Genetic diversity and molecular responses to drought stress in Vigna unguiculata L. Walp.
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2018-12-19
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Resumo
Climate change is considered as one of the major threats to agriculture sustainability
and biodiversity. Drought is a severe environmental stress with major impacts on plant
development and productivity. The use and improvement of crops with the ability to mitigate
the effects of drought will be a key step for future crop sustainability. Cowpea (Vigna
unguiculata L. Walp) is a warm-season grain legume, considered as an interesting crop, due to
its high adaptability to heat and drought, as well as to its association with nitrogen fixing
rhizobia. As other legumes, cowpea plays a major role in the global food security by providing
an affordable dietary source of nutrients mainly proteins.
The thesis main objective is to contribute for a higher cowpea production in Europe,
anticipating the upcoming climate changes. To achieve this goal, multidisciplinary approaches
were undertaken involving field trials and molecular genetics, physiology and biochemistry
approaches. Regarding genetic diversity, the morphological and agronomical characterization
of 24 Iberian Peninsula cowpea genotypes was performed, thus emphasizing the high genetic
diversity among genotypes. From this characterization, ten cowpea genotypes were selected
and further used for determining the stability of morphological and agronomical traits in three
different environments (two in Portugal and one in Spain), during two consecutive years. A
high interaction between genotype and environment was found and Elvas (Portugal) revealed
to have the most appropriated environment for the production of this set of cowpea genotypes.
The recently developed Cowpea iSelect Consortium Array (Illumina, Inc.) provided an
excellent opportunity for further determination of cowpea genetic diversity. This array contains
51,128 SNPs and was used in a set of 96 cowpea genotypes, 43 of which from Iberian Peninsula
and 23 from 22 other worldwide countries. Cowpea genotypes were clustered in four
subpopulations, mainly differentiated by their geographical origin, allowing the suggestion of
a new hypothesis about cultivated cowpea dispersion routes. Most of Iberian Peninsula
genotypes and those from other Southern European and Northern African countries were
grouped in the same subpopulation, indicating a high genetic similarity among them. However,
three Iberian Peninsula cowpea genotypes did not belong to this subpopulation, being two of
them classified as ‘admixed’ and another from a different subpopulation. These genotypes
could be considered as interesting sources of diversity for future cowpea breeding programs.
To get new insights on cowpea drought stress responses, the selection of the best approachesfor screening cowpea genotypes with enhanced drought tolerance is fundamental. Four cowpea
genotypes (two Portuguese and two international tolerant references) were submitted to three
different watering regimens, during 15 days. Several physiological, biochemical and molecular
approaches were tested, revealing that stomatal function parameters, free proline and
anthocyanins contents were the most effective in discriminating cowpea tolerance levels.
Furthermore, two drought-related genes (VuCPRD14 and VuHsp17.7) were identified as the
most effective for drought tolerance selection. For screening cowpea genotypes with enhanced
drought tolerance, a worldwide collection of cowpea genotypes (58 genotypes) was tested for
seed germination, seedling emergence and proline content under different osmotic potentials.
A total of seven drought tolerant genotypes were suggested, which could represent starting
material for future cowpea breeding programs.
This thesis gave a good contribution for increasing cowpea production in Europe, being
the selection of more productive and drought tolerant genotypes the first step. These genotypes
could be integrated into breeding programs for enhancing cowpea resilience to climate change.
Furthermore, the methodologies tested and proposed in this study allow an effective and fast
screening of cowpea genotypes drought tolerance.
As alterações climáticas são consideradas uma das principais ameaças à sustentabilidade da agricultura e à biodiversidade global, sendo o stresse abiótico um dos seus maiores constrangimentos. A seca é um dos stresses ambientais mais severo e com um grande impacto no desenvolvimento e produtividade das plantas. A utilização e melhoramento de culturas com capacidade de mitigar os efeitos da seca assumem cada vez mais um papel relevante para o aumento da sustentabilidade das culturas. O feijão-frade (Vigna unguiculata L. Walp) é uma cultura de Primavera/Verão considerada muito versátil devido à sua capacidade de tolerar elevadas temperaturas e défice hídrico, tendo ainda a capacidade de fixar azoto atmosférico através da simbiose com bactérias Rhizobium. Como todas as leguminosas de grão, o feijãofrade possui um elevado valor nutritivo, em particular um alto teor em proteína, tornando-a assim importante na segurança alimentar global. O principal objetivo da tese é desenvolver estudos que venham a contribuir para uma maior produção de feijão-frade na Europa tendo em consideração as futuras alterações climáticas. Para atingir este objetivo desenvolveram-se estudos integrados que envolveram ensaios de campo e abordagens de genética molecular, de fisiologia e de bioquímica. Em relação à diversidade genética, foi realizada uma caracterização morfológica e agronómica de um conjunto de 24 genótipos de feijão-frade, da Península Ibérica, onde ficou evidenciada a elevada diversidade entre genótipos. Desta caracterização foram selecionados, com base em características morfológicas e agronómicas, os 10 genótipos mais promissores para ensaios comparativos que foram instalados, em três ambientes diferentes (dois em Portugal e um em Espanha), durante dois anos consecutivos. Este estudo revelou uma elevada interação entre genótipo e ambiente, verificando-se que Elvas (Portugal) é o ambiente mais adequado para a produção desta leguminosa. O recém-desenvolvido Cowpea iSelect Consortium Array (Illumina, Inc.) veio permitir uma avaliação mais precisa e pormenorizada da diversidade genética existente no feijão-frade. Esta metodologia, que contém 51.128 SNPs, foi utilizada em 96 genótipos de feijão-frade sendo 43 provenientes da Península Ibérica e os restantes de 22 países de todo mundo. Este conjunto de genótipos foram agrupado em quatro subpopulações diferenciadas principalmente pela sua origem geográfica. A maioria dos genótipos de feijãofrade da Península Ibérica foram agrupados numa única subpopulação juntamente com os de outros países do sul da Europa e do norte de África, indicando uma semelhança genética entre eles. Contudo, dois genótipos da Península Ibérica foram classificados como "admixed" e um terceiro pertencente a outra subpopulação. Estes genótipos podem ser considerados interessantes fontes de diversidade para futuros programas de melhoramento de plantas. Os dados agora obtidos com os SNPs conduziram ainda a novas indicações sobre as possíveis rotas de dispersão do feijão-frade cultivado. Para obter novos dados sobre as respostas do feijão-frade ao stresse hídrico foram analisadas diferentes metodologias para a seleção de genótipos de feijão-frade com maior tolerância à seca. Quatro genótipos de feijão-frade (dois portugueses e duas referências internacionais) foram submetidos a três regimes de rega durante 15 dias e o comportamento das plantas estudado a nível fisiológico, bioquímico e molecular. A condutância estomática, o conteúdo de prolina livre e de antocianinas foram as determinações mais eficazes na discriminação dos níveis de tolerância das plantas à seca. Para além disso, foi possível identificar os genes VuCPRD14 e VuHsp17.7 como sendo os que revelam maior expressão em condições de stresse hídrico. De forma a selecionar os genótipos de feijão-frade mais tolerantes à seca, uma coleção mundial de feijão-frade (58 genótipos) foi avaliada ao nível da germinação das sementes, emergência de plântulas e conteúdo de prolina livre sob diferentes potenciais osmóticos. Sete genótipos foram considerados tolerantes à seca podendo assim vir a ser incluídos em programas de melhoramento. Esta tese pretendeu oferecer uma contribuição para o aumento da produção de feijãofrade na Europa, para o qual a seleção de genótipos mais produtivos e tolerantes à seca foi o primeiro passo. Os genótipos selecionados podem vir a ser integrados em programas de melhoramento de forma a aumentar a resiliência do feijão-frade às alterações climáticas. Para além disso, disponibilizaram-se metodologias que permitem de uma forma expedita identificar os genótipos com maior tolerância à seca.
As alterações climáticas são consideradas uma das principais ameaças à sustentabilidade da agricultura e à biodiversidade global, sendo o stresse abiótico um dos seus maiores constrangimentos. A seca é um dos stresses ambientais mais severo e com um grande impacto no desenvolvimento e produtividade das plantas. A utilização e melhoramento de culturas com capacidade de mitigar os efeitos da seca assumem cada vez mais um papel relevante para o aumento da sustentabilidade das culturas. O feijão-frade (Vigna unguiculata L. Walp) é uma cultura de Primavera/Verão considerada muito versátil devido à sua capacidade de tolerar elevadas temperaturas e défice hídrico, tendo ainda a capacidade de fixar azoto atmosférico através da simbiose com bactérias Rhizobium. Como todas as leguminosas de grão, o feijãofrade possui um elevado valor nutritivo, em particular um alto teor em proteína, tornando-a assim importante na segurança alimentar global. O principal objetivo da tese é desenvolver estudos que venham a contribuir para uma maior produção de feijão-frade na Europa tendo em consideração as futuras alterações climáticas. Para atingir este objetivo desenvolveram-se estudos integrados que envolveram ensaios de campo e abordagens de genética molecular, de fisiologia e de bioquímica. Em relação à diversidade genética, foi realizada uma caracterização morfológica e agronómica de um conjunto de 24 genótipos de feijão-frade, da Península Ibérica, onde ficou evidenciada a elevada diversidade entre genótipos. Desta caracterização foram selecionados, com base em características morfológicas e agronómicas, os 10 genótipos mais promissores para ensaios comparativos que foram instalados, em três ambientes diferentes (dois em Portugal e um em Espanha), durante dois anos consecutivos. Este estudo revelou uma elevada interação entre genótipo e ambiente, verificando-se que Elvas (Portugal) é o ambiente mais adequado para a produção desta leguminosa. O recém-desenvolvido Cowpea iSelect Consortium Array (Illumina, Inc.) veio permitir uma avaliação mais precisa e pormenorizada da diversidade genética existente no feijão-frade. Esta metodologia, que contém 51.128 SNPs, foi utilizada em 96 genótipos de feijão-frade sendo 43 provenientes da Península Ibérica e os restantes de 22 países de todo mundo. Este conjunto de genótipos foram agrupado em quatro subpopulações diferenciadas principalmente pela sua origem geográfica. A maioria dos genótipos de feijãofrade da Península Ibérica foram agrupados numa única subpopulação juntamente com os de outros países do sul da Europa e do norte de África, indicando uma semelhança genética entre eles. Contudo, dois genótipos da Península Ibérica foram classificados como "admixed" e um terceiro pertencente a outra subpopulação. Estes genótipos podem ser considerados interessantes fontes de diversidade para futuros programas de melhoramento de plantas. Os dados agora obtidos com os SNPs conduziram ainda a novas indicações sobre as possíveis rotas de dispersão do feijão-frade cultivado. Para obter novos dados sobre as respostas do feijão-frade ao stresse hídrico foram analisadas diferentes metodologias para a seleção de genótipos de feijão-frade com maior tolerância à seca. Quatro genótipos de feijão-frade (dois portugueses e duas referências internacionais) foram submetidos a três regimes de rega durante 15 dias e o comportamento das plantas estudado a nível fisiológico, bioquímico e molecular. A condutância estomática, o conteúdo de prolina livre e de antocianinas foram as determinações mais eficazes na discriminação dos níveis de tolerância das plantas à seca. Para além disso, foi possível identificar os genes VuCPRD14 e VuHsp17.7 como sendo os que revelam maior expressão em condições de stresse hídrico. De forma a selecionar os genótipos de feijão-frade mais tolerantes à seca, uma coleção mundial de feijão-frade (58 genótipos) foi avaliada ao nível da germinação das sementes, emergência de plântulas e conteúdo de prolina livre sob diferentes potenciais osmóticos. Sete genótipos foram considerados tolerantes à seca podendo assim vir a ser incluídos em programas de melhoramento. Esta tese pretendeu oferecer uma contribuição para o aumento da produção de feijãofrade na Europa, para o qual a seleção de genótipos mais produtivos e tolerantes à seca foi o primeiro passo. Os genótipos selecionados podem vir a ser integrados em programas de melhoramento de forma a aumentar a resiliência do feijão-frade às alterações climáticas. Para além disso, disponibilizaram-se metodologias que permitem de uma forma expedita identificar os genótipos com maior tolerância à seca.
Descrição
Doctoral Degree in Agricultural Production Chains - From Fork to Farm
Palavras-chave
cowpea genotypes , morphological and agronomical traits , SNP markers , drought stress , screening methods