Phenotypic plasticity of the bud set process in a Populus nigra L. mapping pedigree and characterization of phenology in a P. nigra European association population

Abstract

Among forest trees, poplars are important components of riparian ecosystems and are now accepted by the scientific community as ideal model to study perennial plants. They offer several advantages as a model system, including rapid growth, ease of cloning, prolific sexual reproduction, small genomic size and facile transgenesis. This study has the objective to contribute to the knowledge of the genetic control of bud set (apical bud formation in the fall) in black poplar (Populus nigra). For this purpose the genetic variability and the broad-sense hereditability at individual and genotypic level, have been examined in a full-sib family (POP5) and in different european natural metapopulations of black poplar grown in a common garden experiment. In addition QTLs (Quantitative Trait Loci) analysis for the most discriminative traits of phenotypic variation in POP5 has been done using a genetic linkage map produced using 154 genotypes. The full-sib family was obtained crossing two parents selected in the germplasm collection (DISAFRI – University of Tuscia) from Italian natural populations and divergent for phenology and other adaptive traits. The full-sib family was planted in two sites in central (Viterbo 42°25’N, 12°05’E) and northern Italy (Cavallermaggiore 44°42’N, 07°40’E). The european natural populations were sampled in 4 different countries and 814 genotypes, from 14 metapopulations were planted in a common garden study in Northern Italy (Savigliano 44°36’N, 07°37’E). A randomized block design was defined for the establishment of the experimental plantations in each site. Six complete blocks were used with one replicated genotype randomly assigned to each block. The phenological study has been realized on the basis of a protocol designed to monitor six crucial phenological phases of bud set in black poplar. Data analysis have allowed to decompose the contribution of the different phases to the dynamics of bud set. Results showed that the onset of growth cessation is a quantitative trait under strong genetic control. Night length is the most important signal triggering the physiological process, but the role of other environmental factors such as temperature increase during the process. Taking advantage of two contrasting experimental sites a considerable role of GxS interactions has been found in all the different phenological phases and the low temperature seems to influence the sensitivity of some more plastic genotypes. The large number of QTLs mapped in the POP5 genetic map, each one characterized by small or modest effect, highlighted the complex nature of traits involved in the apical bud formation-maturation process.

Tra le specie forestali i pioppi risultano essere un’importante componente degli ecosistemi ripariali e sono ad oggi accettati dalla comunità scientifica come modello ideale per lo studio delle piante perenni. Per tale scopo questo genere offre molti vantaggi come il rapido accrescimento, la facilità di clonazione, la semplice riproduzione gamica, un genoma di dimensioni ridotte e un’agevole produzione di organismi transgenici. L’obiettivo di questo lavoro è contribuire alla conoscenza del controllo genetico del bud set (formazione della gemma apicale autunnale) in pioppo nero (Populus nigra L.). A tale scopo sono state esaminate la variabilità genetica e l’ereditabilità in senso lato, a livello individuale e genotipico, in una famiglia full-sib di pioppo nero (POP5) e in differenti metapopolazioni europee della medesima specie cresciute nello stesso impianto sperimentale (common garden). In POP5 sono stati inoltre mappati i QTLs (Quantitative Trait Loci) limitatamente ai caratteri maggiormente discriminanti della variabilità fenotipica sulla base di una mappa genetica prodotta utilizzando 154 genotipi. La famiglia full-sib è stata ottenuta dall’incrocio di due parentali divergenti per fenologia ed altri caratteri adattativi e selezionati in una collezione di germoplasma (DISAFRI – Università della Tuscia) composta da popolazioni naturali raccolte in Italia. La famiglia full-sib è stata piantata in due siti, rispettivamente nell’Italia centrale (Viterbo 42°25’N, 12°05’E) e settentrionale (Cavallermaggiore 44°42’N, 07°40’E). Le popolazioni europee sono state raccolte in 4 differenti Paesi e 814 genotipi, provenienti da 14 metapopolazioni, sono state piantate nello stesso sito sperimentale dell’Italia settentrionale (Savigliano 44°36’N, 07°37’E). In ciascun sito è stato definito un disegno sperimentale a blocchi randomizzati. Sono stati utilizzati sei blocchi ed una replica di ciascun genotipo è stata assegnata casualmente a ciascun blocco. Lo studio fenologico è stato condotto sulla base di un protocollo realizzato allo scopo di monitorare sei specifiche fasi fenologiche caratterizzanti il bud set in pioppo nero. L’analisi dei dati ha permesso di scomporre il contributo delle differenti fasi nella dinamica del bud set. I risultati hanno mostrato che l’innesco della cessazione dell’accrescimento è un carattere quantitativo caratterizzato da un forte controllo genetico. La lunghezza della notte risulta essere il segnale più importante nell’innesco del processo fisiologico, ma il ruolo di altri fattori ambientali come la temperatura aumenta durante il processo. Grazie alla possibilità di studiare due siti sperimentali contrastanti si è potuto constatare un ruolo considerevole dell’interazione GxS in tutte le diverse fasi fenologiche e la bassa temperatura sembra influenzare la sensibilità di alcuni genotipi più plastici. L’alto numero di QTLs mappati nella mappa genetica di POP5, ciascuno caratterizzato da un basso o modesto effetto, sottolineano la complessa natura dei caratteri coinvolti nel processo di formazione-maturazione della gemma apicale.