Identification and characterization of resistance to biotic and abiotic stresses in pea

Abstract

Pea (Pisum sativum L.) is the most widely cultivated temperate grain legume in Europe and the second in the world, it is used for animal feed and human food. As a legume, it is a source of protein and it brings environmental benefits being a safe bet for sustainable agriculture. However pea production is severely affected worldwide by abiotic and biotic stresses. The goal of the thesis is the identification and characterization of resistance to two major insect pests: Bruchus pisorum (pea weevil, Bp) and Acyrtosiphon pisum (pea aphid, PA), that cause yield and quality losses worldwide. Bp is a specialized pest which larvae feed into seeds decreasing the quality and marketability of the seeds and may cause losses of up to 50% of the harvest. Moreover a constant monitoring and treatment in the field and also in harvest period are needed. On the other hand PA is a phloem sucking pest that causes nutrient deficiencies and plant stunting which causes significant yield losses and transmit viruses. Being a polyphagous pest with a huge environmental adaptation, multiple treatments are necessary in the field. The little performance gained with biological control and the lack of resistance in elite cultivars prompted to look for resistance in wild genotypes and landraces. For this reason, this thesis has the objective of expanding the knowledge of plant-insect interactions as well as obtaining new sources of resistance to implement them in breeding programs, with the long term goal of develop resistant varieties and reduce the economic and ecologic costs which supposes its control. Following these objectives, a collection of Pisum spp. was screened in different plots assays to identify and characterize pea resistance against both pests. Chapter 1 deals with screening for Bp resistance in a multi-environment field tests. Assessments on seed infestation (SI) and larval development (LD) were subjected to a heritability-adjusted genotype and genotype x environment biplot analysis. Results showed that both traits were independent and were influenced by environmental traits. An accurate canonical correspondence analysis showed that both decreased in rainy seasons, meanwhile accumulated radiation and photoperiod favoured SI and decreased LD. Some accessions from different Pisum sativum subspecies highlighted with stable low values SI and / or LD. Chapter 2 describes choice and no choice bioassays to discern possible effects of flower and pod genotype on oviposition. Assays were performed with resistant accessions selected from chapter 1 under controlled conditions. No choice assays showed a significant genotypic effect on oviposition for both, being reduced to half on pods of particular pea accessions and negligible on pods on other legumes (Lathyrus sativus and Vicia faba). Dual choice assays also showed significant differences in oviposition preference. Data form chapter 2 could be useful for crops distribution and has increased the knowledge between Bp and pea. Chapter 3 describes the identification of Quantitate Trait Loci (QTL) for Bp resistance by phenotyping SI and LD in a Recombinant Inbred Line population (RIL) already genotyped using EST’s, SSR and DArT markers. Results elucidated three linkage groups (LG) involved in Bp infestation and one LG involved in larval development. These markers provide a highly valuable resource for future smart breeding approaches against Bp. Chapter 4 deals with identification of resistance to PA in Pisum spp. collection. Field screenings were performed over two seasons at Córdoba. The most resistant accessions were further characterized under semi-controlled conditions for PA coverage, reproduction and plant damage. Results elucidated the valuable resistance of accessions P40 and P665, with the combination of both antixenosis, by reducing aphid preference, and antibiosis, by diminishing aphid proliferation. Chapter 5 deals with the study of feeding repellence and toxicity to PA of several long chain alcohols (LCOH) and metabolites (derived from different organisms) chosen on the basis of their previous biological activity described. Results elucidate high feeding deterrence by some of the compounds. On the contrary, aphid mortality was low although significant for some of them. In addition phytotoxic effect on plants was evaluated elucidating Seridin as the best candidate.

El guisante (Pisum sativum L.) es una de las leguminosas de grano de clima templado más cultivada en Europa y la segunda en el mundo. Su uso se extiende al consumo humano y animal. Además al ser una legumbre aporta elevadas cantidades de proteína, así como beneficios medioambientales convirtiéndola en una apuesta segura para una agricultura más sostenible. No obstante el cultivo de guisante se ve severamente afectado a nivel global por un conjunto de estreses bióticos y abióticos. Esta tesis se centra en dos de las plagas que más merman la calidad y el rendimiento de este cultivo: Bruchus pisorum conocido como el gorgojo del guisante y Acyrtosiphon pisum, popularmente nombrado como pulgón verde del guisante. El gorgojo es un insecto monófago cuya larva se alimenta del cotiledón de las semillas, dejándolas huecas, reduciendo así la calidad y valor de mercado de las mismas, pudiendo causar pérdidas superiores al 50% en los cultivos. Además, requiere de numerosos tratamientos, en campo y en post cosecha, para controlarla. Por otro lado el pulgón verde del guisante es un insecto que se alimenta de la savia de las plantas mediante un aparato bucal succionador, causando deficiencias nutritivas que debilitan a la planta, lo que conlleva grandes pérdidas de producción, además de ser transmisores de virus. El pulgón se caracteriza por ser polífago con una capacidad extraordinaria para adaptarse al ambiente, todo ello hace que para combatir esta plaga sean necesarios múltiples tratamientos en campo. El bajo rendimiento que se obtiene con el control biológico junto con la falta de resistencias en los cultivares han promovido la búsqueda de resistencias en genotipos silvestres y variedades población. Por este motivo, el objetivo de esta tesis es ampliar el conocimiento sobre la interacción planta-insecto, así como identificar nuevas fuentes de resistencia para incorporarlas en programas de mejora con el objetivo a largo plazo de desarrollar variedades resistentes y reducir los elevados costes ecológicos y económicos que supone el control de ambas plagas. Para ello se ha evaluado una colección de Pisum spp. en distintos ensayos para identificar y caracterizar nuevas resistencias en guisantes contra estas dos plagas. El capítulo 1 se basa en la búsqueda de resistencias contra el gorgojo bajo condiciones de campo en un análisis multi-ambiente. Las evaluaciones de nivel de infestación (SI, del inglés Seed Infestation) y desarrollo larval (LD, del inglés Larval Development) fueron sometidas a un análisis estadístico biplot de heredabilidad ajustada por genotipo y genotipo x ambiente. Los resultados mostraron que ambos caracteres son independientes y están muy influenciados por el ambiente. Además un estudio de correspondencia canónica aclaró que ambos caracteres disminuyen en estaciones lluviosas, mientras que las estaciones con una elevada acumulación de radiación y fotoperiodo favorecen los niveles de infestación pero disminuyen el nivel de LD. Finalmente ciertas subespecies de Pisum sativum mostraron niveles estables de baja infestación y/o desarrollo larval. En el capítulo 2 se describen bioensayos de preferencia y no-preferencia para discernir el efecto del genotipo de la flor y la vaina sobre la ovoposición del gorgojo. Los ensayos fueron desarrollados con los genotipos resistentes identificados en el capítulo 1 bajo condiciones controladas. Los ensayos de no preferencia mostraron un efecto significativo en la puesta tanto para el genotipo de la flor como para el de la vaina, siendo reducida a la mitad en ciertos genotipos y hasta despreciable en vainas de otras leguminosas (almorta y haba). Los bioensayos de preferencia también mostraron diferencias significativas en la preferencia de ovoposición. La información de este capítulo puede ser útil a la hora de distribuir distintos tipos de cultivos además de haber incrementado el conocimiento de la interacción gorgojo-guisante. El capítulo 3 describe la identificación de QTL (del inglés Quantitate Trait Loci), para gorgojo mediante la caracterización de SI y LD de una población RIL (del inglés Recombinant Inbred Line) que previamente ya había sido genotipada con marcadores moleculares EST’s, SSR y DArT. Los resultados mostraron tres grupos de ligamiento (LG, del inglés Linkage Group) implicados en el nivel de infestación del gorgojo (SI) y un LG implicado en el desarrollo larvario (LD). Los marcadores encontrados son de gran valor para desarrollar programas de mejora más dirigidos contra el gorgojo. El capítulo 4 consiste en la identificación de resistencia contra pulgón en condiciones de campo en una colección de Pisum spp. durante dos años. Posteriormente, los genotipos más resistentes fueron evaluados bajo condiciones semi-controladas y controladas evaluando la reproducción y cobertura de pulgón así como el daño en planta. Los resultados mostraron valiosas resistencias en dos genotipos P40 y P665, combinando antixenosis, mediante la reducción de la preferencia del pulgón, y antibiosis, disminuyendo la reproducción de los mismos. El capítulo 5 trata sobre el estudio de varios compuestos naturales y su capacidad disuasoria o tóxica sobre el pulgón verde del guisante. Los compuestos derivados de alcoholes de cadena larga (LCOH) y toxinas (provenientes de hongos o plantas), fueron escogidos basándonos en previas actividades biológicas descritas. Los resultados mostraron elevada capacidad disuasoria por parte de algunos compuestos. Por el contrario la mortalidad fue muy baja, a pesar de mostrar diferencias significativas entre compuestos. Finalmente, los estudios de fitotoxicidad mostraron al metabolito Seiridin como mejor candidato.