Genetic variability in Agropyron cristatum and its use in wheat breeding

Abstract

Wheat is one of the most important crops of the world as it constitutes one of the main sources of food. The evolution of agriculture during the last century and the search for high-yield varieties have narrowed the genetic bases of crop, including wheat. This process originated an important genetic drift producing gradual disappearance of genes from crop fields. The Triticeae tribe species, which wheat (Triticum spp.) belongs, is an excellent genetic-diversity source to obtain new allelic variations required for breeding programs. Wheat is one of the crops in which closely species and wild species have contributed with beneficial traits in the development of new varieties, mainly by providing genes for resistance to diseases and plagues. Among the species of the tribe Triticeae, Agropyron cristatum (L.) Gaertner (genome P) presents many interesting agronomic traits that can be transferred to wheat by crossing. The main objective of this PhD thesis is to evaluate the genetic variability in A. cristatum and to use this species as a genetic source in common wheat to increase the genetic basis of wheat. The general objective is approached from different specific objectives. In chapter I, an A. cristatum world’s collection of 115 accessions was characterized, the cytological, molecular and agronomic results obtained showed that there is high variability in this species. Diploid, tetraploid and hexaploid accessions were found, being the tetraploids the most frequent. A correlation between the geographic distribution and the ploidy level was obtained. The capillary electrophoresis evaluation using 6 short-sequence DNA repeats (SSR) showed high levels of polymorphism and 166 different alleles varying between 84 and 256 bp were obtained. The polymorphic information content (PIC) of these markers presents a range between 0.579 to 0.968. The high genetic variability detected is reflected in the high phenotypic variability of the collection, with differences between accessions for length and width of the spike and number of spikelets per spike. In chapter II, the addition lines of A. cristatum in common wheat (T. aestivum L.) were evaluated for resistance to fungal diseases showing that the resistance to powdery mildew (Blumeria graminis F. tritici) in seedlings and adult plants stages is determined by genes located in both the chromosome arms 2PL and 6PL. A set of Conserved Orthologous Set (COS) molecular markers specific for both chromosome arms was developed. They were used for the detection of introgressions of both chromosome arms in wheat genetic background. In Chapter III the gametocide action of the gene/s from Aegilops cylindrica Host was used to induce genetic exchanges between the wheat genome and the genome of A. cristatum. Introgression lines were obtained in wheat background for chromosomes 4P, 5P and 6P. These lines were characterized cytologically by Fluorescence In Situ Hybridization (FISH) and by molecular markers. In addition, a set of COS markers specific for chromosomes 4P and 5P were developed, which, together with the specific COS markers of 6P chromosome mentioned in chapter II, were used to detect the chromosome introgressions obtained. In Chapter IV, a candidate gene for the response to vernalization was identified and characterized (VRN-P1) in the “Ruff” variety of A. cristatum. The coding region alignment of the VRN-P1 sequence of A. cristatum showed a similarity of 95% and 96% with the VRNA1 gene of wheat and VRN-H1 gene of barley, respectively. The location of the VRN-P1 gene in the 5PL chromosome arm showed that this gene is orthologous to wheat and barley VRN1 gene. Additionally, the phylogenetic analysis of the deduced protein in species belonging to the Poaceae family revealed a closely genetic relationship between VRN-P1 and the VRN1 gene. The localized COS markers, together with the VRN-P1 gene, have allowed to establish a comparative mapping between T. aestivum and A. cristatum. These results indicate that the macrosynteny is well conserved between the chromosomes of both species, which suggests that the introgression of A. cristatum genes in the wheat genome is possible.

El trigo es uno de los cultivos más importantes del mundo ya que constituye una de las principales fuentes de alimento. La evolución de la agricultura durante el siglo pasado y la búsqueda de variedades de alto rendimiento ha llevado al estrechamiento de la base genética de los cultivos, incluido el trigo. Este proceso produjo una deriva muy importante de genes causando su desaparición gradual de los campos de cultivo. Las especies de la tribu Triticeae, a la que pertenece el trigo (Triticum spp.), representan una excelente fuente de diversidad genética de la que extraer nuevas variaciones alélicas requeridas en los programas de mejora. El trigo es uno de los cultivos en los que las especies silvestres y relacionadas han contribuido con caracteres beneficiosos en el desarrollo de nuevas variedades, principalmente proporcionando genes de resistencia a enfermedades y plagas. Entre las especies de la tribu Triticeae, Agropyron cristatum (L) Gaertner (genoma P) presenta numerosos caracteres de interés agronómico que pueden transferirse al trigo mediante cruzamiento. La presente Tesis doctoral plantea como objetivo general evaluar la variabilidad genética en A. cristatum y utilizar esta especie como recurso genético del trigo harinero con el fin último de ampliar la base genética de este cultivo. Este objetivo se aborda desde diferentes objetivos específicos. En el capítulo I se ha caracterizado una colección mundial de 115 accesiones de A. cristatum y los resultados citológicos, moleculares y agronómicos revelan que existe una gran variabilidad en esta especie. Se han encontrado accesiones diploides, tetraploides y hexaploides, siendo las tetraploides las más frecuentes, observándose una correlación entre la distribución geográfica y el nivel de ploidía. La evaluación por electroforesis capilar empleando 6 marcadores microsatélites (SSR) muestran altos niveles de polimorfismo, generándose 166 alelos diferentes con un rango entre 84 y 256 pb. El contenido de información polimórfica (PIC) de dichos marcadores presenta un rango entre 0.579 a 0.968. La alta variabilidad genética detectada se refleja en la gran variabilidad fenotípica de la colección encontrándose diferencias significativas entre accesiones para los caracteres longitud y ancho de la espiga y número de espiguillas por espiga. En el capítulo II se evalúan las líneas de adición de A. cristatum en trigo común (T. aestivum L.) para resistencia a enfermedades fúngicas demostrándose que la resistencia a oídio (Blumeria graminis f. sp. tritici) en plántula y planta adulta está determinada por genes localizados en los brazos cromosómicos 2PL y 6PL. Se han desarrollado un conjunto de marcadores COS (Conserved Ortologous Set) específicos para ambos brazos cromosómicos, útiles en la detección de introgresiones de ambos brazos cromosómicos en el fondo genético de trigo. En el capítulo III se ha utilizado la acción gametocida del gen/es de Aegilops cylindrica Host para inducir intercambio entre el genoma de trigo y el genoma de A. cristatum obteniéndose líneas de introgresión en trigo para los cromosomas 4P, 5P y 6P. Estas líneas se han caracterizado citológicamente mediante hibridación in situ fluorescente (FISH) y mediante marcadores moleculares. De igual forma, se han desarrollado un conjunto de marcadores COS específicos para los cromosomas 4P y 5P, que junto con los marcadores COS específicos del cromosoma 6P mencionados en el capítulo II fueron útiles para detectar las introgresiones cromosómicas obtenidas. En el capítulo IV se ha identificado y caracterizado un gen candidato de respuesta a la vernalización (VRN-P1) en la variedad “Ruff” de A. cristatum. El alineamiento de la región codificante de la secuencia VRN-P1 de A. cristatum presenta una similitud del 95% y 96%con el gen VRN-A1 de trigo y VRN-H1 de cebada, respectivamente. La localización del gen VRNP1en el brazo cromosómico 5PL indica que este gen es ortólogo al VRN1 de trigo y cebada. Del mismo modo, el análisis filogenético de la proteína deducida en especies pertenecientes a la familia Poaceae, reveló una relación genética muy cercana entre VRN-P1 y el gen VRN1. Los marcadores COS localizados, junto con el gen VRN-P1, han permitido establecer un mapeo comparativo entre T. aestivum y A. cristatum. Los resultados obtenidos indican que se conserva la macrosintenia entre los cromosomas de ambas especies lo que sugiere que es posible la introgression de genes de A. cristatum en el genoma de trigo.