Mejora de la avena por resistencia a enfermedades y para la adaptación a ambientes mediterráneos

Abstract

Oat (Avena sativa L.) is a cereal worldwide distributed and of great importance for both human and animal consumption. Although its center of origin is in the fertile crescent, its development as a primary crop took place when it traveled as a weed together with wheat towards northern latitudes. This is one of the main reasons for its better adaptation to humid and temperate climates than to Mediterranean environments. However, in recent decades, there has been a growing interest in the use of oat crop in Mediterranean environments, mainly due to its good adaptation to a wide variety of soils and to the fact that in marginal areas it performs better than other small grain cereals. However, the rapid expansion of oat cultivation to southern areas together with the little effort in oat breeding in recent decades in these regions, with Spain being one of the EU countries with the smallest increases in annual yield gain, makes it necessary and urgent to improve this crop to face the main stresses that constrain its cultivation in these regions, in particular diseases such as powdery mildew and rust, and for the general adaptation to the environment. In this thesis we address some of the main problems for the cultivation of oat in Mediterranean environments in order to improve its yield and quality. In chapter 1, we developed a software called "RUST" (Robust, User‐friendly Script Tool) for the automatic and digital evaluation of rust disease, through three different automation modes. In addition, RUST can evaluate both, separate images and scanned leaf segments in a single image, consecutively selecting the desired segments. It also has optional calibration and training steps to ensure accuracy, even on low‐resolution images. This software has shown high repeatability and accuracy in the evaluation of hundreds of leaves, which facilitates the detection of new sources of resistance to this important cereal disease. In chapter 2, we used this software for the identification of sources of resistance in a collection of Mediterranean oats of more than 700 accessions. In addition, we have carried out a detailed histological analysis in order to determine the underlying resistance responses at cellular level in the selected resistant genotypes, which may facilitate the introduction of durable resistance in breeding programs. Likewise, the evaluation has been carried out both, in seedlings under controlled conditions, and in adult plants under field conditions, in three different environments. This has allowed us to explore and identify resistance based on cell death, very efficient and heritable, and resistance based on basal resistance mechanisms, considered more durable. In addition, this study highlighted differences between the subspecies of Avena sativa (subsp. Sativa and byzantina) and in relation to the geographical origin of the different accessions of the collection. In chapter 3 we combined the field phenotyping data in three different environments and for different agronomic characters of interest such as yield, biomass, flowering and height, together with the genomic information derived from "GBS" sequencing (Genotyping by Sequence) to carry out a genomic prediction study, which allowed predicting the behavior of a particular genotype in a specific environment based on its genetic information. To do this, the collection was divided in a training population from which different statistical models were applied and validated in the test population. These models were developed considering the effect of the population structure biased in this case by the presence of subsp. sativa and byzantina. This study represents a great advance that will allow implementing genomic selection in oat breeding programs and accelerate the improvement of this crop for a better adaptation to Mediterranean environments. Overall, this thesis advances our knowledge of key aspects of disease resistance and environmental adaptation that will benefit oat breeding. To generate the knowledge gathered in this thesis, we have carried out multidisciplinary studies that include histology, genetics, genomics, agronomy, etc. On the other hand, these studies also cover different levels, from cellular to plant and field levels. All this knowledge will undoubtedly facilitate the improvement of oat crop against the main diseases that limit its yield in the Mediterranean rim and will improve its adaptation to the agroclimatic conditions of the Mediterranean, particularly in the context of climate change.

La avena cultivada (Avena sativa L.), es un cereal ampliamente distribuido a nivel mundial y de gran importancia tanto para consumo humano como animal. Aunque su centro de origen es el creciente fértil, su desarrollo como cultivo primario se realizó cuando viajó como mala hierba junto al trigo hacia latitudes septentrionales por lo que está mejor adaptada a climas húmedos y templados que a los ambientes mediterráneos. Sin embargo, en las últimas décadas ha habido un interés creciente para su uso en ambientes mediterráneos debido principalmente a su buena adaptación a una gran variedad de suelos y a que en zonas marginales se comporta mejor que otros cereales. Sin embargo, la expansión creciente del cultivo de la avena a zonas meridionales junto con el poco esfuerzo en la mejora de este cultivo en las últimas décadas en estas zonas, hace necesaria y urgente la mejora de este cultivo frente a los principales estreses que encuentra en estas regiones, en particular enfermedades como el oidio y la roya, y la adaptación general al ambiente. Así, en esta tesis se abordan algunos de los principales problemas del cultivo de la avena para su cultivo en ambientes mediterráneos con el fin de mejorar el rendimiento de mismo. En el capítulo 1 hemos desarrollado un software llamado “RUST” (Robust, User‐friendly Script Tool) para la evaluación de manera automática y digital de la enfermedad de la roya, a través de tres modos de automatización diferentes. Además, puede evaluar tanto imágenes separadas como segmentos de hojas escaneados en una misma imagen, seleccionando consecutivamente los segmentos deseados, y conteniendo también pasos opcionales de calibración y entrenamiento para garantizar la precisión incluso en imágenes de baja resolución. Este software ha demostrado una alta repetitividad y exactitud en la evaluación de cientos de hojas, lo que facilita la detección de nuevas fuentes de resistencia a esta importante enfermedad de los cereales en general y de la avena en particular. En el capítulo 2, utilizamos este software para la identificación de fuentes de resistencia a roya en una colección de avenas mediterráneas de más de 700 accesiones. Además, hemos realizado un análisis histológico detallado con el fin de determinar los mecanismos de resistencia de los diferentes genotipos, lo que puede facilitar la introducción de una resistencia durable en los programas de mejora. Asimismo, se ha realizado la evaluación tanto en plántula, en condiciones controladas, como en planta adulta en condiciones de campo en tres ambientes diferentes. Esto nos ha permitido explorar e identificar tanto la resistencia basada en muerte celular, muy eficiente y heredable, como la basada en mecanismos de resistencia basal, considerada más durable. Además, se han identificado diferencias entre las subspecies de Avena sativa (subsp. sativa y byzantina) y también en relación a las áreas geográficas de las que provienen las diferentes entradas de la colección. En el capítulo 3 aunamos los datos de fenotipado en campo, en tres ambientes diferentes y para diferentes caracteres de interés agronómico tal y como son el rendimiento, la biomasa, la floración y la altura, junto con la información genómica derivada de una secuenciación “GBS” (Genotyping by Sequence) para realizar un estudio de predicción genómica, que permita predecir el comportamiento de un genotipo en particular en un ambiente concreto, basados en su información genética. Para ello se dividió la colección entre una población de entrenamiento sobre la que se aplicaron diferentes modelos estadísticos que se validaron en la población “test”. Todo ello, teniendo en cuenta el efecto de la estructura de población, sesgada en este caso por la presencia de las subsp. sativa y byzantina. Este estudio representa un gran avance para poder implementar la selección genómica en los programas de mejora de la avena y puede acelerar dicha mejora para una mejor adaptación de este cultivo a ambientes mediterráneos. En general, esta tesis avanza nuestro conocimiento sobre aspectos clave de resistencia a enfermedades y adaptación al ambiente que beneficiarán la mejora de la avena. Para generar el conocimiento recogido en esta tesis se han realizado estudios multidisciplinares que abarcan histología, genética, genómica, agronomía etc. Por otro lado, estos estudios abarcan también diferentes niveles, desde estudios a nivel celular, planta y campo. Todo este conocimiento facilitará sin duda la mejora del cultivo de la avena y mejorará su adaptación a las condiciones agroclimáticas del Mediterráneo particularmente en el contexto de cambio climático.