Improving oat for adaptation to Mediterranean environments

Abstract

Oat (Avena sativa L.) is a nutritionally important cereal crop cultivated in most parts of the world as both, food and fodder. This cereal is better adapted to temperate and humid climate than to the drier Mediterranean climate. However, over the last decades there has been a steady state increase of oat cultivated area in Mediterranean rim because under harsh environmental conditions its agronomic performance is better than that of wheat and barley. This increase in cultivated area has been higher and faster than the corresponding breeding effort to improve the adaptation of this crop to the Southern agroclimatic conditions. Therefore, there is an urgent need for improving the oat adaptation to Mediterranean conditions. Within this thesis we have set theoretical and empirical basis to facilitated the breeding of this crop: In chapter 1, we gathered a oat collection consisting on 709 accessions, constituted mainly by Mediterranean red and white oat landraces, from 24 different countries. We further performed an exhaustive characterisation of the collection at different levels. We created an interactive map to easy access their main morphological and passport information and dissected their genetic relationships by a detailed genetic diversity study through genotypying by sequencing (GBS) genotyping. Further, we carried out an association analysis with heading date that confirm the strength of this collection and the genetic information developed. In chapter 2, where we assessed the contribution of environmental and genetic variation and their interaction to phenotypic variation and agronomic performance in the oat collection. The main aim was to provide the theoretical basis to test oat performance in Mediterranean environments and to explain the local adaptation of the best performing landraces according to the influence exerted on their performance by different climate and edaphic variables. In chapters 3 to 7 dissect different phenes associated with tolerance responses to droughtin both above-ghround and below-ground organs. Thus, in chapter 3 we shed light on the role lipids in drought tolerance in oats, we profiled more than 90 fatty acids for each of the main lipid classes and free fatty acids in two well characterized oat genotypes differing in their response to drought. In chapter 4 we investigated the salicylic-polyamine interaction during drought responses in oats through exogenous SA application and direct polyamine quantification and gene expression analysis. In chapter 5, we dissect the root system architecture components that contribute to cope with drought in oats. In addition, we set up the best method for fast and reliable screening of large amount of plants through the comparison of similar root traits in seedlings grown in pots or in rhizotrons with adult plants grown in big containers under field conditions. In chapter 6, we go further on the study of the role of roots during drought stress in oat and explored in detail through molecular, physiological, morphological and anatomical studies the two different strategies observed in a resistant and susceptible oat genotypes: the most conservative “saving water” strategy and the “water spending” strategy over an imposed water deficit time course under controlled conditions. This allowed determining specific phenes contributing to the resistance response that could be used to improve the performance of oat crop under drought conditions. In chapter 7, we quantified JA, Ile-JA and OPDA levels in roots of two oat cultivars previously characterized as resistant and susceptible during gradual water depletion. Further, we investigated the role of OPDA by exogenous application, following by assessment of their effect on aerial and root traits. Overall, this thesis advance our knowledge on key aspects that will benefit the improvement of the oat crop. This knowledge was generated in diverse research fields, from genetic and genome studies, to agronomic determinations or dissection of mechanisms underlying the drought resistance response. These studies were also carried out in all different levels of the plants, from the field, to physiological, cellular and molecular studies and regarding above ground and below ground responses. This information will ease the improvement of the oat crop for adaptation of Mediterranean agroclimatic conditions in the current scenario of climate change.

La avena (Avena sativa L.) es un cereal de gran importancia que se cultiva en la mayor parte del mundo tanto para consumo humano como para forraje. Este cereal se adapta mejor a climas templados y húmedos que a los climas secos del Mediterráneo. Sin embargo, en las últimas décadas ha habido un aumento constante del área cultivada de la avena en el área del Mediterráneo debido a que en condiciones ambientales adversas su rendimiento es mejor que el del trigo o la cebada. Este aumento del área cultivada ha sido mayor y más rápido que el esfuerzo de mejora correspondiente para la adaptación del cultivo a las condiciones agroclimáticas del sur. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de mejorar la adaptación de la avena a las condiciones mediterráneas. Dentro de esta tesis hemos establecido bases teóricas y empíricas para facilitar la mejora de este cultivo: En el capítulo 1, reunimos una colección de avena que consta de 709 accesiones de A. sativa, tanto subsp. sativa como byzantina, de 24 países diferentes del área del Mediterráneo. Además, realizamos una caracterización exhaustiva de la colección a diferentes niveles. Creamos un mapa interactivo para acceder fácilmente a su información morfológica y de pasaporte, y se realizó un estudio detallado de diversidad genética mediante el análisis de genotipado por secuenciación (GBS). Además, realizamos un análisis de asociación genética con la fecha de floración que confirma la solidez de esta colección y la información genética desarrollada. En el capítulo 2, evaluamos la contribución de la variación genética y ambiental y su interacción a la variación fenotípica, así como el comportamiento agronómico de la colección de avena en diferentes ambientes. El objetivo principal es proporcionar una base teórica para estudiar el comportamiento de la avena en ambientes mediterráneos y explicar la adaptación de las variedades-población de mejor comportamiento según la influencia que ejercen en el mismo diferentes variables climáticas y edáficas. En los capítulos 3 a 7, se estudian diferentes mecanismos asociados con las respuestas de tolerancia a la sequía tanto en hojas como en raíces. Así, en el capítulo 3, clarificamos el papel de los lípidos en la resistencia a la sequía en avena, a través del estudio del perfil de más de 90 ácidos grasos para cada una de las principales clases de lípidos y también en ácidos grasos libres, en dos genotipos de avena bien caracterizados que difieren en su respuesta a la sequía. En el capítulo 4, investigamos la interacción ácido salicílico-poliaminas durante las respuestas a la sequía en avena a través de la aplicación de salicílico y la cuantificación directa de las poliaminas y estudios de expresión génica. En el capítulo 5, identificamos parámetros de la arquitectura radical que contribuyen a hacer frente a la sequía en la avena. Además, establecimos el mejor método para un escrutinio rápido y fiable de gran cantidad de plantas comparando los mismos caracteres radicales en plántulas cultivadas en macetas o rizotrones y en plantas adultas cultivadas en grandes contenedores en condiciones de campo. En el capítulo 6, profundizamos en el papel de las raíces en la sequía mediante estudios moleculares, fisiológicos, morfológicos y anatómicos. Así estudiamos dos estrategias observadas en genotipos de avena resistentes y susceptibles a la sequía: la más conservadora o la estrategia de “ahorro de agua" y la estrategia de "gasto de agua" mediante cursos temporales de sequía en condiciones controladas. En el capítulo 7, cuantificamos los niveles de JA, Ile-JA y OPDA en las raíces de dos cultivares de avena previamente caracterizados como resistentes y susceptibles durante un curso temporal de sequía. Además, investigamos el papel del OPDA mediante aplicación exógena y posterior evaluación de su efecto en hojas y raíces. En general, esta tesis avanza nuestro conocimiento sobre aspectos clave que beneficiarán la mejora de la avena. Este conocimiento se generó en diversos campos de investigación, desde estudios genéticos y genómicos, hasta determinaciones agronómicas o la identificación de mecanismos de resistencia a sequía. Estos estudios también se llevaron a cabo en diferentes niveles, desde estudios de campo hasta estudios fisiológicos, celulares y moleculares, y tanto en hojas como raíces. Esta información facilitará la mejora del cultivo de avena para su adaptación a las condiciones agroclimáticas mediterráneas en el escenario actual de cambio climático.