Resumen de Integración de aproximaciones agronómicas y genómicas para la adaptación del trigo a ambientes agrícolas mediterráneos en el sur de España
El trigo (Triticum spp.) es uno de los cereales más importantes y el más ampliamente cultivado, representando una de las mayores fuentes de energía en la dieta humana. El trigo hexaploide es uno de los cultivos más extendidos, estando presente en casi todas las regiones agrícolas a nivel mundial. Posee una interesante plasticidad fenotípica gracias a la presencia de un genoma grande, poliploide y complejo, lo que le permite adaptarse a la mayoría de ambientes agrícolas de las regiones templadas, como la cuenca Mediterránea. Por su parte, el trigo duro se cultiva en un área agrícola más restringida, principalmente compuesta por regiones mediterráneas en condiciones de secano. El crecimiento, desarrollo y producción final de este cultivo pueden verse muy afectados por la presencia de estreses abióticos, como la sequía, que origina importantes pérdidas de rendimiento y calidad a nivel mundial.
Este trabajo es una aproximación al estudio de la adaptación del trigo a distintos ambientes mediterráneos a través del análisis genético de caracteres clave de este cultivo, así como de la arquitectura genómica de las respuestas a la sequía. Los principales objetivos de esta tesis son: (i) analizar en trigo las respuestas transcriptómicas ante distintos niveles de estrés hídrico en condiciones de campo; (ii) evaluar la presencia de genes candidatos asociados a las respuestas al estrés hídrico y a la calidad de grano, así como determinar los patrones de expresión génica bajo distintas condiciones de estrés; e (iii) identificar los loci de caracteres cuantitativos (QTL) agronómicos y de calidad del grano, y estudiar sus efectos en la expresión fenotípica. Estos análisis se llevaron a cabo en distintos ambientes, con la variedad de trigo hexaploide ‘Chinese spring’ y, con líneas élite de trigo duro, procedentes del CIMMYT.
El primer objetivo se ha llevado a cabo con la línea de referencia secuenciada de trigo harinero (Triticum aestivum cv. 'Chinese Spring'), que fue cultivada en dos ambientes mediterráneos, usando distintas condiciones de riego. Las medidas fisiológicas en campo se combinaron con las imágenes hiperespectrales y térmicas para la evaluación de los niveles de agua, nitrógeno y fotosíntesis en la planta. Por otro lado, se llevaron a cabo análisis de RNA-Seq para la valoración de las respuestas genómicas al estrés hídrico en condiciones de campo. Las medidas fisiológicas, junto con la recogida de muestras de material vegetal realizado para los posteriores análisis de RNA-Seq, así como la toma de imágenes hiperespectrales y térmicas a través de un vuelo tripulado, se realizaron en campo y de forma simultánea, en el estadío de llenado de grano del cultivo. Tras los análisis de expresión diferencial, se han encontrado regiones genómicas relacionadas con las respuestas a la sequía en campo. Estas respuestas incluyen también la existencia de genes homeólogos especializados, múltiples clusters de genes, familias de genes como las dehidrinas, microRNA y factores de transcripción que las coordinan.
En el siguiente capítulo, se ha llevado a cabo un análisis de mapeo asociativo (AM) para la identificación de los loci de caracteres cuantitativos agronómicos y de calidad de grano, en un total de 299 líneas élite de trigo duro procedentes del CIMMYT. Estas líneas fueron cultivadas en México, bajo dos condiciones de riego distintas. Los resultados obtenidos del análisis de AM mostraron asociaciones (MTA) entre marcadores y caracteres de calidad, como el peso de 1000 granos. Estas asociaciones encontradas representan un recurso interesante, con aplicación en los programas de mejora para el incremento de la producción y la calidad del grano. Los datos procedentes del análisis de RNA-Seq del capítulo anterior, junto con los análisis de expresión diferencial, se han utilizado para la identificación de genes de interés relacionados con las respuestas a estrés. Del análisis realizado podemos destacar la presencia de varias cuproproteínas que forman un cluster con genes homeólogos en los dos subgenomas del trigo duro (A y B).
En el capítulo 5, se han analizado 179 líneas élite de trigo duro procedentes del CIMMYT, junto con distintas variedades locales de trigo. Estas líneas se cultivaron y evaluaron fenotípicamente en condiciones de secano y distintos ambientes mediterráneos del sur de España (Andalucía). Las líneas élite fueron previamente seleccionadas en el programa de mejora de trigo duro del CIMMYT, en base a su rendimiento agronómico, calidad y resistencia a sequía. Los enfoques del estudio de asociación del genoma completo (GWAS) y la selección genómica (GS) se han usado con éxito para la evaluación de los caracteres de interés. Se han encontrado varios MTA interesantes que afectan a la expresión fenotípica de caracteres de calidad, como los índices de gluten y sedimentación. A partir de los análisis de expresión diferencial obtenidos en el Capítulo 3, se han identificado varios genes candidatos relacionados con estos caracteres, que además muestran diferencias de expresión en condiciones de sequía. Como resultado de la comparación de los MTA descritos en los ambientes de México y sur de España, se ha encontrado un marcador común asociado con la calidad de grano. Los marcadores se mapearon en la secuencia de referencia del trigo duro (subgenomas A y B), y se han encontrado algunos de ellos próximos a genes de interés que codifican para las subunidades de gluteninas de alto peso molecular (HMW-GS), correspondientes a los loci de Glu-B1 y Glu-A1. Por último, la habilidad de predicción del modelo de selección genómica empleado, mostró resultados interesantes para los caracteres de calidad, que pueden ser usados en los programas de mejora de trigo.
En esta tesis se presenta la aplicación de herramientas recientes que están cambiando los enfoques utilizados en el estudio de la mejora vegetal, reduciendo costes y aumentando el rendimiento de los ensayos. Además, la integración de enfoques interdisciplinares facilita la evaluación de las respuestas al estrés del trigo en distintos ambientes y con variaciones en las condiciones de riego. Estos resultados representan recursos con aplicación en los programas de mejora para la selección asistida por marcadores.
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