Molecular tools to improve chestnut management: El Bierzo as a case study

The European chestnut (Castanea sativa Mill.) is a multipurpose species that has been widely cultivated around the Mediterranean basin since ancient times. New varieties were brought to the Iberian Peninsula during the Roman Empire, which coexist since then with native populations that survived the last glaciation. The relevance of chestnut cultivation has being steadily growing since the Middle Ages, until the rural decline of the past century put a stop to this trend. Forest fires and diseases were also major factors. Chestnut cultivation is gaining momentum again due to its economic (wood, fruits) and ecologic relevance, and represents currently an important asset in many rural areas of Europe. In this Thesis we apply different molecular tools to help improve current management strategies. For this study we have chosen El Bierzo (Castile and Leon, NW Spain), which has a centenary tradition of chestnut cultivation and management, and also presents several unique features from a genetic perspective (next paragraph). Moreover, its nuts are widely appreciated in Spain and abroad for their organoleptic properties. We have focused our experimental work on two major problems faced by breeders and the industry: the lack of a fine-grained genetic characterization and the need for new strategies to control blight disease. To characterize with sufficient detail the genetic diversity and structure of El Bierzo orchards, we analyzed DNA from 169 trees grafted for nut production covering the entire region. We also analyzed 62 nuts from all traditional varieties. El Bierzo constitutes an outstanding scenario to study chestnut genetics and the influence of human management because: (i) it is located at one extreme of the distribution area; (ii) it is a major glacial refuge for the native species; (iii) it has a long tradition of human management (since Roman times, at least); and (iv) its geographical setting ensures an unusual degree of genetic isolation. Thirteen microsatellite markers provided enough informativeness and discrimination power to genotype at the individual level. Together with an unexpected level of genetic variability, we found evidence of genetic structure, with three major gene pools giving rise to the current population. High levels of genetic differentiation between groups supported this organization. Interestingly, genetic structure does not match with spatial boundaries, suggesting that the exchange of material and cultivation practices have strongly influenced natural gene flow. The microsatellite markers selected for this study were also used to classify a set of 62 samples belonging to all traditional varieties. We identified several cases of synonymies and homonymies, evidencing the need to substitute traditional classification systems with new tools for genetic profiling. Management and conservation strategies should also benefit from these tools. The avenue of high-throughput sequencing technologies, combined with the development of bioinformatics tools, have paved the way to study transcriptomes without the need for a reference genome. We took advantage of RNA sequencing and de novo assembly tools to determine the transcriptional landscape of chestnut in response to blight disease. In addition, we have selected a set of candidate genes with high potential for developing resistant varieties via genetic engineering. Our results evidenced a deep transcriptional reprogramming upon fungal infection. The plant hormones ET and JA appear to orchestrate the defensive response. Interestingly, our results also suggest a role for auxins in modulating such response. Many transcription factors were identified in this work that interact with promoters of genes involved in disease resistance. Among these genes, we have conducted a functional characterization of a two major thaumatin-like proteins (TLP) that belongs to the PR5 family. Two genes encoding chestnut cotyledon TLPs have been previously characterized, termed CsTL1 and CsTL2. We substantiate here their protective role against blight disease for the first time, including in silico, in vitro and in vivo evidence. The synergy between TLPs and other antifungal proteins, particularly endo-p-1,3-glucanases, bolsters their interest for future control strategies based on biotechnological approaches.

Optimización de la aplicación de lodos de depuración de aguas residuales al abonado o mejora de suelos

El objetivo de este trabajo de investigación fue evaluar el efecto de la aplicación de lodos residuales procedentes de una planta de tratamiento de aguas residuales acondicionados como biosólido para el abonado de tres cultivos agrícolas. Esto se realizó a través del estudio de las variables de producción (desarrollo vegetal de cada cultivo) y de la comparación de las características de los suelos utilizados antes y después de los ensayos experimentales. A través de la investigación se confirmó la mejora en la calidad del suelo y mejor rendimiento de cultivo debido a los biosólidos procedentes de tratamiento de aguas residuales. Este trabajo de investigación de tipo descriptivo y experimental, utilizó lodos optimizados que fueron aplicados a tres cultivos agrícolas de ciclo corto. Fueron evaluados dos cultivos (sandía y tomate) bajo riego y un cultivo (arroz) en secano. En la primera fase del trabajo se realizó la caracterización de los lodos, para ellos se realizaron pruebas físico químicas y microbiológicas. Fue utilizado el método de determinación de metales por espectrometría de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente, (ICP-AES) para conocer las concentraciones de metales. La caracterización microbiológica para coliformes totales y fecales se realizó utilizando la técnica del Número más probable (NMP), y para la identificación de organismos patógenos se utilizó el método microbiológico propuesto por Kornacki & Johnson (2001), que se fundamenta en dos procesos: pruebas presuntivas y prueba confirmativa. Tanto los resultados para la determinación de metales y elementos potencialmente tóxicos; como las pruebas para la determinación de microorganismos potencialmente peligrosos, estuvieron por debajo de los límites considerados peligrosos establecidos por la normativa vigente en Panama (Reglamento Técnico COPANIT 47-2000). Una vez establecido la caracterización de los lodos, se evalúo el potencial de nutrientes (macro y micro) presentes en los biosólidos para su potencial de uso como abono en cultivos agrícolas. El secado de lodos fue realizado a través de una era de secado, donde los lodos fueron deshidratados hasta alcanzar una textura pastosa. “La pasta de lodo” fue transportada al área de los ensayos de campo para continuar el proceso de secado y molida. Tres ensayos experimentales fueron diseñados al azar con cinco tratamientos y cuatro repeticiones para cada uno de los tres cultivos: sandía, tomate, arroz, en parcelas de 10m2 (sandía y tomate) y 20 m2 (arroz) para cada tratamiento. Tres diferentes dosis de biosólidos fueron evaluadas y comparadas con un tratamiento de fertilizante comercial y un tratamiento control. La dosis de fertilizante comercial utilizada en cada cultivo fue la recomendada por el Instituto de Investigación Agropecuaria de Panamá. Los ensayos consideraron la caracterización inicial del suelo, la preparación del suelo, semilla, y arreglo topográfico de los cultivos siguiendo las recomendaciones agronómicas de manejo de cultivo establecida por el Instituto de Investigación Agropecuaria. Para los ensayos de sandía y tomate se instaló el sistema de riego por goteo. Se determinaron los ácidos húmicos presentes en los cultivos, y se estudiaron las variables de desarrollo de cada cultivo (fructificación, cosecha, peso de la cosecha, dimensiones de tamaño y color de las frutas, rendimiento, y la relación costo – rendimiento). También se estudiaron las variaciones de los macro y micro nutrientes y las variaciones de pH, textura de suelo y MO disponible al inicio y al final de cada uno de los ensayos de campo. Todas las variables y covariables fueron analizadas utilizando el programa estadístico INFOSAT (software para análisis estadístico de aplicación general) mediante el análisis de varianza, el método de comparaciones múltiples propuesto por Fisher (LSD Fisher) para comparar las medias de los cultivares y el coeficiente de correlación de Pearson que nos permite analizar si existe una asociación lineal entre dos variables. En la evaluación de los aportes del biosólido a los cultivos se observó que los macronutrientes N y P se encontraban de los límites requeridos en cada uno de los cultivos, pero que los niveles de K estuvieron por debajo de los requerimientos de los cultivos. A nivel de la fertilización tradicional con fertilizante químico se observó que la dosis recomendada para cada uno de los cultivos del estudio estaba sobreestimada en los tres principales macronutrientes: Nitrógeno, Fosforo y Potasio. Contenían concentraciones superiores de N, P y K a las requeridas teóricamente por el cultivo. El nutriente que se aporta en exceso es el Fósforo. Encontramos que para el cultivo de sandía era 18 veces mayor a lo requerido por el cultivo, en tomate fue 12 veces mayor y en el cultivo de arroz, 34 veces mayor. El fertilizante comercial tuvo una influencia en el peso final y rendimiento final en cada uno de los cultivos del estudio. A diferencia, los biosólidos tuvieron una influencia directa en el desarrollo de los cultivos (germinación, coloración, tamaño, longitud, diámetro, floración y resistencia a enfermedades). Para el caso de la sandía la dosis de biosólido más cercana al óptimo para el cultivo es la mayor dosis aplicada en este ensayo (97.2 gramos de biosólido por planta). En el caso de tomate, el fertilizante comercial obtuvo los mejores valores, pero las diferencias son mínimas con relación al tratamiento T1, de menor dosis de biosólido (16.2 gramos de biosólido por planta). Los resultados generales del ensayo de tomate estuvieron por debajo del rendimiento esperado para el cultivo. Los tratamientos de aplicación de biosólidos aportaron al desarrollo del cultivo en las variables tamaño, color y resistencia a las enfermedades dentro del cultivo de tomate. Al igual que el tomate, en el caso del arroz, el tratamiento comercial obtuvo los mejores resultados. Los resultados finales de peso y rendimiento del cultivo indican que el tratamiento (T2), menor dosis de biosólido (32.4 gramos por parcela), no tuvo diferencias significativas con los resultados obtenidos en las parcelas con aplicación de fertilizante comercial (T1). El tratamiento T4 (mayor dosis de biosólido) obtuvo los mejores valores para las variables germinación, ahijamiento y espigamiento del cultivo, pero al momento de la maduración obtuvo los menores resultados. Los biosólidos aportan nutrientes a los cultivos y al final del ensayo se observó que permanecen disponibles en el suelo, aportando a la mejora del suelo final. En los tres ensayos, se pudo comprobar que los aportes de los biosólidos en el desarrollo vegetativo de los cultivos. También se encontró en todos los ensayos que no hubo diferencias significativas (p > 0.05) entre los tratamientos de biosólidos y fertilizante comercial. Para obtener mejores resultados en estos tres ensayos se requeriría que a la composición de biosólidos (utilizada en este ensayo) se le adicione Potasio, Calcio y Magnesio en las cantidades requeridas por cada uno de los cultivos. ABSTRACT The objective of this investigation was to evaluate the effect of residual sewage sludge obtained from the residual water of a treatment plant conditioned as Biosolid used on three reliable agricultural crops. The effect of the added sewage sludge was evaluated through the measurement of production variables such as crop plant development and the comparison of the soil characteristics used before and after the experimental tests. This investigation confirmed that biosolids from wastewater treatment can contribute to the growth of these crops. In this experimental approach, optimized sludge was applied to three short-cycle crops including two low-risk crops (watermelon and tomato) and one high-risk crop (rice) all grown on dry land. In the first phase of work, the characteristics of the sludge were assessed using chemical, physical and microbiological tests. The concentrations of metals were determined by atomic emission spectrometry inductively coupled plasma, (ICP-AES). Microbiological characterization was performed measuring total coliform and fecal count using the most probable number technique (NMP) and microbiological pathogens were identified using Kornacki & Johnson (2001) method based on two processes: presumptive and confirmatory tests. Both the results for the determination of metals and potentially toxic elements, as testing for the determination of potentially dangerous microorganisms were below the limits established by the applicable standard in Panama (Technical Regulate COPANIT 47-2000). After the metal and bacterial characterization of the sludge, the presence of macro or micronutrients in biosolids was measured to evaluate its potential for use as fertilizer in the growth of agricultural crops. The sludge was dehydrated via a drying process into a muddy slurry. The pulp slurry was transported to the field trial area to continue the process of drying and grinding. Three randomized experimental trials were designed to test with five treatment regimens and four replications for each of the crops: watermelon, tomato, rice. The five treatment regimens evaluated were three different doses of bio solid with commercial fertilizer treatment control and no fertilizer treatment control. Treatment areas for the watermelon and tomato were 10m2 plots land and for rice was 20m2. The amount of commercial fertilizer used to treat each crop was based on the amount recommended by Agricultural Research Institute of Panama. The experimental trials considered initial characterization of soil, soil preparation, seed, and crop topographical arrangement following agronomic crop management recommendations. For the tests evaluating the growth of watermelons and tomatoes and drip irrigation system was installed. The amount of humic acids present in the culture were determined and developmental variable of each crop were studied (fruiting crop harvest weight, size dimensions and color of the fruit, performance and cost effectiveness). Changes in macro and micronutrients and changes in pH, soil texture and OM available were measured at the beginning and end of each field trial. All variables and covariates were analyzed using INFOSAT statistical program (software for statistical analysis of general application) by analysis of variance, multiple comparisons method as proposed by Fisher (LSD Fisher) to compare the means of cultivars and the Pearson ratio that allows us to analyze if there is a linear association between two variables. In evaluating the contribution of biosolids to agricultural crops, the study determined that the macronutrients N & P were within the requirements of crops, but K levels were below the requirements of crops. In terms of traditional chemical fertilizer fertilization, we observed that the recommended dose for each study crop was overestimated for the three major nutrients: nitrogen, phosphorus and potassium. Higher concentrations containing N, P and K to the theoretically required by the crop. The recommended dose of commercial fertilizer for crops study contained greater amounts of phosphorus, crops that need. The level of phosphorous was found to be18 times greater than was required for the cultivation of watermelon; 12 times higher than required for tomato, and 34 times higher than required for rice cultivation. Phosphorus inputs of commercial fertilizer were a primary influence on the weight and performance of each crop. Unlike biosolids had a direct influence on crop development (germination, color, size, length, diameter, flowering and disease resistance). In the case of growth of watermelons, the Biosolid dose closest to the optimum for cultivation was applied the highest dose in this assay (97.2 grams of bio solids per plant). In the case of tomatoes, commercial fertilizer had the best values but the differences were minimal when compared to treatment T1, the lower dose of sewage sludge (Biosolid 16.2 grams per plant). The overall results for the tomato crop yield of the trial were lower than expected. Additionally, the application of biosolids treatment contributed to the development of fruit of variable size, color and disease resistance in the tomato crops. Similar to the tomato crop, commercial fertilizer treatment provided the best results for the rice crop. The final results of weight and crop yield for rice indicated that treatment with T2 amount of biosolids (34.2 grams per plot) was not significantly different from the result obtained in the application plot given commercial fertilizer (T1). The T4 (higher dose of bio solid) treatment had the best values for the germination, tillering and bolting variables of the rice crop but for fruit ripening yielded lower results. In all three trials, biosolids demonstrated the ability to contribute in the vegetative growth of crops. It was also found in all test no significant differences (p>0.05) between treatment of bio solid and commercial fertilizer. Biosolids provided nutrients to the crops and even at the end of the trial remained available in the ground soil, contributing to the improvement of the final ground. The best results from these three trials is that the use of bio solids such as those used in this assay would require the addition of potassium, calcium and magnesium in quantities required for each crop.

Functional response of Ulmus minor Mill. to drought, flooding and dutch elm disease

Ulmus minor es una especie arbórea originaria de Europa cuyas poblaciones han sido diezmadas por el hongo patógeno causante de la enfermedad de la grafiosis. La conservación de los olmos exige plantearse su propagación a través de plantaciones y conocer mejor su ecología y biología. Ulmus minor es un árbol de ribera, pero frecuentemente se encuentra alejado del cauce de arroyos y ríos, donde la capa freática sufre fuertes oscilaciones. Por ello, nuestra hipótesis general es que esta especie es moderadamente resistente tanto a la inundación como a la sequía. El principal objetivo de esta tesis doctoral es entender desde un punto de vista funcional la respuesta de U. minor a la inundación, la sequía y la infección por O. novo-ulmi; los factores que posiblemente más influyen en la distribución actual de U. minor. Con este objetivo se persigue dar continuidad a los esfuerzos de conservación de esta especie que desde hace años se dedican en varios centros de investigación a nivel mundial, ya que, entender mejor los mecanismos que contribuyen a la resistencia de U. minor ante la inoculación con O. novo-ulmi y factores de estrés abiótico ayudará en la selección y propagación de genotipos resistentes a la grafiosis. Se han planteado tres experimentos en este sentido. Primero, se ha comparado la tolerancia de brinzales de U. minor y U. laevis – otro olmo ibérico – a una inmersión controlada con el fin de evaluar su tolerancia a la inundación y comprender los mecanismos de aclimatación. Segundo, se ha comparado la tolerancia de brinzales de U. minor y Quercus ilex – una especie típica de ambientes Mediterránea secos – a la falta de agua en el suelo con el fin de evaluar el grado de tolerancia y los mecanismos de aclimatación a la sequía. El hecho de comparar dos especies contrastadas responde al interés en entender mejor cuales son los procesos que conducen a la muerte de una planta en condiciones de sequía – asunto sobre el que hay una interesante discusión desde hace algunos años. En tercer lugar, con el fin de entender mejor la resistencia de algunos genotipos de U. minor a la grafiosis, se han estudiado las diferencias fisiológicas y químicas constitutivas e inducidas por O. novo-ulmi entre clones de U. minor seleccionados a priori por su variable grado de resistencia a esta enfermedad. En el primer experimento se observó que los brinzales de U. minor sobrevivieron 60 días inmersos en una piscina con agua no estancada hasta una altura de 2-3 cm por encima del cuello de la raíz. A los 60 días, los brinzales de U. laevis se sacaron de la piscina y, a lo largo de las siguientes semanas, fueron capaces de recuperar las funciones fisiológicas que habían sido alteradas anteriormente. La conductividad hidráulica de las raíces y la tasa de asimilación de CO2 neta disminuyeron en ambas especies. Por el contrario, la tasa de respiración de hojas, tallos y raíces aumentó en las primeras semanas de la inundación, posiblemente en relación al aumento de energía necesario para desarrollar mecanismos de aclimatación a la inundación, como la hipertrofia de las lenticelas que se observó en ambas especies. Por ello, el desequilibrio del balance de carbono de la planta podría ser un factor relevante en la mortalidad de las plantas ante inundaciones prolongadas. Las plantas de U. minor (cultivadas en envases de 16 litros a media sombra) sobrevivieron por un prolongado periodo de tiempo en verano sin riego; la mitad de las plantas murieron tras 90 días sin riego. El cierre de los estomas y la pérdida de hojas contribuyeron a ralentizar las pérdidas de agua y tolerar la sequía en U. minor. Las obvias diferencias en tolerancia a la sequía con respecto a Q. ilex se reflejaron en la distinta capacidad para ralentizar la aparición del estrés hídrico tras dejar de regar y para transportar agua en condiciones de elevada tensión en el xilema. Más relevante es que las plantas con evidentes síntomas de decaimiento previo a su muerte exhibieron pérdidas de conductividad hidráulica en las raíces del 80% en ambas especies, mientras que las reservas de carbohidratos apenas variaron y lo hicieron de forma desigual en ambas especies. Árboles de U. minor de 5 y 6 años de edad (plantados en eras con riego mantenido) exhibieron una respuesta a la inoculación con O. novo-ulmi consistente con ensayos previos de resistencia. La conductividad hidráulica del tallo, el potencial hídrico foliar y la tasa de asimilación de CO2 neta disminuyeron significativamente en relación a árboles inoculados con agua, pero solo en los clones susceptibles. Este hecho enlaza con el perfil químico “más defensivo” de los clones resistentes, es decir, con los mayores niveles de suberina, ácidos grasos y compuestos fenólicos en estos clones que en los susceptibles. Ello podría restringir la propagación del hongo en el árbol y preservar el comportamiento fisiológico de los clones resistentes al inocularlos con el patógeno. Los datos indican una respuesta fisiológica común de U. minor a la inundación, la sequía y la infección por O. novo-ulmi: pérdida de conductividad hidráulica, estrés hídrico y pérdida de ganancia neta de carbono. Pese a ello, U. minor desarrolla varios mecanismos que le confieren una capacidad moderada para vivir en suelos temporalmente anegados o secos. Por otro lado, el perfil químico es un factor relevante en la resistencia de ciertos genotipos a la grafiosis. Futuros estudios deberían examinar como este perfil químico y la resistencia a la grafiosis se ven alteradas por el estrés abiótico. ABSTRACT Ulmus minor is a native European elm species whose populations have been decimated by the Dutch elm disease (DED). An active conservation of this species requires large-scale plantations and a better understanding of its biology and ecology. U. minor generally grows close to water channels. However, of the Iberian riparian tree species, U. minor is the one that spread farther away from rivers and streams. For these reasons, we hypothesize that this species is moderately tolerant to both flooding and drought stresses. The main aim of the present PhD thesis is to better understand the functional response of U. minor to the abiotic stresses – flooding and drought – and the biotic stress – DED – that can be most influential on its distribution. The overarching goal is to aid in the conservation of this emblematic species through a better understanding of the mechanisms that contribute to resistance to abiotic and biotic stresses; an information that can help in the selection of resistant genotypes and their expansion in large-scale plantations. To this end, three experiments were set up. First, we compared the tolerance to experimental immersion between seedlings of U. minor and U. laevis – another European riparian elm species – in order to assess their degree of tolerance and understand the mechanisms of acclimation to this stress. Second, we investigated the tolerance to drought of U. minor seedlings in comparison with Quercus ilex (an oak species typical of dry Mediterranean habitats). Besides assessing and understanding U. minor tolerance to drought at the seedling stage, the aim was to shed light into the functional alterations that trigger drought-induced plant mortality – a matter of controversy in the last years. Third, we studied constitutive and induced physiological and biochemical differences among clones of variable DED resistance, before and following inoculation with Ophiostoma novo-ulmi. The goal is to shed light into the factors of DED resistance that is evident in some genotypes of U. minor, but not others. Potted seedlings of U. minor survived for 60 days immersed in a pool with running water to approximately 2-3 cm above the stem collar. By this time, U. minor seedlings died, whereas U. laevis seedlings moved out of the pool were able to recover most physiological functions that had been altered by flooding. For example, root hydraulic conductivity and leaf photosynthetic CO2 uptake decreased in both species; while respiration initially increased with flooding in leaves, stems and roots possibly to respond to energy demands associated to mechanisms of acclimation to soil oxygen deficiency; as example, a remarkable hypertrophy of lenticels was soon observed in flooded seedlings of both species. Therefore, the inability to maintain a positive carbon balance somehow compromises seedling survival under flooding, earlier in U. minor than U. laevis, partly explaining their differential habitats. Potted seedlings of U. minor survived for a remarkable long time without irrigation – half of plants dying only after 90 days of no irrigation in conditions of high vapour pressure deficit typical of summer. Some mechanisms that contributed to tolerate drought were leaf shedding and stomata closure, which reduced water loss and the risk of xylem cavitation. Obviously, U. minor was less tolerant to drought than Q. ilex, differences in drought tolerance resulting mostly from the distinct capacity to postpone water stress and conduct water under high xylem tension among species. More relevant was that plants of both species exhibited similar symptoms of root hydraulic failure (i.e. approximately 80% loss of hydraulic conductivity), but a slight and variable depletion of non-structural carbohydrate reserves preceding dieback. Five- and six-year-old trees of U. minor (planted in the field with supplementary watering) belonging to clones of contrasted susceptibility to DED exhibited a different physiological response to inoculation with O. novo-ulmi. Stem hydraulic conductivity, leaf water potential and photosynthetic CO2 uptake decreased significantly relative to control trees inoculated with water only in DED susceptible clones. This is consistent with the “more defensive” chemical profile observed in resistant clones, i.e. with higher levels of saturated hydrocarbons (suberin and fatty acids) and phenolic compounds than in susceptible clones. These compounds could restrict the spread of O. novo-ulmi and contribute to preserving the near-normal physiological function of resistant trees when exposed to the pathogen. These results evidence common physiological responses of U. minor to flooding, drought and pathogen infection leading to xylem water disruption, leaf water stress and reduced net carbon gain. Still, seedlings of U. minor develop various mechanisms of acclimation to abiotic stresses that can play a role in surviving moderate periods of flood and drought. The chemical profile appears to be an important factor for the resistance of some genotypes of U. minor to DED. How abiotic stresses such as flooding and drought affect the capacity of resistant U. minor clones to face O. novo-ulmi is a key question that must be contemplated in future research.