyo punto de cruce cabría situarlo aproximadamente en<br/>productividades medias inferiores a 3 t ha"1. Por el contrario, la clasificación de genotipos para<br/>A no cambió substancialmente con el ambiente. En general, aquellos genotipos con bajos valores<br/>de A y, por tanto, con elevadas eficiencias de transpiración, fueron superiores en ambientes poco<br/>productivos (ambientes por debajo de 3 t ha"1), mientras que valores genotípicos de A elevados<br/>se revelaron como ventajosos en ambientes de rendimientos medios y altos. Es probable que,<br/>cuando la sequía es moderada, un importante sumidero reproductivo, típico de cultivares<br/>modernos, fuerce la planta a incrementar su conductancia estomática y, en consecuencia, el agua<br/>total utilizada. Este fenómeno probablemente invierte la relación negativa esperada entre A y<br/>biomasa o rendimiento cuando la disponibilidad de agua es un factor limitante. Por otra parte,<br/>XVll<br/>la concentración mineral en granos estuvo relacionada frecuentemente y de forma negativa con<br/>A, mientras que no se encontró relación entre la concentración mineral en paja y A. Estos<br/>resultados sugieren que la acumulación mineral en tejidos aéreos muestreados al final del ciclo<br/>de cultivo es independiente de la eficiencia de transpiración durante el llenado del grano. La<br/>concentración de cenizas en granos podría utilizarse como criterio de selección complementario<br/>a A en ambientes semiáridos, si bien es necesario un conocimiento fisiológico más profundo de<br/>los mecanismos que afectan a la acumulación de minerales en el grano.<br/>La sequía representa el principal factor limitante del crecimiento y la productividad de la<br/>cebada en los secanos semiáridos mediterráneos. En el presente estudio, las diferencias en<br/>productividad en un conjunto de 22 ambientes pudieron atribuirse en gran medida a diferencias<br/>paralelas en disponibilidad hídrica desde siembra hasta antesis, período en el cual se determina<br/>el número de granos por m2. La presencia de una interacción G*E de tipo cualitativo para el<br/>rendimiento, así como las relaciones fluctuantes entre rendimiento y A, dependiendo de la<br/>intensidad del estrés hídrico, sugieren que la tolerancia a la sequía y el elevado potencial de<br/>rendimiento son conceptos antagónicos en cebada.

Barley (Hordeum vulgäre L.) is an important temperate cereal extensively cultivated in<br/>Mediterranean climates. It can be grown successfully where the average annual rainfall exceeds<br/>250 mm. Yield improvement for Mediterranean areas during the last decades has been slow<br/>probably due to the limitation that drought and other abiotic stresses exert on plant growth. Future<br/>increases in productivity may be accelerated by a better understanding of processes that control<br/>growth and development and limit genotypic performance of barley provided water is scarce.<br/>Thus, physiological research should have a considerable impact in the near future in increasing<br/>the efficiency of traditional breeding programs. This thesis focusses on widening current<br/>physiological knowledge of factors that curtail growth, productivity and quality of barley in<br/>Mediterranean environments. To that end, a set often genetically diverse barley cultivare, which<br/>includes two- and six-rowed types differing in adaptation to semiarid environments, has been<br/>extensively evaluated in rainfed environments located in the province of Lleida (Northeastern<br/>Spain) and, occasionally, in the provinces of Navarra (Northern Spain) and Valladolid (Central<br/>Spain).<br/>A subgroup of three high yielding, modern six-rowed genotypes (Barberousse, Orria and<br/>Plaisant) was used initially to examine the effect of a decrease in the reproductive sink (i.e.,<br/>number of grains per spike) on individual grain weight and growth, carbohydrate accumulation<br/>and N uptake under semiarid conditions (Chapters I and II). Grain weight increases in response<br/>to a 50% sink-reduction were progressively greater in environments with smaller control grains.<br/>On the contrary, N accumulated uniformly across environments in response to sink manipulation.<br/>These results suggest that grain yield is largely limited by carbohydrate supply (i.e., source<br/>limited) during grain filling in poor rainfed environments, whereas protein accumulation into<br/>growing grains seems independent of the environmental conditions in which grain filling<br/>develops. The degree of such limitation to grain growth was consistently higher for those grains<br/>placed in lateral spikelets of the barley ear, irrespective of the availability of assimilates for grain<br/>filling. Such disadvantage of lateral grains could be ascribed mainly to lower dry matter<br/>accumulation rates during grain filling.<br/>The influence of abiotic stresses such as drought or high temperature in the context of the<br/>grain filling process was further examined for the complete set often genotypes grown in 12<br/>environments (Chapters III and IV). The final objective was to detect genetic variability and to<br/>determine possible morphophysiological mechanisms for tolerance to these abiotic constraints.<br/>Possible factors underlying genotype by environment interaction (GxE) for individual grain<br/>weight (IGW), grain filling rate (GFR) and grain filling duration (GFD) were explored by means<br/>of biadditive models. Differential genotypic sensitivities for IGW were found with respect to<br/>post-anthesis drought and elevated temperatures, which could be partially attributed to the<br/>difference between two- and six-rowed barleys. GXE for GFR could be partially explained by the<br/>joint effect of pre-anthesis climatic variables, suggesting that variation in genotypic behaviour<br/>for this trait may be caused by differences in source/sink balance between two- and six-rowed<br/>genotypes at anthesis. In addition, GXE for GFD seemed to be driven mainly by differences in<br/>anthesis date among genotypes, indicating the existence of an escape strategy lengthening the<br/>grain filling period of selected culti vare at the end of the crop cycle.<br/>The relationship between grain yield and carbon isotope discrimination (A) of mature<br/>grains was thoroughly evaluated in a large set of 22 environments (Chapter V), and the feasibility<br/>of using ash concentration in aboveground tissues as a surrogate of A explored (Chapter VI). The<br/>genotypic expression for grain yield was considerably more affected by the environment than that<br/>for A. GXE for grain yield suggested the existence of a crossover point at below 31 ha"1, whereas<br/>genotypic ranking for A did not changed substantially across environments. Overall, genotypes<br/>with lower A and, thus, with higher transpiration efficiency (TE), performed better in lowyielding<br/>environments, i.e., those below the crossover point, while a high genotypic A was<br/>advantageous in medium and high-yielding environments. It may be possible that, under<br/>moderate drought, a large reproductive sink (typical of modern cultivars) force the plant to<br/>increase its stomatal conductance and, consequently, its total water use. This phenomenon<br/>probably overrides the expected negative relation between A and biomass or yield when water<br/>is limiting. On the other hand, mineral concentration in mature grains was often negatively related<br/>to A, and mineral accumulation in vegetative tissues was unrelated to A. Both results suggest that<br/>mineral accumulation in aboveground tissues, sampled at maturity, is independent of the plant<br/>TE during grain filling. Ash concentration in mature grains could be used as a complementary<br/>criterion to A in semiarid environments, though a more accurate physiological understanding of<br/>the mechanisms underlying mineral accumulation in grains is still needed.<br/>Drought arises as the most limiting factor to barley growth and productivity in rainfed<br/>Mediterranean environments. In the present study, differences in productivity in a set of 22<br/>environments could be attributed largely to concomitant differences in water availability for<br/>growth from sowing to anthesis, a period in which the number of grains m"2 is determined.<br/>Presence of a crossover G*E interaction for grain yield, as well as changing relationships between<br/>productivity and A depending on the intensity of water stress, suggest that drought tolerance and<br/>yield potential are rather antagonistic concepts in barley.