Durum wheat assesment for organic agriculture and for tolerance to drought and salinity
Author(s)
Bonfiglioli, Luca
Date Issued
March 15, 2024
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The agriculture is one of the sectors with major impact on climate change. Organic farming is considered a sustainable approach for overcoming the issues posed by intensive agricultural practices in the past years. The organic practices would also increase the economic benefits due the prohibition of agrochemicals. To maintain high yield and grain quality, the organic farming needs cultivars directly selected with organic breeding programs. The first part of this study aims to identify genotypes suitable for organic agriculture. It is focused on the screening of durum wheat genotypes in organic farming. Twenty-four genotypes with origin between Mediterranean Basin and central Europe were screened in field experiments in multi-year trials in Italy, Austria, and Hungary. In total ten environments have been evaluated. Data on morphological traits were collected and analysed to compare yield, grain quality and their stability across years and locations. Statistical analysis revealed different performance of the genotypes from the Mediterranean Basin and Central Europe. The genotypes developed in Austria and Hungary are a good resource of grain quality traits but resulted not widely adapted in the warmer environment of Italy. The analysis of stability through Weighted Average of Absolute Score (WAAS) index, which allows weighting between the performance and stability of the variety, was able to discriminate among the studied varieties.
The second part of the research aims to study the tolerance mechanisms under drought and salt stresses. The durum wheat genotypes which resulted to be the best after preliminary analysis of data of the first two years of field experiments, were stressed with water deficit (drought) or salt stress in a controlled environment. The experiments were performed with plants in sand-filled pots, and destructive analyses were carried out to investigate the epigeal part and the hypogeal part with a high-throughput phenotyping system. Moreover, molecular markers were used for a genotypic characterization. The experiments revealed that landraces could represent a great resource of desirable traits for low input environments where drought and salinization of soils can occur. In addition, it was determined that the main capability of genotypes to tolerate the drought and salt stress is related to traits such as root angle, as well as root and shoot biomass.
L'agricoltura è uno dei settori con un impatto significativo sul cambiamento climatico. L'agricoltura biologica è considerata un approccio sostenibile per superare le problematiche poste dalle pratiche agricole intensive degli ultimi anni. Le pratiche biologiche aumenterebbero anche i benefici economici grazie al non impiego di agrochimici. Per mantenere un alto rendimento e una buona qualità della granella, l'agricoltura biologica ha bisogno di cultivar selezionate direttamente in programmi di miglioramento genetico sotto regime biologico. Lo scopo della prima parte di questo studio era quello di identificare genotipi di frumento duro adatti all'agricoltura biologica. Ventiquattro genotipi di origine tra il bacino del Mediterraneo e l'Europa centrale sono stati esaminati in esperimenti in pieno campo in prove pluriennali in Italia, Austria e Ungheria. In totale sono stati esaminati dieci ambienti. I dati sui tratti morfologici sono stati raccolti ed analizzati per confrontare il rendimento, la qualità della granella e la loro stabilità nel corso degli anni e tra le diverse località. L'analisi statistica ha rivelato differenti performance dei genotipi tra il bacino del Mediterraneo e l'Europa centrale. I genotipi sviluppati in Austria e Ungheria rappresentano delle buone risorse genetiche per i tratti di qualità della granella ma non risultano ampiamente adattati all'ambiente più caldo dell'Italia. L'analisi di stabilità attraverso l'indice WAAS (Weighted Average of Absolute Score), che consente di ponderare tra la performance e la stabilità della varietà, è stata in grado di discriminare tra le varietà studiate. Lo scopo della seconda parte della ricerca è quello di studiare i meccanismi di tolleranza a stress idrico (siccità e salinità). L'esperimento è stato condotto in condizioni controllate in Italia. I genotipi che hanno mostrato i migliori risultati dopo un’analisi preliminare dei dati dei primi due anni degli esperimenti in pieno campo sono stati sottoposti a stress idrico e salino in un ambiente controllato. Gli esperimenti sono stati condotti con piante poste in vasi riempiti con sabbia e sono state eseguite analisi distruttive per valutare la parte epigea e ipogea con un sistema di fenotipizzazione ad alta risoluzione. Inoltre, sono stati utilizzati marcatori molecolari per una caratterizzazione genotipica. Gli esperimenti hanno rivelato che gli ecotipi antichi potrebbero rappresentare ancora oggi una grande risorsa di tratti desiderabili per ambienti con scarsità di elementi nutritivi in cui possono verificarsi siccità e salinizzazione del suolo. Inoltre, è stato rilevato che la capacità dei genotipi di tollerare gli stress da siccità e salinità è legata a tratti come l'angolo delle radici, e la biomassa radicale e aerea.
Additional information
Dottorato in Scienze delle Produzioni Vegetali e Animali
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