Cytogenetic, physiological and agronomic characterization of wheat Thinopyrum ponticum recombinant lines carrying relevant breeding traits

Abstract

An extensive molecular, cytogenetic and agronomic study was conducted on several available durum and bread wheat-Thinopyrum ponticum recombinant lines in order to identify, characterize and pyramid useful disease resistance and yield-related genes/QTLs on 7AL arm of wheat. From crosses made between bread wheat-Th. ponticum translocation lines resistant to Fusarium Head blight (FHB) and durum and bread wheat recombinant lines already possessing the leaf rust resistance gene (Lr19), the stem rust resistance gene Sr25 and the gene responsible for endosperm yellow pigmentation (Yp), BC1 progeny have been produced and selected for presence of all the three useful genes within a single genotype. In parallel, by means of chromosome engineering methodologies, a new durum wheat interstitial recombinant, named R5-2-23, was isolated, possessing about 20% of the Th. ponticum chromatin (=7AgL) on its 7AL arm, possibly harbouring a putative yield (Yld-7AgL) QTL. While this new durum wheat-Th. ponticum recombinant will contribute to dispose of stable lines in which fractions of the large 7AgL segment, originally associated with positive effects on yield, are separately present, already the use of some such lines in extensive agronomic and physiological analyses has shed some light onto the expression of important yield-related traits associated with 7AgL genes/QTLs, In fact, from a two years experiment, which included exogenous application of abscisic acid (ABA) on the first culm and field trials for assessment of yield-related parameters on whole plants, sub-regions on 7AgL chromatin expressing different yield-contributing traits have been identified. The durum recombinant lines used, i.e. R23-1, R112-4 and R5-2-10, carrying 40%, 28% and 23% of 7AgL onto their 7AL arm, respectively, showed differential phenotypes for traits recorded on the first culm and on whole plant, such as flag leaf width, ear length, spikelet number, seed number, culm number, biomass and grain yield. Line R112-4, in particular, resulted the most promising genotype in terms of overall yield potential, showing significantly increased values for flag leaf width (+10%), total tiller number at heading (+28%), total culm number at harvest (26%) and biomass (+30%), which contributed to a significantly higher yield (+34%), at least in the more favourable conditions of 2010. Physiological assays did not show any involvement of ABA in the expression of the Yld-7AgL QTL(s). No differential, 7AgL-dependent behaviour was exhibited by the same three durum wheat recombinant lines under imposed drought.

Su diverse linee ricombinanti disponibili, di frumento duro- e tenero-Thinopyrum ponticum, è stato condotto un vasto ed approfondito studio molecolare, citogenetico ed agronomico allo scopo di identificare, caratterizzare e piramidare, sul braccio del 7AL di frumento, geni/QTL utili per la resistenza a malattie e correlati alla produttività.Dagli incroci fatti tra la linea di traslocazione di frumento tenero-Th. ponticum resistente alla fusariosi della spiga (FHB) e le linee ricombinanti di tenero e duro che già possedevano il gene Lr19 di resistenza alla ruggine bruna,il gene Sr25 di resistenza alla ruggine nera ed il gene responsabile della pigmentazione gialla dell’endosperma (Yp), è stata prodotta una progenie BC1 che poi è stata selezionata per la presenza dei tre geni utili all’interno di un singolo genotipo. In parallelo, attraverso metodologie di ingegneria cromosomica, è stato isolato un nuovo ricombinante interstiziale di frumento duro, denominato R5-2-23, che possiede circa il 20% di cromatina di Th. ponticum (=7AgL) sul proprio braccio 7AL, che probabilmente reca il presunto QTL (Yld-7AgL) di produttività. Mentre in futuro questo nuovo ricombinante di frumento duro-Th. ponticum contribuirà alla disponibilità di linee di frumento stabili in cui sono presenti separatamente porzioni dell’ampio segmento 7AgL, inizialmente associato ad effetti positivi sulla produzione; ad oggi, grazie all’uso di alcune di queste linee in approfondite analisi agronomiche e di fisiologia, si è fatta luce sull’espressione di importanti caratteri di produttività associati ai geni/QTL del 7AgL. Infatti, dall’esperimento durato due anni, che includeva applicazioni di acido abscissico (ABA) sul primo culmo e prove di campo per la valutazione dei parametri di produzione su l’intera pianta, sono state identificate delle sotto regioni di cromatina 7AgL che esprimono differenti contributi alla produzione.Le linee ricombinanti di duro utilizzate, R23-1, R112-4 e R5-2-10, che recano rispettivamente il 40%, 28% e il 23% del 7AgL sul braccio 7AL, mostravano fenotipi differenti per i caratteri rilevati sul primo culmo e sull’intera pianta, così come per la larghezza della foglia bandiera, lunghezza della spiga, numero di spighette, numero di semi, numero di culmi, biomassa e produzione di granella. La linea R112-4, in particolare, risultava il genotipo più promettente per l’ intero potenziale di produttività, mostrando significativi incrementi dei valori di larghezza della foglia (+10%), numero totale di culmi alla spigatura (+28%), numero totale di culmi alla raccolta (26%) e biomassa (+30%), che contribuivano ad un aumento significativo della resa (+25%), perlomeno nelle condizioni più favorevoli del 2010. Saggi fisiologici non hanno mostrato alcun coinvolgimento dell’ABA nell’espressione del (o dei) Yld-7AgL QTL. Nessuna delle tre linee ricombinanti di frumento duro ha mostrato differenze, dipendenti dal 7AgL, quando allevate in condizione imposte di siccità.