Genetic redundancy among durum wheat accessions as assessed with SSRs and endosperm proteins

Reducing duplication in ex-situ collections is complicated and requires good quality genetic markers. This study was conducted to assess the value of endosperm proteins and SSRs for validation of potential duplicates and monitoring intra-accession variability. Fifty durum wheat (Triticum turgidum ssp. durum) accessions grouped in 23 potential duplicates, and previously characterised for 30 agro-morphological traits, were analysed for gliadin and high molecular weight glutenin (HMWG) subunit alleles, total protein, and 24 SSRs, covering a wide genome area. Similarity and dissimilarity matrices were generated based on protein and SSRs alleles. For heterogeneous accessions at gliadins the percent pattern homology (PH) between gliadin patterns and the Nei’s coefficient of genetic identity (I) were computed. Eighteen duplicates identical for proteins showed none or less than 3 unshared SSRs alleles. For heterogeneous accessions PH and I values lower than 80 identified clearly off-types with more than 3 SSRs unshared. Only those biotypes differing in no more than one protein-coding locus were confirmed with SSRs. A good concordance among proteins, morphological traits, and SSR were detected. However, the discrepancy in similarity detected in some cases showed that it is advisable to evaluate redundancy through distinct approaches. The analysis in proteins together with SSRs data are very useful to identify duplicates, biotypes, close related genotypes, and contaminations

Uso de marcadores moleculares para la racionalización y evaluación de la calidad en las colecciones de Recursos Fitogenéticos de trigo

Esta tesis tiene dos objetivos generales: el primero, analizar el uso de proteínas del endospermo y SSRs para la racionalización de las colecciones de trigo, y el segundo, estudiar la influencia de las proteínas del endospermo, del año de cultivo y del abonado nitrogenado en la calidad en un grupo de variedades locales españolas. Dentro del primer objetivo, se estudió la diversidad genética de la colección de Triticum monococcum L. (escaña menor), y de una muestra de la colección de Triticum turgidum L. (trigo duro) del CRF-INIA, con 2 y 6 loci de gliadinas, y 6 y 24 SSRs, para la escaña menor y el trigo duro, respectivamente. Ambas colecciones presentaron una gran diversidad genética, con una gran diferenciación entre las variedades y pequeña dentro de ellas. Los loci de gliadinas mostraron una gran variabilidad, siendo los loci Gli-2 los más útiles para distinguir variedades. En la escaña menor, las gliadinas presentaron mayor poder de discriminación que los SSRs; aunque en trigo duro los SSRs identificaron más genotipos. El número de alelos encontrado fue alto; 24 y 38 en gliadinas, y 29 y 203 en SSRs, en escaña menor y trigo duro, respectivamente. En trigo duro, se identificaron 17 alelos nuevos de gliadinas lo que demuestra que el germoplasma español es muy singular. En ambas especies, se detectaron asociaciones entre la variación alélica en prolaminas y el origen geográfico y filogenético de las variedades. La utilidad de las proteínas (6 loci de gliadinas, 2 loci de gluteninas y proteína total) y de los SSRs (24 loci) para verificar duplicados, y analizar la variabilidad intraaccesión, se estudió en 23 casos de duplicados potenciales de trigo duro. Los resultados indicaron que tanto los biotipos como las accesiones duplicadas mostraban el mismo genotipo en gliadinas, pocas diferencias o ninguna en las subunidades de gluteninas HMW y proteína total, y diferencias en menos de tres loci de SSRs. El mismo resultado se obtuvo para los biotipos de la colección de T. monococcum. Sin embargo, las discrepancias observadas en algunos casos entre proteínas y SSRs demostraron la utilidad del uso conjunto de ambos tipos de marcadores. Tanto las proteínas como los SSRs mostraron gran concordancia con los caracteres agro-morfológicos, especialmente cuando las diferencias entre los genotipos eran grandes. Sin embargo, los caracteres agro-morfológicos fueron menos discriminantes que los marcadores moleculares. Para el segundo objetivo de la tesis, se analizó la variación alélica en siete loci de prolaminas relacionados con la calidad en trigo duro: Glu-A1 y Glu-B1 de gluteninas HMW, Glu-A3, Glu-B3 y Glu-B2 de gluteninas B-LMW, y Gli-A1 y Gli-B1 de gliadinas. La submuestra analizada incluía variedades locales de todas las provincias españolas donde se ha cultivado tradicionalmente el trigo duro. Todos los loci, excepto el Glu-B2, mostraron gran variabilidad genética, siendo los Glu-3 los más polimórficos. En total, se identificaron 65 alelos, de los que 29 eran nuevos, que representan una fuente importante de variabilidad genética para la mejora de la calidad. Se detectaron diferencias en la composición en prolaminas entre la convar. turgidum y la zona norte, y la convar. durum y la zona sur; el genotipo Glu-B3new-1 - Gli-B1new-1 fue muy común en la convar. turgidum, mientras que el Glu-B3a - Gli-B1c, asociado con mejor calidad, fue más frecuente en la convar. durum. En la convar. turgidum, se observó mayor variabilidad que en la convar. durum, principalmente en los loci Glu-B1 y Glu-B3, lo que indica que esta convariedad puede ser una fuente valiosa de nuevos alelos de gluteninas. Esta submuestra fue evaluada para calidad (contenido en proteína, P, y test de sedimentación, SDSS) con dos dosis de abonado nitrogenado (N), y en dos años diferentes. No se detectaron interacciones Variedad × Año, ni Variedad × N en la calidad. Para la P, los efectos ambientales (año y N) fueron mayores que el efecto de la variedad, siendo, en general, mayor la P con dosis altas de N. La variedad influyó más en el test SDSS, que no se vio afectado por el año ni el N. El aumento del contenido en proteína no influyó significativamente sobre la fuerza del gluten estimada con el SDSS. Respecto a la influencia de las prolaminas en la fuerza del gluten, se confirmó la superioridad del Glu-B3a; aunque también se detectó una influencia alta y positiva de los alelos nuevos Glu-A3new-1, y Glu-B3new-6 y new-9. La no correlación entre el rendimiento (evaluado en un trabajo anterior) y la P, en las variedades adaptadas a bajo N, permitió seleccionar cuatro variedades locales con alto rendimiento y buena fuerza del gluten para producción con bajo N. SUMMARY There are two main objectives in this thesis: The first, to analyse the use of endosperm proteins and SSRs to rationalize the wheat collections, and the second, to study the influence on quality of endosperm proteins, year and nitrogen fertilization in a group of Spanish landraces. For the first objective, we studied the genetic diversity of the collection of Triticum monococcum L. (cultivated einkorn), and of a sample of the collection of Triticum turgidum L. (durum wheat) maintained at the CRF-INIA. Two and 6 gliadin loci, and 6 and 24 SSRs, were used for einkorn and durum wheat, respectively. Both collections possessed a high genetic diversity, being the differentiation large between varieties and small within them. Gliadin loci showed great variability, being the loci Gli-2 the most useful for distinguish among varieties. In einkorn, the gliadins showed higher discrimination power than SSRs; although SSRs identified more genotypes in durum wheat. Large number of alleles were found; 24 and 38 in gliadins, and 29 and 203 in SSRs, for einkorn and durum wheat, respectively. In durum wheat, 17 new alleles of gliadins were identified, which indicate that Spanish durum wheat germplasm is rather unique. Some associations between prolamin alleles and geographical and phylogenetic origin of varieties were found in both species. The value of endosperm proteins (6 gliadin loci, 2 glutenin loci and total protein) and SSRs (24 loci) for validation of duplicates, and monitoring the intra-accession variability, was studied in 23 potential duplicates of durum wheat. The results indicated that biotypes and duplicated accessions showed identical gliadin genotype, few or none differences in HMW glutenin subunits and total protein, and less than three different SSR loci. A similar result was obtained for biotypes of T. monococcum. However, the discrepancies in some cases support the convenience to use together both marker systems. A good concordance among endosperm proteins, agro-morphological traits and SSRs were also found, mainly when differences between genotypes were high. However, agro-morphological traits discriminated less between accessions than molecular markers. For the second objective of the thesis, we analysed the allelic variation at seven prolamin loci, involved in durum wheat quality: Glu-A1 and Glu-B1 of HMW glutenin, Glu-A3, Glu-B3 and Glu-B2 of B-LMW glutenin, and Gli-A1 and Gli-B1 of gliadin. The subsample analysed included landraces from all the Spanish provinces where the crop was traditionally cultivated. All the loci, except for Glu-B2, showed high genetic variability, being Glu-3 the most polymorphic. A total of 65 alleles were studied, 29 of them being new, which represent an important source of variability for quality improvement. Differences in prolamin composition were detected between convar. turgidum and the North zone, and the convar. durum and the South zone; the genotype Glu-B3new-1 - Gli-B1new-1 was very common in the convar. turgidum, while the Glu- B3a - Gli-B1c, associated with better quality, was more frequent in the convar. durum. Higher variability was detected in the convar. turgidum than in the convar. durum, mainly at the Glu-B1 and Glu-B3, showing that this convariety could be a valuable source of new glutenin alleles. The subsample was evaluated for quality (protein content, P, and sedimentation test, SDSS) with two doses of nitrogen fertiliser (N), and in two different years. No significant Variety x Year or Variety x Nitrogen interactions were detected. For P, environmental (year and N) effects were higher than variety effect, being P values , in general, larger with high dose of N. The variety exhibited a strong influence on SDSS test, which was not affected by year and N. Increasing values of P did not significantly influence on gluten strength, estimated with the SDSS. Respect to the prolamin effects on gluten strength, the superiority of Glu-B3a was confirmed; although a high positive effect of the new alleles Glu-A3new-1, and Glu-B3new-6 and new-9 was also detected. The no correlation between yield (evaluated in a previous research) and P, in the landraces adapted to low N, allowed to select four landraces with high yield and high gluten strength for low N production.

Microbiota asociada a la enfermedad de la punta negra del trigo duro. Efectos del riego, el abonado nitrogenado y la variedad cultivada en la incidencia de la enfermedad

La enfermedad fúngica de la punta negra del trigo se caracteriza por provocar en las semillas afectadas un oscurecimiento de la zona del embrión que en ocasiones puede extenderse hacia la hendidura central dejando el grano completamente ennegrecido. Su incidencia en el cultivo de trigo es extremadamente variable y depende en gran medida de las condiciones ambientales, así pues, condiciones de alta humedad pueden incrementar a punta negra. Su presencia en el trigo duro repercute en el rendimiento semolero. Además la pasta elaborada a partir de semilla enferma presenta manchas negras y adquiere color y olor desagradable. Esta enfermedad es poco conocida a nivel europeo, sin embargo existen numerosos estudios para conocer su etiología y los factores que afectan a su aparición en países como Nueva Zelanda, Australia, Estados Unidos o Canadá. El presente trabajo pretende dar a conocer esta patología en España, determinando la influencia del riego, el abonado nitrogenado y la variedad cultivada en la incidencia de la enfermedad. Para ello se ha contado con un diseño experimental basado en 10 cultivares sembrados en parcelas con dos tratamientos de riego y dos de abonado nitrogenado. El análisis de las semillas infectadas en cámara húmeda y medios de cultivo PDA y K reveló 12 géneros fúngicos diferentes, de los cuales Alternaria alternata y Fusarium proliferatum estaban presentes en todas las muestras. El estudio del riego y abonado nitrogenado mostró diferencias significativas en la incidencia de punta negra pero fueron los 10 cultivares incluidos en el ensayo los que mayor importancia cobraron desde el punto de vista de la aparición de la enfermedad. El genotipo resultó determinante a la hora de establecer los niveles de afectación ya que las muestras encuadradas botánicamente como Triticum turgidum subsp. Turgidum convar. Turgidum presentaron una mayor susceptibilidad. las prueas de patogenicidd con los tres principales hongos asociados a la punta negra dieron resultados negativos para la germinación-nascencia de las plántulas de trigo duro inoculadas.

Creation and Validation of the Spanish Durum Wheat Core Collection.

Spanish wheat (Triticum spp.) landraces have a considerable polymorphism, containing many unique alleles, relative to other collections. The existence of a core collection is a favored approach for breeders to efficiently explore novel variation and enhance the use of germplasm. In this study, the Spanish durum wheat (Triticum turgidum L.) core collection (CC) was created using a population structure–based method, grouping accessions by subspecies and allocating the number of genotypes among populations according to the diversity of simple sequence repeat (SSR) markers. The CC of 94 genotypes was established, which accounted for 17% of the accessions in the entire collection. An alternative core collection (CH), with the same number of genotypes per subspecies and maximizing the coverage of SSR alleles, was assembled with the Core Hunter software. The quality of both core collections was compared with a random core collection and evaluated using geographic, agromorphological, and molecular marker data not previously used in the selection of genotypes. Both core collections had a high genetic representativeness, which validated their sampling strategies. Geographic and agromorphological variation, phenotypic correlations, and gliadin alleles of the original collection were more accurately depicted by the CC. Diversity arrays technology (DArT) markers revealed that the CC included genotypes less similar than the CH. Although more SSR alleles were retained by the CH (94%) than by the CC (91%), the results showed that the CC was better than CH for breeding purposes.

Evaluación de prácticas agrícolas (laboreo y rotación) para mitigar gases de efecto invernadero en clima mediterráneo

El laboreo de conservación (Mínimo Laboreo, ML; No Laboreo, NL) y la rotación de cultivos están consideradas como Buenas Prácticas Agrícolas, y contribuyen a mejorar las propiedades físicas y la fertilidad del suelo, así como a reducir el empleo de algunos insumos agrarios (Follet y Schimel 1989). Sin embargo, existe gran controversia sobre el efecto de estas prácticas sobre las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI), a las que la agricultura contribuye en un 13.5 %, siendo normalmente el óxido nitroso (N2O) el mayor determinante del Poder de Calentamiento Global derivado de los agrosistemas (IPCC, 2006). La variabilidad de resultados y la escasez de estudios en zonas mediterráneas, especialmente sobre el efecto de la rotación de cultivos, justifican la necesidad de nuevos estudios sobre este tema. El objetivo principal de este ensayo ha sido evaluar la influencia de las prácticas de laboreo de conservación frente al Laboreo Tradicional (LT) mediante vertedera; así como la rotación barbecho - trigo (Tritucum aestivum L. var. ́Marius`) frente a monocultivo de trigo, sobre las emisiones de GEI(N2O, CH4 y CO2) desde el suelo.

The use of geographic information systems for the optimal location of biomass power plants in the Madrid Community (Spain)

This article has been extracted from the results of a thesis entitled “Potential bioelectricity production of the Madrid Community Agricultural Regions based on rye and triticale biomass.” The aim was, first, to quantify the potential of rye (Secale Cereale L.) and triticale ( Triticosecale Aestivum L.) biomass in each of the Madrid Community agricultural regions, and second, to locate the most suitable areas for the installation of power plants using biomass. At least 17,339.9 t d.m. of rye and triticale would be required to satisfy the biomass needs of a 2.2 MW power plant, (considering an efficiency of 21.5%, 8,000 expected operating hours/year and a biomass LCP of 4,060 kcal/kg for both crops), and 2,577 ha would be used (which represent 2.79% of the Madrid Community fallow dry land surface). Biomass yields that could be achieved in Madrid Community using 50% of the fallow dry land surface (46,150 ha representing 5.75% of the Community area), based on rye and triticale crops, are estimated at 84,855, 74,906, 70,109, 50,791, 13,481, and 943 t annually for the Campiña, Vegas, Sur Occidental, Área Metropolitana, Lozoya-Somosierra, and Guadarrama regions. The latter represents a bioelectricity potential of 10.77, 9.5, 8.9, 6.44, 1.71, and 0.12 MW, respectively.

Antioxidative Defense System, Pigment Composition, and Photosynthetic Efficiency in Two Wheat Cultivars Subjected to Drought1

We analyzed antioxidative defenses, photosynthesis, and pigments (especially xanthophyll-cycle components) in two wheat (Triticum durum Desf.) cultivars, Adamello and Ofanto, during dehydration and rehydration to determine the difference in their sensitivities to drought and to elucidate the role of different protective mechanisms against oxidative stress. Drought caused a more pronounced inhibition in growth and photosynthetic rates in the more sensitive cv Adamello compared with the relatively tolerant cv Ofanto. During dehydration the glutathione content decreased in both wheat cultivars, but only cv Adamello showed a significant increase in glutathione reductase and hydrogen peroxide-glutathione peroxidase activities. The activation states of two sulfhydryl-containing chloroplast enzymes, NADP+-dependent glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase and fructose-1,6-bisphosphatase, were maintained at control levels during dehydration and rehydration in both cultivars. This indicates that the defense systems involved are efficient in the protection of sulfhydryl groups against oxidation. Drought did not cause significant effects on lipid peroxidation. Upon dehydration, a decline in chlorophyll a, lutein, neoxanthin, and β-carotene contents, and an increase in the pool of de-epoxidized xanthophyll-cycle components (i.e. zeaxanthin and antheraxanthin), were evident only in cv Adamello. Accordingly, after exposure to drought, cv Adamello showed a larger reduction in the actual photosystem II photochemical efficiency and a higher increase in nonradiative energy dissipation than cv Ofanto. Although differences in zeaxanthin content were not sufficient to explain the difference in drought tolerance between the two cultivars, zeaxanthin formation may be relevant in avoiding irreversible damage to photosystem II in the more sensitive cultivar.