Integrating agronomic and genomic approaches for wheat adaptation to to Southern Spain Mediterranean agro-environments

Abstract

Wheat (Triticum spp.) is one of the oldest domesticated crops and is of great importance as a staple food in the human diet. It shows an interesting phenotypic plasticity conferred by a large, polyploid and complex genome. This fact allows its adaptability to most agricultural environments across temperate regions, such as the Mediterranean basin. Nevertheless, the growth, development and final production of this crop can be strongly affected by abiotic stresses, such as drought, which is responsible of important yield and quality loss. Therefore, there is an increasing need to study wheat adaptation to different stresses through the performance of key breeding traits and through gene and gene regulatory network responses analyses. In addition, the research of the genome architecture of drought responses also provides a new focus for genomics-assisted breeding. In this context, the main objectives of this tesis are: (i) analyze the transcriptomic responses to drought stress in wheat grown under different field water conditions; (ii) define candidate genes associated to drought-responses and grain quality, and to assess their expression patterns under differing stress conditions; and (iii) dissect quantitative-trait loci in agronomic and quality traits, analyzing their effects on phenotypic expression. These analyses were carried out using the hexaploid wheat cultivar ‘Chinese spring’ and CIMMYT elite durum wheat lines, grown in different environments. The first objective was conducted using the bread wheat sequenced reference line (Triticum aestivum cv. 'Chinese Spring'), under different wáter stress levels, in two Mediterranean environments. Physiological field measures were combined with hyperspectral and thermal imagery to asses water, nitrogen and photosynthetic status. RNA-Seq analyses were carried out to assess drought stress responses in field conditions. The physiological measurements, RNA-Seq sampling and the hyperspectral and thermal remote sensing imagery, using an airborne flight, were all conducted simultaneously at the grain filling stage. After differential gene expression analyses, interesting relations between the quantification of spectral trait alterations and changes at the transcriptional level were found, defining important genomic regions, related to drought responses in the field. Results revealed that drought-responses comprise gene homoeolog specialization, multiple gene clusters, gene families, miRNAs and transcription factors coordinating these responses . In a next step, the association mapping (AM) analysis was used to dissect quantitative agronomic and quality traits, in a panel of 299 CIMMYT duru wheat elite lines grown in Mexico, under two different water regimes. Analyses reported interesting marker-trait associations (MTAs) for quality traits, as thousand-kernel weight. This results represent an interesting resource of potential use in breeding programs, focused on increasing final production and end-quality products. In addition, the RNA-Seq data from the previous chapter, as well as differential expression analyses, were used to determine the presence of interesting genes related to stress-responses. It could be highlighted the presence of several blue copper proteins forming a cluster, with homoeologs in the two durum subgenomes (A and B). Finally, a panel of 179 CIMMYT elite durum lines, together with a set of local varieties, were grown and phenotyped under rainfed conditions in several Mediterranean environments. These lines were previously selected by CIMMYT durum breeding program, based on their agronomic performance, quality improvement and drought resistance. The approaches of genome-wide association analysis (GWAS) and genomic selection (GS) were successfully applied for the assessment of key traits. Interesting marker-trait associations were found, affecting the phenotypic expression of major quality traits. Using differential gene expression analyses from Chapter 3, we found that some candidate genes showed differential expression under drought conditions. Comparing the results from different environments (Mexico and Southern Spain), one of the MTAs related to quality was found to be common. In addition, markers were mapped to the wheat reference sequence (RefSeqv1) on the A and B subgenomes of durum wheat, finding several markers related to genes which match high-molecular weight glutenin subunits (HMW-GS), located on Glu-B1 and Glu-A1 loci. The GS prediction ability assessment revealed interesting results for quality traits, which can be applied in current wheat breeding programs. This thesis presents the use of recent tools which are changing the approaches used in crop plant research, reducing costs and increasing the throughput of the assays. The integration of interdisciplinary approaches facilitates the study of wheat stress-responses across different environments and water conditions. Results obtained can represent resources of potential use for marker-assisted breeding.

El trigo (Triticum spp.) es uno de los cereales más importantes y el más ampliamente cultivado, representando una de las mayores fuentes de energía en la dieta humana. El trigo hexaploide es uno de los cultivos más extendidos, estando presente en casi todas las regiones agrícolas a nivel mundial. Posee una interesante plasticidad fenotípica gracias a la presencia de un genoma grande, poliploide y complejo, lo que le permite adaptarse a la mayoría de ambientes agrícolas de las regiones templadas, como la cuenca Mediterránea. Por su parte, el trigo duro se cultiva en un área agrícola más restringida, principalmente compuesta por regiones mediterráneas en condiciones de secano. El crecimiento, desarrollo y producción final de este cultivo pueden verse muy afectados por la presencia de estreses abióticos, como la sequía, que origina importantes pérdidas de rendimiento y calidad a nivel mundial. Este trabajo es una aproximación al estudio de la adaptación del trigo a distintos ambientes mediterráneos a través del análisis genético de caracteres clave de este cultivo, así como de la arquitectura genómica de las respuestas a la sequía. Los principales objetivos de esta tesis son: (i) analizar en trigo las respuestas transcriptómicas ante distintos niveles de estrés hídrico en condiciones de campo; (ii) evaluar la presencia de genes candidatos asociados a las respuestas al estrés hídrico y a la calidad de grano, así como determinar los patrones de expresión génica bajo distintas condiciones de estrés; e (iii) identificar los loci de caracteres cuantitativos (QTL) agronómicos y de calidad del grano, y estudiar sus efectos en la expresión fenotípica. Estos análisis se llevaron a cabo en distintos ambientes, con la variedad de trigo hexaploide ‘Chinese spring’ y, con líneas élite de trigo duro, procedentes del CIMMYT. El primer objetivo se ha llevado a cabo con la línea de referencia secuenciada de trigo harinero (Triticum aestivum cv. 'Chinese Spring'), que fue cultivada en dos ambientes mediterráneos, usando distintas condiciones de riego. Las medidas fisiológicas en campo se combinaron con las imágenes hiperespectrales y térmicas para la evaluación de los niveles de agua, nitrógeno y fotosíntesis en la planta. Por otro lado, se llevaron a cabo análisis de RNA-Seq para la valoración de las respuestas genómicas al estrés hídrico en condiciones de campo. Las medidas fisiológicas, junto con la recogida de muestras de material vegetal realizado para los posteriores análisis de RNA-Seq, así como la toma de imágenes hiperespectrales y térmicas a través de un vuelo tripulado, se realizaron en campo y de forma simultánea, en el estadío de llenado de grano del cultivo. Tras los análisis de expresión diferencial, se han encontrado regiones genómicas relacionadas con las respuestas a la sequía en campo. Estas respuestas incluyen también la existencia de genes homeólogos especializados, múltiples clusters de genes, familias de genes como las dehidrinas, microRNA y factores de transcripción que las coordinan. En el siguiente capítulo, se ha llevado a cabo un análisis de mapeo asociativo (AM) para la identificación de los loci de caracteres cuantitativos agronómicos y de calidad de grano, en un total de 299 líneas élite de trigo duro procedentes del CIMMYT. Estas líneas fueron cultivadas en México, bajo dos condiciones de riego distintas. Los resultados obtenidos del análisis de AM mostraron asociaciones (MTA) entre marcadores y caracteres de calidad, como el peso de 1000 granos. Estas asociaciones encontradas representan un recurso interesante, con aplicación en los programas de mejora para el incremento de la producción y la calidad del grano. Los datos procedentes del análisis de RNASeq del capítulo anterior, junto con los análisis de expresión diferencial, se han utilizado para la identificación de genes de interés relacionados con las respuestas a estrés. Del análisis realizado podemos destacar la presencia de varias cuproproteínas que forman un cluster con genes homeólogos en los dos subgenomas del trigo duro (A y B). En el capítulo 5, se han analizado 179 líneas élite de trigo duro procedentes del CIMMYT, junto con distintas variedades locales de trigo. Estas líneas se cultivaron y evaluaron fenotípicamente en condiciones de secano y distintos ambientes mediterráneos del sur de España (Andalucía). Las líneas élite fueron previamente seleccionadas en el programa de mejora de trigo duro del CIMMYT, en base a su rendimiento agronómico, calidad y resistencia a sequía. Los enfoques del estudio de asociación del genoma completo (GWAS) y la selección genómica (GS) se han usado con éxito para la evaluación de los caracteres de interés. Se han encontrado varios MTA interesantes que afectan a la expresión fenotípica de caracteres de calidad, como los índices de gluten y sedimentación. A partir de los análisis de expresión diferencial obtenidos en el Capítulo 3, se han identificado varios genes candidatos relacionados con estos caracteres, que además muestran diferencias de expresión en condiciones de sequía. Como resultado de la comparación de los MTA descritos en los ambientes de México y sur de España, se ha encontrado un marcador común asociado con la calidad de grano. Los marcadores se mapearon en la secuencia de referencia del trigo duro (subgenomas A y B), y se han encontrado algunos de ellos próximos a genes de interés que codifican para las subunidades de gluteninas de alto peso molecular (HMW-GS), correspondientes a los loci de Glu- B1 y Glu-A1. Por último, la habilidad de predicción del modelo de selección genómica empleado, mostró resultados interesantes para los caracteres de calidad, que pueden ser usados en los programas de mejora de trigo. En esta tesis se presenta la aplicación de herramientas recientes que están cambiando los enfoques utilizados en el estudio de la mejora vegetal, reduciendo costes y aumentando el rendimiento de los ensayos. Además, la integración de enfoques interdisciplinares facilita la evaluación de las respuestas al estrés del trigo en distintos ambientes y con variaciones en las condiciones de riego. Estos resultados representan recursos con aplicación en los programas de mejora para la selección asistida por marcadores.