Identificación de QTL asociados a caracteres de rendimiento de una población de trigo bajo condiciones de estrés hídrico en San Juan, Argentina
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2024
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Abbate, Pablo E. Cirilo, Alfredo Galmarini, Claudio Gómez Talquenca, Gonzalo S. González, Fernanda Helguera, Marcelo Lijavetzky , Diego Ruiz, Mónica |
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Balmaceda, Mariana Andrea |
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Ciencias agrarias |
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Co-director/a Comité asesor Comité asesor Comité asesor Director/a Doctor/a en Agronomía Doctorado en Agronomía Integrante del jurado Integrante del jurado Integrante del jurado spa UNCuyo FCA |
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Cultivo de trigo Ecofisiología Estrés de sequia Estrés hídrico Genotipo Germoplasma Herencia poligénica Índices de productividad Método estadístico San Juan (Argentina : provincia) Tratamiento de riego Trigo Variabilidad fenotípica |
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El déficit hídrico es uno de los principales factores abióticos que limitan la producción de trigo en Argentina, siendo el responsable de una disminución de la producción superior al 40%. Una estrategia para mitigar este efecto es generar nuevas combinaciones genéticas seleccionando germoplasma de elite que difiera en la tolerancia al estrés hídrico para luego generar poblaciones de mapeo. Sin embargo, la gran mayoría de los caracteres morfofisiológicos asociados con la tolerancia a la sequía del cultivo son cuantitativos, es decir la complejidad de la tolerancia a la sequía se debe a la herencia poligénica, existen numerosas regiones genómicas de efecto menor (QTL) y una alta interacción genotipo (G) por ambiente (A) (GxA), por lo tanto, con baja heredabilidad. En este contexto el objetivo de esta tesis es contribuir a la comprensión de las bases ecofisiológicas y genéticas de la tolerancia a estrés hídrico en trigo pan, medido como su impacto en el rendimiento, utilizando poblaciones de mapeo biparentales. Por consiguiente, se planteó i) Identificar índices de tolerancia a la sequía apropiados para la selección de genotipos contrastantes, ii) caracterizar la respuesta a la sequía en una población de mapeo resultante de la cruza de los genotipos contrastantes Baguette P. 11 y BIOINTA 2002, iii) Identificar regiones genómicas determinantes de características ecofisiológicas asociadas a la tolerancia a estrés hídrico, en la población evaluada. Para abordar estos objetivos se analizaron tres años (2017, 2018, 2019), que incluyeron 10 cultivares comerciales y una población de dobles haploides (DHs) compuesta por 69 líneas derivadas del cruzamiento de Baguette Premium 11 x BIOINTA 2002. Se generaron dos ambientes contrastantes, Regado (100% ETc) y estrés (50% ETc para los primeros años-25% Etc para el tercer año). Los rasgos evaluados fueron (i) fecha de antesis (Ant, Z6.5), (ii) fecha de madurez fisiológica (MF, Z9), (iii) la altura de la planta (Alt, cm), (iv) biomasa aérea total/m2 a madurez (BT, g/m2), (v) número de espigas/m2 (NE/m2), (vi) número de granos por espiga (NGE), (vii) peso de 1000 granos (PG, g) y (viii) rendimiento del grano/m2 (RG, g/m2). Los análisis de QTL se realizaron utilizando un mapeo de intervalo compuesto (CIM, del inglés Composite Interval Mapping) con regresiones forward y backward y 500 permutaciones con un α = 0.05 utilizando el software QTL Cartographer 2.5. Un primer análisis indicó que el déficit hídrico redujo los valores de los rasgos evaluados en los cultivares comerciales de trigo. Las correlaciones significativas del Yp (media de los genotipos en el tratamiento Regado, g/m2) y Ys (media de los genotipos en tratamiento estrés hídrico, g/m2) con los índices de Productividad Media (PM), Índice de tolerancia a la Sequía (ITS) y el de Productividad media geométrica (PMG), además las relaciones establecidas en el gráfico biplot demostraron que son los indicadores adecuados para seleccionar genotipos contrastantes. Estos índices seleccionaron a los genotipos BIOINTA 2002, Baguette 9 y BIOINTA 2004 como tolerantes al déficit hídrico. En contraste, señalaron a Baguette P. 11, BIOINTA 1005 y Pampeano como genotipos susceptibles al déficit hídrico. En tanto se seleccionó a la población de dobles haploides resultante de cruzamiento de Baguette P. 11 (parental susceptible) y BIOINTA 2002 (parental resistente). En relación al fenotipado a campo de la DHs en dos ambientes hídricos contrastantes, se evidenció que los tratamientos de déficit hídrico redujeron significativamente los valores fenotípicos en todos los rasgos evaluados en ambos años. Los ambientes generados dieron lugar a una gran variabilidad fenotípica en todos los rasgos evaluado dando lugar a la ocurrencia de líneas extremas y confirmando herencia transgresiva. La variabilidad fenotípica observada en los rasgos evaluados fue explicada en parte por el factor G y la interacción GxA (PG y la Alt), en los rasgos NE, NGE y NG/m2 su variabilidad es explicada en mayor proporción por la interacción GxA (más del 50%) y, como se esperaba para el RG, la variabilidad fenotípica fue explicada mayoritariamente por la interacción GxA (96%). También se confirmó que el NE/m2 es un rasgo que se adapta a las diferentes condiciones ambientales, pero con una baja heredabilidad (H2: 0.35), en el otro extremo se ubica la Alt con baja plasticidad fenotípica, pero con alta heredabilidad (H2: 0.82), y que el NG/m2 es el componente principal que regula las variaciones en el RG, con una heredabilidad media (H2= 0.63). Se mapearon un total de 39 QTLs de los cuales seis resultaron estables y mayores. Se confirmaron interacciones significativas QTLxTrat pero que a su vez resultaron interesantes, pues algunos QTLs modificaron los rasgo evaluados de manera positiva en condiciones de déficit hídrico. Es para destacar el QNG.pocito-4D por su efecto significativo y positivo en los rasgos NGE, NG/m2, el PG tanto en condiciones de Regado como de déficit hídrico y consecuentemente incrementando los valores fenotípicos del RG un 8.5% en condiciones de déficit hídrico. Water deficit is one of the main abiotic factors limiting wheat production in Argentina, being responsible for an inter-annual decrease in production of more than 40%. One strategy to mitigate this effect is to generate new genetic combinations by selecting elite germplasm that differs in tolerance to water stress and then generating mapping populations. However, the vast majority of morpho-physiological traits associated with crop drought tolerance are quantitative, which means that the complexity of drought tolerance is due to polygenic inheritance. There are numerous genomic regions of minor effect (QTL) and a high genotype-by-environment (GxA) interaction, hence with low inheritance. In this context the aim of this thesis is to contribute to the understanding of the ecophysiological and genetic basis of water stress tolerance in bread wheat, measured as its impact on yield, using biparental mapping populations. Therefore, we aimed to i) identify drought tolerance indices suitable for selection of contrasting genotypes, ii) characterise the drought response in a mapping population resulting from the cross of contrasting genotypes Baguette P. 11 and BIOINTA 2002, iii) identify genomic regions determining ecophysiological traits associated with water deficit tolerance in the evaluated population. To address these objectives, three years (2017, 2018, 2019) were analysed, including 10 commercial cultivars and a double haploid (DH) population composed of 69 lines derived from the cross of Baguette Premium 11 x BIOINTA 2002. Two contrasting environments were generated, control (100% ETc) and stress (50% ETc for the first years-25% Etc for the third year). The traits evaluated were (i) anthesis date (Ant, Z6. 5), (ii) physiological maturity date (MF, Z9), (iii) plant height (Alt, cm), (iv) total aboveground biomass per m2 (BT, g/m2), (v) number of spikes per m2 (NE/m2), (vi) number of grains per spike (NGE), (vii) 1000 grain weight (PG, g) and (viii) grain yield per m2 (RG, g/m2). QTL analyses were performed using Composite Interval Mapping (CIM) with forward and backward regressions and 500 permutations with an α = 0.05 using QTL Cartographer 2.5 software. A first analysis indicated that water deficit reduced the values of evaluated traits in commercial wheat cultivars. Significant correlations of Yp (g/m2) and Ys (g/m2) with Mean Productivity (MP), Drought Tolerance Index (DTI) and Geometric Mean Productivity (GMP) indices, and the relationships established in the Bi-plot graph showed that they are suitable indicators to select contrasting genotypes. These indices chose genotypes BIOINTA 2002, Baguette 9 and BIOINTA 2004 as tolerant to water deficit. In contrast, Baguette P. 11, BIOINTA 1005 and Pampeano were selected as genotypes susceptible to water deficit. The double haploid population resulting from crossing Baguette P. 11 (susceptible parental) and BIOINTA 2002 (resistant parental) was selected. Field phenotyping of the haploid doubles population in two contrasting water environments showed that water deficit irrigation treatments significantly reduced phenotypic values for all traits evaluated in both years. The generated environments gave rise to high phenotypic variation in all evaluated traits leading to the occurrence of extreme lines and confirming transgressive inheritance. The phenotypic variation observed in the evaluated traits was partly explained by the genotype (G) and the GxA interaction (PG and the Alt); in the traits NE, NGE and NG/m2 their variation is explained in a higher proportion by the GxA interaction (more than 50%) and, as expected for the RG, the phenotypic variation was mostly explained by the GxA interaction (96%). It was also confirmed that NE/m2 is a trait that is adaptable to different environmental conditions, but with low heritability (H2: 0.35), at the other extreme is Alt. with low phenotypic plasticity, but high heritability (H2: 0.82), and that NG/m2 is the main component regulating variations in GR, with medium heritability (H2= 0.63). A total of 39 QTLs were mapped of which six were found to be stable and major. Significant QTLxTrat interactions were confirmed and showed interesting results, as some QTLs modified the evaluated traits positively under water deficit conditions. The QNG.pocito-4D is noteworthy for its significant and positive effect on the traits NGE, NG/m2, PG in both control and water deficit conditions and consequently increasing the phenotypic values of GR by 8.5% in water deficit conditions |
