Characterization of durum wheat genetic resources and evaluation under Cyprus conditions

Abstract

Ο γενετικός χαρακτηρισμός γενετικών πόρων αποτελεί σημαντική προϋπόθεση για την βελτιστοποίηση των στρατηγικών διατήρησης γενετικού υλικού και την αξιοποίηση του σε προγράμματα βελτίωσης. Η φαινοτυπική αξιολόγηση κάτω από διαφορετικά περιβάλλοντα επιτρέπει την εκτίμηση της παραλλακτικότητας για σημαντικά αγρονομικά και φυσιολογικά χαρακτηριστικά και τον υπολογισμό των συσχετίσεων τους με την απόδοση. Οι τεχνολογίες υψηλής απόδοσης, όπως η τηλεπισκόπηση, έχουν αποκτήσει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη φαινοτύπηση φυτών επειδή είναι γρήγορες και φτηνές μέθοδοι. Οι κύριοι στόχοι αυτής της διδακτορικής διατριβής ήταν: (1) ο γενετικός χαρακτηρισμός 55 καταχωρήσεων σκληρού σιταριού, συμπεριλαμβανομένων μοντέρνων ποικιλιών από διαφορετικά προγράμματα βελτίωσης και παραδοσιακών ποικιλιών προερχόμενων από την Κύπρο και άλλες περιοχές της Μεσογείου με μικροδορυφόρους, (2) η αξιολόγηση 20 μοντέρνων ποικιλιών για απόδοση και άλλα σημαντικά αγρονομικά χαρακτηριστικά κάτω από διαφορετικές εδαφο-κλιματικές συνθήκες, και (3) η αξιολόγηση της χρησιμότητας μεθόδων υψηλής απόδοσης τηλεπισκόπησης για μαζική φαινοτύπηση κάτω από ένα ξηρό και θερμό περιβάλλον. Οι μικροδορυφόροι κατέδειξαν την ύπαρξη μεγάλης γενετικής παραλλακτικότητας. Οι παραδοσιακές ποικιλίες δημιούργησαν ξεχωριστές ομάδες και παρουσίασαν μεγαλύτερη γενετική παραλλακτικότητα από τις μοντέρνες ποικιλίες ενισχύοντας τη δυνατότητα αξιοποίησης τους στα προγράμματα βελτίωσης. Η μεγαλύτερη γενετική παραλλακτικότητα παρατηρήθηκε στις κυπριακές παραδοσιακές ποικιλίες υποδεικνύοντας την πιθανή ύπαρξη μοναδικής ποικιλομορφίας εντός αυτής της γενετικής δεξαμενής. Μεγάλη γενετική παραλλακτικότητα παρατηρήθηκε και εντός της κυπριακής παραδοσιακής ποικιλίας «Κυπερούντα». Η γενετική ποικιλομορφία ήταν μεγαλύτερη εντός των καταχωρήσεων που διατηρούνται ως ξεχωριστές γραμμές προερχόμενες από ένα στάχυ. Η γενετική διαφοροποίηση των καταχωρήσεων της «Κυπερούντας» και η διαφορετική κατάταξη των καταχωρήσεων με ίδιο όνομα στην ανάλυση συστάδων υποδεικνύει ότι τα δεδομένα συλλογής δεν είναι αξιόπιστος τρόπος για περιορισμό διπλών δειγμάτων. Η φαινοτυπική αξιολόγηση κατέδειξε την ύπαρξη σημαντικής γενετικής παραλλακτικότητας για όλα τα χαρακτηριστικά που εξετάστηκαν, παρόλα αυτά, για τα περισσότερα η επίδραση του περιβάλλοντος ήταν μεγαλύτερη. Παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές συσχετίσεις μεταξύ του αριθμού σπόρων ανά τ.μ. και της απόδοσης στα περισσότερα περιβάλλοντα και οι συσχετίσεις ήταν μεγαλύτερες στα δύο περιβάλλοντα με τη χαμηλότερη απόδοση. Ο αριθμός σπόρων ανά στάχυ ήταν το χαρακτηριστικό που συστηματικά συσχετιζόταν σημαντικά με τον αριθμό σπόρων ανά τ.μ. Παρατηρήθηκαν επίσης αρνητικές συσχετίσεις μεταξύ των συστατικών απόδοσης. Οι ποικιλίες είχαν διαφορετικές στρατηγικές διαμόρφωσης της απόδοσης. Οι δύο ποικιλίες με την μεγαλύτερη παραγωγή είχαν το μεγαλύτερο αριθμό γόνιμων αδελφιών ανά τ.μ. σε συνδυασμό με ψηλό αριθμό σπόρων ανά στάχυ, ή βάρος χιλίων κόκκων, αντίστοιχα. Οι ποικιλίες διέφεραν μεταξύ τους ως προς την πλαστικότητα τους για τα περισσότερα χαρακτηριστικά. Σε ορισμένες περιπτώσεις, παρατηρήθηκαν σημαντικές συσχετίσεις μεταξύ των πλαστικοτήτων των ποικιλιών ή μεταξύ των πλαστικοτήτων και των μέσων όρων των ποικιλιών για διαφορετικά χαρακτηριστικά. Παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές μεταξύ των ποικιλιών για τους Δείκτες Βλάστησης υπολογιζόμενους με ανάλυση φωτογραφίας προερχόμενη από μη επανδρωμένα σκάφη. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η απόδοση συσχετιζόταν σημαντικά με τους δείκτες βλάστησης. Οι συσχετίσεις ήταν θετικές ή αρνητικές υποδεικνύοντας ότι οι περιβαλλοντικές συνθήκες κατά τη διάρκεια του γεμίσματος του σπόρου μπορούν να επηρεάσουν το πρόσημο των συσχετίσεων. Η υπολογιστική ικανότητα της απόδοσης των Δεικτών Βλάστησης επηρεάστηκε από τη διαφορετική φαινολογία των ποικιλιών. Οι συσχετίσεις της απόδοσης με τους Δείκτες Βλάστησης ήταν μεγαλύτερες όταν οι συσχετίσεις του χρόνου ξεσταχυάσματος με τους Δείκτες Βλάστησης ήταν μικρότερες ή μη σημαντικές. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν την δυνατότητα χρήσης των Δεικτών Βλάστησης, υπολογιζόμενοι από φωτογραφία προερχόμενη από μη επανδρωμένα σκάφη, για φαινοτύπηση σκληρού σιταριού σε Μεσογειακά περιβάλλοντα χαμηλής απόδοσης.Breeders need to intensify their efforts to meet the challenges arising from the growing population and from climate change. Genotypic characterization, phenotypic evaluation and exploitation of high throughput technologies will be crucial in order to achieve their goals. The main objectives of this doctoral dissertation were (1) to characterize a set of 55 durum wheat accessions, including modern varieties from different breeding programs and landraces originated from Cyprus and other Mediterranean areas using microsatellites, (2) to evaluate a subset of twenty modern varieties for grain yield and other important agronomic traits under diverse climatic conditions, and (3) to evaluate the usefulness of high throughput, remote sensing techniques for plant phenotyping under a water limited and heat stressed environment. High genetic diversity was detected. Landraces formed distinct groups and depicted higher genetic variability than modern varieties reinforcing their potential use to plant breeding. The highest genetic variability was observed in Cypriot landraces suggesting the existence of unique genetic diversity within this genepool. High genetic diversity was also detected in Cypriot landrace ''Kyperounda''. The genetic diversity was higher in accessions conserved as sublines. The genetic differentiation between ''Kyprerounda'' accessions and the different clustering of landrace accessions conserved under the same name signifies that passport data is not a reliable method to eliminate duplicates in genebanks. Phenotypic evaluation revealed the existence of genetic diversity for all the traits, however, for most of them the highest percentage of variance was explained by the environmental effect. In most cases, number of seeds per m2 was significantly correlated with grain yield and the correlations were stronger in the low yielding environments. Number of seeds per spike was the trait consistently related with number of seeds per m2. Trait offs between yield components were recorded. Varieties had different yield formation strategies. The two highest yielding varieties had the highest number of fertile tillers per m2 combined with high number of seeds per spike or high kernel weight. The differences between varieties for plasticity were significant for yellow pigment content, protein content, gluten index, growing degree days to heading, thousand kernel weight and plant height. In some cases, significant correlations were found between plasticities and between plasticities and the traits per se. Statistically significant differences between varieties were observed for Spectral Vegetation Indices derived by Unmanned Aerial Vehicle imagery. Grain yield was significantly correlated with SVIs, when recorded at early reproductive stages. Both positive and negative correlations were observed indicating that the environmental conditions during grain filling can affect the sign of the correlations. The predictive ability of SVIs was affected by plant phenology. Correlations of grain yield with SVIs were stronger as the correlations of SVIs with heading were weaker or not significant. These findings highlight the potential use of SVIs derived by UAV imagery for durum wheat phenotyping at low yielding Mediterranean conditions.Complete