Barley adaptation to stress prone environments

• Main Author: Visioni, Andrea
• Other Authors: Romagosa Clariana, Ignacio
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universitat de Lleida 2012
• Subjects: Genètica; 633 - Cultius i produccions
• Online Access: http://hdl.handle.net/10803/121581

Multi environment trials conducted over mapping population are often used to test genotypes in a set of environments that represent the target environmental range. The first part of this work is the evaluation of the ‘Nure’ x ‘Tremois’ double-­‐haploid mapping population, together with an association panel comprising 185 barley varieties representative of the barley germplasm cultivated in the Mediterranean basin. Plant material was tested across eighteen site by year field trials combination, in six countries across the Mediterranean basin. Trials were growth at sites contrasting for natural rainfall (high vs low on the base of past meteorological data) or at the same site with one being rainfed and the other with supplementary irrigation. Trials conducted for two years in each one of the sites and this allowed tocollect a huge data series comprising agronomical traits defining grain yield and yield components, phenological and environmental data, subsequently used to identify genomic regions involved in barley adaptation. The 118 doubled haploid lines of the mapping population were genotyped with Diversity Array Technology® (DaRT) marker assay and subsequently a total of 15 CAPS and SSCP marker for candidate genes involved in phenology regulation and abiotic stress response were added to the linkage map based on DaRT markers. Data collected were firstly used to perform QTLs analysis with composite interval mapping for any environment/ trait combination, results showed eight QTLs for grain yield, days to heading and grain yield components. . The two mostly frequents QTLs for grain yield and days to heading were located on barley chromosome 1H (3 trials), 2H (8 trials) and 5H (5 trials) overlapping respectively HvFT3 gene, the earliness per se locus (eam6/Eps-­‐2) and the vernalization gene Vrn_H1. A further QTL multi-­‐environment analysis was performed and revealed that across the 18 field trials QTL for eam6/Eps-­‐2 (2H) and Vrn-­‐H1 (5H) were commons for days to heading and grain yield. We use all the environmental information collected to check QTLs sensitivities to co-­‐environmental co-­‐variables. Most of significant associations collected were related to temperature and temperature-­‐based variables troughtout the growing cycle. Eam6/Eps-­‐2 showed non-­‐crossover QTL.E interaction, while for Vrn-­‐H1 crossover interactions were revealed. The 185 barley accession were genotyped with 1536 SNPs and data collected for this population for cold resistance in two field trials in Spain an Italy, the first trial was characterized by an exceptional winter, while the second was previously know has frost-­‐prone environment. Results from genome wide association analysis showed 13 positive associations with specific genomic regions. Interestingly several of these QTL were coincident with the position of previously mapped loci for cold tolerance, on chromosomes 2HL, 4HL and 5HL. === Els assajos en localitats múltiplas de poblacions de mapeo s'utilitzen freqüentment per a testar genotips en un conjunt d'ambients representatius de la condicions climàtiques on es volen introduir aquests genotips. La primera part d'això treball ha estat l'avaluació de la població de mapeo ‘Nure x Tremois’ constituïda de 118 de doble haploides d'ordi, juntament amb panell d'associació que comprèn 185 varietats d'ordi representatives del germoplasma conreat en la conca Mediterrània. El material vegetal ha estat assajat en una combinació de divuit camps per any desllorigats en sis països de la conca mediterrània. Els assajos s'han portat a terme en camps amb diferent disponibilitat d'aigua, classificats sobre la base de les dades relatives a les freqüència i quantitat de les precipitacions o en el mateix lloc amb un camp en secà i altre regat. Els assajos es van portar a terme per dos anys en cada localitat i això va permetre la recollida d'un gran volum de dades que comprenen caràcters agronómicos relacionats amb rendiment i components del rendiment, dades fenológicos i ambientals. Aquestes dades es van utilitzar després per a la identificació de regions genomicas involucrades en l'adaptació de l'ordi a l'ambient. Els 118 dobles haploides de la població ‘Nure x Tremois’ es genotiparon amb marcadors DaRT (Diversity Array Technology), després un set de 15 marcadors CAPS I SCCP per a gens candidats involucrats en la regulació de les fases fenológicas van ser afegits al mapa de lligament construït amb els marcadors DaRT. Les dades van ser utilitzats per a fer una anàlisi de QTL amb procediment ‘Composite Interval Mapping’ para cada combinació ambienti/ caràcter. Es van trobar diversos QTLs per rendiment i data d'espigolat i components del rendiment. Els QTL mes freqüents trobats per rendiment i data de floració i components del rendiment estan localitzats en els cromosomes 1H (3 camps), 2H (8 camps) i 5H (5 camps) coincidents respectivament amb HvFT3 locus, eam6/Eps-­‐2 (earliness per se) locus i amb el locus de vernalización Vrn-­‐H1. Una ulterior anàlisi de QTL feta amb el mètode “Multi Environment Trial” ha revelat que els QTL localitzats en el locus eam6/Eps-­‐2 (cromosoma 2H) i Vrn-­‐H1 (cromosoma 5H) són comunes per rendiment i data de floració en els 18 camps d'assaig. Per això utilitzem tots el dades ambientals col·leccionades durant tot el cicle del cultiu per a investigar la sensibilitat de dites QTL a les co-­‐variables ambientals. La majoria de les associacions oposades estan relacionades amb temperatures i variables relacionades amb aquestes. Eam6/Eps-­‐2 mostra una interacció de tipus quantitatiu amb aquestes variables mentre Vrn-­‐H1 mostra una interacció de tipus qualitatiu amb aquestes variables. Les 185 varietats assajades van ser genotipadas amb 185 SNPs i fenotipadas per resistència a fred en dos assajos uneixo a Espanya i altre a Itàlia. El primer assaig va ser caracteritzat per un hivern excepcionalment fred, mentre el d'Itàlia ha estat utilitzat en passat per testar resistència a fred a causa de els hiverns rígids que solen registrar-­‐se en aquesta localitat. Les dades van ser utilitzats per a portar a terme la analisis GWAS “Genome Wide Association Analysis” . Els resultats van permetre identificar 13 regions genomicas involucrades en la resistència a frio. Entre elles tres regions coincideixen amb loci ja mapeados i coneguts per ser involucrats en la resposta a frio en los cromosomes 2HL, 4HL i 5HL. === Los ensayos en localidades múltiplas de poblaciones de mapeo se utilizan frecuentemente para testar genotipos en un conjunto de ambientes representativos de la condiciones climáticas donde se quieren introducir dichos genotipos. La primera parte de esto trabajo ha sido la evaluación de la población de mapeo ‘Nure x Tremois’ constituida de 118 de doble haploides de cebada, junto con panel de asociación que comprende 185 variedades de cebada representativas del germoplasma cultivado en la cuenca Mediterránea. El material vegetal ha sido ensayado en una combinación de dieciocho campos por año dislocados en seis países de la cuenca mediterránea. Los ensayos se han llevado a cabo en campos con diferente disponibilidad de agua, clasificados en base a los datos relativos a las frecuencia y cantidad de las precipitaciones o en el mismo sitio con un campo en secano y otro regado. Los ensayos se llevaron a cabo por dos años en cada localidad y esto permitió la recogida de un gran volumen de datos que comprenden caracteres agronómicos relacionados con rendimiento y componentes del rendimiento, datos fenológicos y ambientales. Dichos datos se utilizaron después para la identificación de regiones genomicas involucradas en la adaptación de la cebada al ambiente. Los 118 dobles haploides de la población ‘Nure x Tremois’ se genotiparon con marcadores DaRT (Diversity Array Technology), después un set de 15 marcadores CAPS Y SCCP para genes candidatos involucrados en la regulación de las fases fenológicas fueron añadidos al mapa de ligamento construido con los marcadores DaRT. Los datos fueron utilizados para hacer una análisis de QTL con procedimiento ‘Composite Interval Mapping’ para cada combinación ambiente/ carácter. Se encontraron varios QTLs por rendimiento y fecha de espigado y componentes del rendimiento. Los QTL mas frecuentes encontrados por rendimiento y fecha de floración y componentes del rendimiento están localizados en los cromosomas 1H (3 campos), 2H (8 campos) y 5H(5 campos) coincidentes respectivamente con HvFT3 locus, eam6/Eps-­‐2 (earliness per se) locus y con el locus de vernalización Vrn-­‐H1. Una ulterior análisis de QTL hecha con el método “Multi Environment Trial” ha revelado que los QTL localizados en el locus eam6/Eps-­‐2 (cromosoma 2H) y Vrn-­‐H1 (cromosoma 5H) son comunes por rendimiento y fecha de floración en los 18 campos de ensayo. Por esto utilizamos todos lo datos ambientales coleccionadas durante todo el ciclo del cultivo para investigar la sensibilidad de dichos QTL a las co-­‐variables ambientales. La mayoría de las asociaciones encontradas están relacionadas con temperaturas y variables relacionadas con estas. Eam6/Eps-­‐2 muestra una interacción de tipo cuantitativo con dichas variables mientras Vrn-­‐H1 muestra una interacción de tipo cualitativo con dichas variables. Las 185 variedades ensayadas fueron genotipadas con 185 SNPs y fenotipadas por resistencia a frío en dos ensayos uno en España y otro en Italia. El primer ensayo fue caracterizado por un invierno excepcionalmente frío, mientras el de Italia ha sido utilizado en pasado por testar resistencia a frío debido a los inviernos rígidos que suelen registrarse en dicha localidad. Los datos fueron utilizados para llevar a cabo la analisis GWAS “Genome Wide Association Analysis”. Los resultados permitieron identificar 13 regiones genomicas involucradas en la resistencia a frio. Entre ellas tres regiones coinciden con loci ya mapeados y conocidos por ser involucrados en la respuesta a frio en los cromosomas 2HL, 4HL y 5HL.