Genetic basis of variation for root traits and response to heat stress in durum wheat

Durum wheat is the second most important wheat species worldwide and the most important crop in several Mediterranean countries including Italy. Durum wheat is primarily grown under rainfed conditions where episodes of drought and heat stress are major factors limiting grain yield. The research presented in this thesis aimed at the identification of traits and genes that underlie root system architecture (RSA) and tolerance to heat stress in durum wheat, in order to eventually contribute to the genetic improvement of this species. In the first two experiments we aimed at the identification of QTLs for root trait architecture at the seedling level by studying a bi-parental population of 176 recombinant inbred lines (from the cross Meridiano x Claudio) and a collection of 183 durum elite accessions. Forty-eight novel QTLs for RSA traits were identified in each of the two experiments, by means of linkage- and association mapping-based QTL analysis, respectively. Important QTLs controlling the angle of root growth in the seedling were identified. In a third experiment, we investigated the phenotypic variation of root anatomical traits by means of microscope-based analysis of root cross sections in 10 elite durum cultivars. The results showed the presence of sizeable genetic variation in aerenchyma-related traits, prompting for additional studies aimed at mapping the QTLs governing such variation and to test the role of aerenchyma in the adaptive response to abiotic stresses. In the fourth experiment, an association mapping experiment for cell membrane stability at the seedling stage (as a proxy trait for heat tolerance) was carried out by means of association mapping. A total of 34 QTLs (including five major ones), were detected. Our study provides information on QTLs for root architecture and heat tolerance which could potentially be considered in durum wheat breeding programs.

Association study of resistance to Soilborne wheat mosaic virus in U.S. winter wheat

Soilborne wheat mosaic virus (SBWMV) is one of the most important winter wheat pathogens worldwide. To identify genes for resistance to the virus in U.S. winter wheat, association study was conducted using a selected panel of 205 elite experimental lines and cultivars from U.S. hard and soft winter wheat breeding programs. Virus symptoms were evaluated twice in virus-infected fields for the panel at Manhattan, KS in spring 2010 and 2011 and for a subpanel of 137 hard winter wheat accessions at Stillwater, OK in spring 2008. At the two locations, 69.8 and 79.5% of cultivars were resistant or moderately resistant to the disease, respectively. After 282 simple-sequence repeat markers covering all wheat chromosome arms were scanned for association in the panel, marker Xgwm469 on the long arm of chromosome 5D (5DL) showed a significant association with the disease rating. Three alleles (Xgwm469-165bp, -167bp, and -169bp) were associated with resistance and the null allele was associated with susceptibility. Correlations between the marker and the disease rating were highly significant (0.80 in Manhattan at P < 0.0001 and 0.63 in Stillwater at P < 0.0001). The alleles Xgwm469-165bp and Xgwm469-169bp were present mainly in the hard winter wheat group, whereas allele Xgwm469-167bp was predominant in the soft winter wheat. The 169 bp allele can be traced back to 'Newton', and the 165 bp allele to Aegilops tauschii. In addition, a novel locus on the short arm of chromosome 4D (4DS) was also identified to associate with the disease rating. Marker Xgwm469-5DL is closely linked to SBWMV resistance and highly polymorphic across the winter wheat accessions sampled in the study and, thus, should be useful in marker-assisted selection in U.S. winter wheat.

Antibiotic Susceptibility of Mycoplasma bovis Strains Recovered From Mycoplasmal Pneumonia and Arthritis in Feedlot Cattle

Mycoplasmal pneumonia and arthritis is a problem of increasing significance in Midwestern feedlots. The disease presentation cannot be prevented by vaccination or successfully treated with antimicrobials. Due to the reported difficulty in treating these outbreaks, in-vitro antimicrobial susceptibility was tested on isolates of Mycoplasma bovis recovered from cases of pneumonia or pneumonia and arthritis where the mycoplasma was involved as a causative agent. Using a broth microdilution method, 36 M. bovis isolates from cases of pneumonia and 9 from cases of pneumonia and arthritis were tested for susceptibility to antimicrobials currently used in cattle with respiratory disease (ampicillin, tilmycosin, spectinomycin, tylosin, lincomycin, tetracycline, ceftiofur, and erythromycin). Among the isolates from cases with pneumonia, resistance to more antimicrobials was shown in recent isolates than in isolates from earlier years. Tetracycline and lincomycin were the drugs of choice for these isolates, although 3 of 36 isolates were resistant to all drugs tested. Isolates from cases of pneumonia and arthritis were from recent accessions. A majority of these isolates (5/9) were resistant to all antimicrobials tested. Lincomycin, spectinomycin, and tetracycline were antibiotics usable with 4/9 of the isolates. Overall, the results indicate that antimicrobial therapy in cases of mycoplasmal feedlot pneumonia and arthritis may be unrewarding.

The composition and timing of flower odour emission by wild Petunia axillaris coincide with the antennal perception and nocturnal activity of the pollinator Manduca sexta

In the genus Petunia, distinct pollination syndromes may have evolved in association with bee-visitation (P. integrifolia spp.) or hawk moth-visitation (P. axillaris spp). We investigated the extent of congruence between floral fragrance and olfactory perception of the hawk moth Manduca sexta. Hawk moth pollinated P. axillaris releases high levels of several compounds compared to the bee-pollinated P. integrifolia that releases benzaldehyde almost exclusively. The three dominating compounds in P. axillaris were benzaldehyde, benzyl alcohol and methyl benzoate. In P. axillaris, benzenoids showed a circadian rhythm with an emission peak at night, which was absent from P. integrifolia. These characters were highly conserved among different P. axillaris subspecies and P. axillaris accessions, with some differences in fragrance composition. Electroantennogram (EAG) recordings using flower-blends of different wild Petunia species on female M. sexta antennae showed that P. axillaris odours elicited stronger responses than P. integrifolia odours. EAG responses were highest to the three dominating compounds in the P. axillaris flower odours. Further, EAG responses to odour-samples collected from P. axillaris flowers confirmed that odours collected at night evoked stronger responses from M. sexta than odours collected during the day. These results show that timing of odour emissions by P. axillaris is in tune with nocturnal hawk moth activity and that flower-volatile composition is adapted to the antennal perception of these pollinators.

Genetic diversity in tef [Eragrostis tef (Zucc.) Trotter]

Tef Eragrostis tef (Zucc.) Trotter is a cereal crop resilient to adverse climatic and soil conditions, and possessing desirable storage properties. Although tef provides high quality food and grows under marginal conditions unsuitable for other cereals, it is considered to be an orphan crop because it has benefited little from genetic improvement. Hence, unlike other cereals such as maize and wheat, the productivity of tef is extremely low. In spite of the low productivity, tef is widely cultivated by over six million small-scale farmers in Ethiopia where it is annually grown on more than three million hectares of land, accounting for over 30% of the total cereal acreage. Tef, a tetraploid with 40 chromosomes (2n=4x=40), belongs to the Family Poaceae and, together with finger millet (Eleusine coracana Gaertn), to the Subfamily Chloridoideae. It was believed to have originated in Ethiopia. There are about 350 Eragrostis species of which E. tef is the only species cultivated for human consumption. At the present time, the gene bank in Ethiopia holds over five thousand tef accessions collected from geographical regions diverse in terms of climate and elevation. These germplasm accessions appear to have huge variability with regard to key agronomic and nutritional traits. In order to properly utilize the variability in developing new tef cultivars, various techniques have been implemented to catalog the extent and unravel the patterns of genetic diversity. In this review, we show some recent initiatives investigating the diversity of tef using genomics, transcriptomics and proteomics and discuss the prospect of these efforts in providing molecular resources that can aid modern tef breeding.

Maize Domestication and Anti-Herbivore Defences: Leaf-Specific Dynamics during Early Ontogeny of Maize and Its Wild Ancestors

As a consequence of artificial selection for specific traits, crop plants underwent considerable genotypic and phenotypic changes during the process of domestication. These changes may have led to reduced resistance in the cultivated plant due to shifts in resource allocation from defensive traits to increased growth rates and yield. Modern maize (Zea mays ssp. mays) was domesticated from its ancestor Balsas teosinte (Z. mays ssp. parviglumis) approximately 9000 years ago. Although maize displays a high genetic overlap with its direct ancestor and other annual teosintes, several studies show that maize and its ancestors differ in their resistance phenotypes with teosintes being less susceptible to herbivore damage. However, the underlying mechanisms are poorly understood. Here we addressed the question to what extent maize domestication has affected two crucial chemical and one physical defence traits and whether differences in their expression may explain the differences in herbivore resistance levels. The ontogenetic trajectories of 1,4-benzoxazin-3-ones, maysin and leaf toughness were monitored for different leaf types across several maize cultivars and teosinte accessions during early vegetative growth stages. We found significant quantitative and qualitative differences in 1,4-benzoxazin-3-one accumulation in an initial pairwise comparison, but we did not find consistent differences between wild and cultivated genotypes during a more thorough examination employing several cultivars/accessions. Yet, 1,4-benzoxazin-3-one levels tended to decline more rapidly with plant age in the modern maize cultivars. Foliar maysin levels and leaf toughness increased with plant age in a leaf-specific manner, but were also unaffected by domestication. Based on our findings we suggest that defence traits other than the ones that were investigated are responsible for the observed differences in herbivore resistance between teosinte and maize. Furthermore, our results indicate that single pairwise comparisons may lead to false conclusions regarding the effects of domestication on defensive and possibly other traits.

Método de evaluación a campo de la resistencia al moho azul en clones de ajo tipo colorado

Con el objeto de ajustar un método de evaluación a campo para facilitar la selección de clones de ajo (Allium sativum L.) con resistencia a Penicillium allii, se realizó un ensayo replicado en el cual se midió la respuesta de tres clones experimentales a la infección, en dos épocas de plantación. Los tratamientos incluyeron combinaciones de presencia o ausencia de: a) desinfección de la "semilla", b) heridas artificiales en los bulbillos, c) inoculación artificial. Los bulbillos con la hoja envolvente se desinfectaron con una solución diluida de hipoclorito de sodio. La inoculación se realizó mediante la inmersión en una solución de 106 esporas•ml-1. Las heridas se realizaron con una lanceta (blood lancet). Los bulbillos se incubaron en cámara húmeda durante 24 horas a 20 °C, antes de plantación. Las variables respuestas computadas fueron las siguientes: número de plantas muertas, y vivas con síntomas y sin síntomas, a los 152 días de plantación en la primera época y 118 días en la segunda; número de bulbos por calibres y rendimiento a cosecha. La información obtenida se analizó a través de correspondencia simple, diferencia de proporciones y análisis paramétricos. Se detectaron mayores diferencias entre los tratamientos en la tasa de sobrevivencia y en la proporción de calibres comerciales en la época tardía. No se observaron diferencias (p < 0,05) del rendimiento en la plantación temprana. La herida fue determinante en el ingreso del patógeno. Los tratamientos quedaron limitados a un testigo: desinfectado, no inoculado y sin herida, y a un tratamiento: desinfectado, con inoculación y herida. Con respecto a la época, resultó conveniente la evaluación en plantaciones tardías porque se expresan mejor las diferencias entre los tratamientos.

Revelando el origen de la variedad de vid ‘Bonarda’ cultivada en Argentina a través del empleo de marcadores moleculares microsatélites

‘Bonarda’ es una variedad de vid que en Argentina se cultiva principalmente en las provincias de Mendoza y San Juan, representa el segundo cepaje tinto en superficie nacional cultivada y es considerada con gran potencial para la elaboración de vinos tintos de alta calidad. Existe incertidumbre respecto a su origen en el país. La descripción ampelográfica de la ‘Bonarda’ cultivada en Argentina remarca gran nivel de similitud con la variedad italiana ‘Bonarda Piemontesa’ y con la variedad francesa ‘Corbeau’. En un trabajo previo, basado en el uso de marcadores moleculares, se demostró que ‘Bonarda’ se diferencia de ‘Bonarda Piamontesa’ y es idéntica a ‘Corbeau’. El objetivo de este trabajo fue confirmar la identidad de esta variedad empleando un gran número de loci microsatélites de tal manera de cubrir -en lo posible- la mayor parte del genoma. Se analizaron 17 accesiones de ‘Bonardas’ procedentes de distintos puntos geográficos de las provincias de Mendoza y San Juan, y de la variedad francesa ‘Corbeau’. Para las reacciones de PCR se usaron 13 loci microsatélites. Todas las accesiones de ‘Bonarda’ fueron idénticas entre sí e idénticas a la variedad francesa Corbeau, por lo que se concluye que se trata de la misma variedad. Se propone que la variedad ‘Bonarda’ cultivada en Mendoza y San Juan sea denominada ‘Bonarda-Argentina’, para diferenciarla de las italianas, pero a sabiendas, con un alto nivel de confianza, que corresponde a la variedad noble francesa ‘Corbeau’.

Contenido de resveratrol en hojas de vides silvestres (Vitis spp.) mexicanas

El resveratrol es considerado una fitoalexina pues es sintetizado como respuesta a patógenos (factores bióticos) y en condiciones climáticas adversas (factores abióticos). Actualmente existe mucho interés en él por su potencial uso en farmacología como antioxidante. Mediante cromatografía de líquidos de alta resolución (HPLC) se determinó el contenido de resveratrol en hojas de 18 accesiones de vides nativas de Puebla, México, cuatro de ellas creciendo en cuatro condiciones ambientales diferentes. Las concentraciones fueron muy variables, estimándose 39,5 μg g−1 peso fresco como valor máximo, mientras que en algunas accesiones no fue posible detectar resveratrol. Se observaron diferencias en el contenido de resveratrol para accesiones creciendo en localidades diferentes, lo que sugiere alta influencia de los factores ambientales sobre la expresión del genotipo en la inducción o inhibición de la biosíntesis de dicho metabolito secundario.

Propuesta metodológica para la elaboración de un plan de ordenamiento territorial sustentable

El concepto “desarrollo sustentable" se ha consolidado en la academia, organismos internacionales e instituciones públicas que tienen como una preocupación central el bienestar colectivo o la calidad de vida de la población. También está presente en el discurso de partidos políticos, organizaciones no gubernamentales, movimientos sociales y otros actores de la sociedad civil, que buscan nuevas respuestas a distintos problemas que aquejan a la sociedad y que dicen relación con su estrategia de desarrollo. De esta forma, se trata de un concepto universalmente aceptado y legitimado, aunque su significado no siempre sea unívoco y no conlleve en todos los casos al mismo tipo de acciones. Su fortaleza, sin embargo, radica en su concepción ampliamente compartida como uno de los meta - objetivos de la sociedad. No obstante, tal vez una de las mayores debilidades del concepto sea su (todavía) baja aplicabilidad a la realidad. Como dice Reboratti (2000:202), “desarrollo sostenible es...una meta a alcanzar, una posibilidad que aparece en el futuro y que tal vez nunca alcanzaremos...", pero según reconoce el mismo autor, requiere de al menos un esfuerzo de planificación, que –según entendemos nosotros- ha de contar con herramientas específicas, que permitan encauzar en forma efectiva el desarrollo de un territorio hacia su sustentabilidad. En este contexto, resulta fundamental desarrollar una metodología de ordenamiento territorial que pueda conducir efectivamente a un desarrollo sustentable. Por cierto, es necesario que dicha metodología sea de fácil aplicación, de manera que se constituya en un apoyo eficiente y eficaz para las instituciones responsables de la planificación y administración del territorio. En virtud de lo anterior, el presente trabajo tiene como objetivo general exponer una metodología para la elaboración de un Plan de Ordenamiento Territorial, basada en el concepto de “sustentabilidad", que sea efectiva y simple en su aplicación. Los componentes centrales de esta propuesta metodológica son: (a) la integración de distintas herramientas de análisis para el diagnóstico evaluativo de un territorio, (b) la ponderación de todas las dimensiones de la sustentabilidad, (c) la proposición de instrumentos para el diseño de modelos espaciales que permitan encauzar el desarrollo de un territorio hacia su sustentabilidad, considerando el uso racional de los recursos naturales, la reducción de los riesgos de desastres y el mejoramiento de la calidad de vida de las generaciones presentes y futuras. La metodología propuesta ha sido aplicada a un caso de estudio de escala local, la comuna de San José de Maipo en Santiago de Chile, a través de un ejercicio docente desarrollado por los alumnos de la promoción 2007 en el Taller de Gestión Ambiental, del Magíster en Asentamientos Humanos y Medio Ambiente de la Pontificia Universidad Católica de Chile. El proceso metodológico propuesto considera básicamente dos subprocesos: el diagnóstico evaluativo del sistema territorial y el diseño de un modelo territorial, cuyo resultado es la elaboración de un Plan de Ordenamiento Territorial Sustentable para la comuna de San José de Maipo.

Uso de marcadores morfológicos, bioquímicos y moleculares SRAP para diferenciar variedades de Cynara cardunculus L. (Asteraceae)

Dentro del complejo primario de Cynara cardunculus L. se encuentran diversas variedades botánicas: var. scolymus (alcaucil), var. altilis (cardo cultivado) y var. sylvestris (cardo silvestre). A lo largo de la historia del mejoramiento, la caracterización de los materiales ha evolucionado desde el uso de caracteres morfológicos hasta los modernos análisis moleculares, pasando por los marcadores bioquímicos. El objetivo del presente trabajo fue comparar la utilidad de los marcadores morfológicos, bioquímicos y moleculares para la caracterización de materiales pertenecientes a tres variedades botánicas de Cynara cardunculus. Tres cultivares de la var. scolymus, dos de la var. altilis y dos de la var. sylvestris fueron caracterizadas por variables morfovegetativas, proteínas de reserva y por marcadores moleculares a través de la técnica SRAP. Estas metodologías permitieron discriminar dos grupos: uno incluyendo las variedades de cardo cultivado y silvestre, y el otro, las variedades del alcaucil. Los datos moleculares y morfológicos permitieron además diferenciar los cultivares evaluados de la var. scolymus. Se concluye que los marcadores analizados son útiles para la caracterización intravarietal e intervarietal en programas de mejoramiento.

Estudio genético y molecular de la respuesta a la vernalización en zanahoria (Daucus carota L.)

La zanahoria es una planta bienal de estación fría que requiere de un período de vernalización para florecer. Sin embargo, algunos cultivares adaptados a zonas más cálidas requieren de menor vernalización y son clasificados como anuales o de floración temprana. El objetivo de esta tesis fue determinar la base genética e identificar los genes y/o regiones cromosómicas involucradas en los requerimientos de vernalización en la zanahoria. Para ello fueron evaluadas a campo familias segregantes F1, F2, F3, RC1 y RC2 obtenidas a partir de un cruzamiento entre una planta anual y una bienal. En base a los patrones de segregación observados se concluyó que la anualidad, o bajos requerimientos de vernalización, estaría determinada por un gen simple dominante. Al evaluar introducciones de zanahoria anuales y bienales de diversos orígenes geográficos y sus cruzamientos, se volvió a observar la total dominancia de la anualidad y se encontró variabilidad en el ciclo entre materiales anuales y entre materiales bienales. Utilizando un método molecular que se basa en similitud completa (BLAST), no se encontró en el genoma de la zanahoria secuencias homólogas al gen FLC, el cual juega un rol central en la respuesta a la vernalización en Arabidopsis y otras especies como las Brassicas. Mediante la técnica de mapeo se encontró una región cromosómica ligada a la respuesta a la vernalización en zanahoria. La misma se localizó en un grupo de ligamiento con 78 marcadores moleculares a una distancia de 0,69 cM y de 0,79 cM de los marcadores más cercanos. Este mapa servirá como base para el desarrollo de marcadores moleculares ligados al carácter y en un futuro para el mapeo físico y secuenciación de la región de interés utilizando una librería génica de BACs de zanahoria.

Utilización de marcadores morfológicos y moleculares AFLP en la identificación de germo plasma nativo y cultivado de Elymus scabrifolius (Poaceae)

Elymus scabrifolius es una gramínea perenne nativa de Sudamérica con gran potencial como recurso forrajero para ambientes con limitantes edáficas. En el presente trabajo se analizó la utilización de caracteres morfológicos y marcadores moleculares AFLP para la identificación genotípica de seis accesiones, un cultivar comercial y siete híbridos artificiales de esta especie. Ambos tipos de marcadores permitieron diferenciar a los materiales analizados en los respectivos dendrogramas, aunque las relaciones entre materiales variaron según el tipo de marcador. El Análisis de Componentes Principales permitió identificar las variables más relevantes para la diferenciación morfológica. Los híbridos se diferenciaron morfológicamente de ambos parentales, excepto un híbrido que se agrupó con su material paterno. Aunque en el análisis de los marcadores AFLP los híbridos se agruparon con uno de sus parentales, se pudo corroborar su origen híbrido mediante el registro de bandas paternas y polimórficas entre parentales. Se concluye que las metodologías empleadas para caracterizar los materiales analizados de E. scabrifolius serían de gran utilidad para el manejo eficiente de colecciones de germoplasma como así también para su utilización en programas de mejoramiento genético.

Caracterización genética de germoplasma de maní cultivado (Arachis hypogaea L.) mediante el empleo de marcadores microsatélites

El maní cultivado (Arachis hypogaea L.), es una especie de gran importancia económica, nativo de América del Sur. Se divide en dos subespecies y seis variedades botánicas. Genéticamente es alotetraploide, constituido por dos juegos genómicos duplicados. El empleo de marcadores microsatélites resulta más apropiado para realizar la caracterización genética de esta especie, puesto que permiten detectar un elevado nivel de polimorfismo. El objetivo del presente trabajo fue caracterizar la diversidad genética existente en las entradas de germoplasma de maní cultivado pertenecientes al Banco Activo de Germoplasma de Maní del Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Veinticinco entradas fueron genotipificadas con 23 marcadores microsatélites, de los cuales, 17 resultaron polimórficos. Se observaron 75 fragmentos polimórficos amplificados, con un promedio de 4,41 alelos por locus y un rango de 1 a 9 alelos. El contenido de información polimórfica osciló entre 0,15 y 0,58. El valor de la diversidad genética promedio fue de 0,165. Tanto el análisis de conglomerados como el de coordenadas principales evidenciaron dos grupos, uno formado por los materiales representantes de la subespecie fastigiata y otro por los de la subespecie hypogaea. Los resultados del análisis molecular de la varianza mostraron varianza tanto dentro como entre, las subespecies analizadas.

Variación agromorfológica y cambios biofísicos poscosecha en frutos de tomate (Solanum lycopersicum L.)

Se evaluó la variación fenotípica agromorfológica y cambios biofísicos de frutos después de 10 días de almacenamiento a temperatura ambiente, en una colección de tomate de Oaxaca, México. La colección de 57 colectas fue sembrada y caracterizada bajo invernadero. En poscosecha se evaluó pH, grados Brix, pérdida de peso y parámetros de color (L*, a*, b*, cromaticidad y ángulo Hue) a 0 y 10 días después de la cosecha. Las colectas mostraron diferencias significativas (P < 0,01) en todos los caracteres agromorfológicos y también hubo diferencias significativas entre acervos genéticos preclasificados como cultivados, ruderales e intermedios entre cultivados y ruderales. Nueve grupos de diversidad fenotípica fueron conformados. Se determinaron diferencias significativas entre tiempos de almacenamiento (0 y 10 días) para todas las características biofísicas. Después de 10 días de almacenamiento a temperatura ambiente (20,6±5°C y 34±10% HR), se incrementaron los °Brix de 4,1 a 4,6 y pH de 3,7 a 4,3. Entre grupos fenotípicos e interacción tiempo de almacenamiento-grupos, se determinaron diferencias significativas en °Brix, coordenadas de color L* y b*, y ángulo Hue. Los cambios diferenciales poscosecha indican divergencias fenotípicas entre y dentro de acervos genéticos que pueden explotarse en programas de mejoramiento con objetivos regionales.