Use geographic information systems (GIS), morpho-physiology and molecular marker tools to model adaptation mechanisms of durum in different environments in Morocco & Syria

Abstract

Durum wheat (Triticum turgidum L. var durum) is mainly produced and consumed in the Mediterranean region; it is used to produce several specific endproducts. The Durum wheat growing areas are subjects to various biotic and a-biotic stresses. Many varieties have been developed using new breeding technologies to cope with stresses, stabilize yield and maintain grain quality. One of the most critical step in plant breeding is the selection of genetic material that will make parents for crosses. ICARDA durum wheat breeding is studying a core collection of Mediterranean durum wheat landraces that are incorporated in breeding strategies. Field trials to characterize phenotypically and physiologically a collection of landraces were run between 2004 and 2007. Microsatellites were used also to study the genetic diversity. Geographic information system, combined with biometrical and population genetics methodologies were applied to identify phenotypic and genetic diversity spatial patterns. A large phenotypic variation was found in these collections especially yield components, morphology and quality traits, and the grain yield of landraces reached 90% of potential yield. Strong spatial patterns and barriers were found for several phenotypic traits across Morocco. Most of the phenotypic barriers overlapped with Altitude or agro16 climatic barriers. In general, landraces collected in close geographic regions tend to have similar 17 phenotypic characteristics. This study helped as well identifying different strategies of landraces in 18 forming yield in different parts of the country. Several long time climatic variables identified to be 19 proxies for traits variation in particular for phenology, height and grain quality. This could be used 20 later in recognizing new regions for future germplasm collections and parents for specific crosses. The collection showed as well a high allelic diversity and strong population structure which was spatially distributed. Also, a significant molecular barrier was found and coincides mainly with the Moroccan altitude pattern and fellow the delineation of the two main mountainous chains in the country. At the end of this study, A geographic information system user interface was developed to help breeders and gene-bank managers to identify landraces and geographic region of interest. The outcome of this study supports the use of geographic information systems together with existing phenotypic data and genetic markers to assess quickly and efficiently large number of genetic resources entries held by gene banks in particular in the context of climate change.

El trigo duro (Triticum turgidum L. var durum) se produce y consume en la región mediterránea principalmente; empleándose para producir varios productos finales específicos. Las áreas de cultivo del trigo duro están sujetas a diversos estreses bióticos y abióticos. Muchas variedades se han desarrollado utilizando las nuevas tecnologías de mejoramiento para hacer frente a los estreses, estabilizar el rendimiento y mantener la calidad del grano. Uno de los pasos más críticos en el mejoramiento es la selección de material genético para identificar padres de cruzamientos. En el ICARDA, el programa de mejoramiento de trigo duro está estudiando una colección núcleo de las variedades locales de trigo duro del Mediterráneo que se incorporan en las estrategias de mejoramiento. Los ensayos de campo, para caracterizar fenotípicamente y fisiológicamente una colección de variedades locales, se realizaron entre 2004 y 2007. Los micro-satélites se utilizaron también para estudiar la diversidad genética. Los sistemas de información geográfica (SIG), combinados con metodologías de genética y biométrica se aplicaron para identificar formas espaciales de diversidad fenotípica y genética. Se encontró una gran variación fenotípica en estas colecciones especialmente en componentes del rendimiento, la morfología y la calidad. El rendimiento de grano de las variedades locales alcanzó el 90% del rendimiento potencial. Se encontraron importantes barreras y patrones espaciales para varias características fenotípicas a través Marruecos. La mayor parte de las barreras fenotípicas coinciden con la altitud o con las barreras agroclimáticas. En general, las variedades locales recolectadas en zonas geográficas cercanas tienden a tener características fenotípicas similares. El presente estudio ayudó también a la identificación de las diferentes estrategias con variedades locales para la determinación del rendimiento en distintas partes del país. Algunas variables climáticas identificados durante mucho tiempo son indicadores de variaciones en fenología, altura de planta y la calidad del grano. Esto podría ser utilizado más adelante en el reconocimiento de nuevas regiones para las futuras colecciones de germoplasma y padres para cruzamientos específicos. La colección estudiada demostró también una alta diversidad alélica y fuerte estructura de la población distribuida espacialmente. Se encontró también, una barrera molecular significativa y coincide principalmente con el patrón de altitud marroquí y siguió con la delimitación de las dos principales cadenas montañosas del país. Al final de este estudio, se desarrolló una interfaz de usuario del sistema de información geográfica para ayudar a los mejoradores y los administradores de los bancos genéticos a identificar las variedades locales de la región geográfica de interés. El resultado de este estudio apoya el uso de sistemas de información geográfica, junto con datos fenotípicos existentes y marcadores genéticos para evaluar de forma rápida y eficiente un gran número de recursos genéticos en poder de bancos de genes, en particular en el contexto del cambio climático.