Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/2067/2847
Title: Environmental and genetic influences on growth characteristics in a full sib family of Populus nigra
Other Titles: Influenze ambientali e genetiche su caratteri di crescita di una famiglia full sib di Populus nigra
Authors: Ludovisi, Riccardo
Keywords: Populus nigra;Aboveground biomass production;Bud flush;G×E interaction;QTLs;Produzione di biomassa epigea;Interazione G×E;AGR/05
Issue Date: 24-Jun-2014
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 26. ciclo
Abstract: 
Growth related traits in trees are fundamental components of survival and productivity in natural and planted forests. This wide category of traits refers to many attributes, such as aboveground biomass production and spring bud phenology. Wood trees provide a sustainable source of carbon-neutral bioenergy, and plant phenology represents a serious ecological and evolutionary trade-off between survival and growth. Aboveground biomass production and allocation are the result by interaction among climate condition, genetics variance and silvicultural management. Phenology is responsive to global warming, especially spring bud flush that is predominantly controlled by temperature. The aim of this study was to improve the knowledge of genetic basis and environmental influence related to: (i) biometric traits and biomass production; (ii) bud flush dynamics focusing on the influence of temperature on this process. A Populus nigra full-sib family (POP5) originating from a controlled cross between parental genotypes from contrasting climate was studied at different locations and in different growing seasons. Different linear regression models, based on biometric traits, were developed to estimate biomass yield for each environment. Model accuracy was very high and has been possible to standardize estimation models between growing seasons in the same location. High phenotypic variance was observed in the trials, in particular among plantations with different age root system. Northern parent “58-861” shown greater adaptability and productivity (11.6 t ha-1 year-1) compared to the southern parent “Poli” (3.4 t ha-1 year-1). Mean POP5 productivity was 11.3 t ha-1 year-1. Very low values of heritability (H2<0.25) were observed for the different biometric and biomass traits in the trials. The relative importance of environment, genotype and genotype × environment (G×E) interaction effects on total phenotypic variation of growth traits was estimated. Significant G×E interaction was observed for sites characterized by lack of coppicing at the end of first growing season. A large number of QTLs, 41 on paternal map and 44 on maternal map were found, corresponding to 11 and 8 genomic regions, respectively. QTLs were characterized by small or modest effect (average PVE=6%). Four common molecular markers (ORPM_127, PMGC_2839, PMGC_2423, PMGC_520) were found between maternal and paternal maps on four different linkage groups (LG IV, V, VI, XV). On LG XIX, five QTLs were found for height using multi-environment analyses. A protocol was developed for black poplar (P. nigra) to dissect the bud burst spring phenology in different stages, from the swelling of the buds to the complete leaf formation, passing through three intermediate phases. Cumulative average temperature above 10°C (CAT10) and cumulative minimum temperature below 5°C (CMT5) were used to describe phenotypic and genetic variance of the bud flush stages. Two growing seasons were compared in the site of Viterbo. Both growing seasons showed similar CAT10 values for the initial stage of bud flush, despite seven days of difference for the bud flush initiation observed between the years. Southern parent was more sensible to temperature variation than the northern parent. Greater fluctuations in temperatures increased the extent of phenotypic variance among genotypes during the process than stable temperatures. Moderate to low values of heritability (H2<0.50) were observed for the different stages in the two years. No significant G×E interaction was observed. A large number of QTLs, 28 on paternal map and 26 on maternal map, were found, corresponding to 9 genomic regions for each parent. QTLs were characterized by small or modest effect (average PVE=6.7%), without common genomic regions between parental maps. These results highlight the complex nature of the traits involved in woody biomass determination and during bud flush and leaf elongation process.

I caratteri legati alla crescita delle piante sono componenti fondamentali della sopravvivenza e della produttività in foreste naturali e piantagioni. Tra questi caratteri rientrano la produzione di biomassa epigea e la fenologia primaverile delle gemme. Gli alberi forniscono una fonte di energia rinnovabile a bilancio zero di carbonio, e la fenologia rappresenta un importante compromesso ecologico ed evolutivo tra sopravvivenza e crescita. La quantità di biomassa epigea prodotta e la sua allocazione sono il risultato dell’interazione tra condizioni climatiche, variabilità genetica e pratiche selvicolturali. La fenologia è influenzabile dal riscaldamento globale, in particolar modo quella primaverile, il “bud flush”, che è principalmente controllato dalla temperatura. L’obiettivo di questo studio è stato migliorare la conoscenza delle basi genetiche e dell’influenza ambientale relativamente a: (i) caratteri biometrici e produzione di biomassa; (ii) dinamica del bud flush, focalizzandosi sull’influenza delle temperature su questo processo. Una famiglia full-sib di Populus nigra (POP5), originata da un incrocio controllato tra parentali di diversa provenienza, è stata studiata in differenti località e stagioni di crescita. Diversi modelli di regressione lineare, basati su caratteri biometrici, sono stati sviluppati per stimare la biomassa prodotta in ogni ambiente. I modelli sono risultati essere molto accurati ed è stato possibile standardizzare le equazioni di stima tra diverse stagioni di crescita nello stesso sito. Una elevata variabilità fenotipica è stata osservata tra le sperimentazioni, in particolare tra piantagioni con diversa età dell’apparato radicale. Il parentale settentrionale “58-861” ha mostrato maggior adattabilità e produttività (11.6 t ha-1 anno-1) del parentale meridionale “Poli” (3.4 t ha-1 anno -1). La produttività media di POP5 è stata di 11.3 t ha-1 anno-1. Valori molto bassi di ereditabilità (H2<0.25) sono stati osservati per i diversi caratteri biometrici e di biomassa nelle sperimentazioni. È stata stimata l’importanza relativa degli effetti dell’ambiente, del genotipo e dell’interazione tra genotipo ed ambiente (G×E), rispetto alla variabilità fenotipica totale. Una significativa interazione G×E è stata osservata per i siti caratterizzati dalla mancanza di ceduazione al termine della prima stagione di crescita. Un elevato numero di QTLs (41 e 44, rispettivamente sulla mappa paterna e materna) sono stati trovati, concentrati in 11 e 8 regioni genomiche. I QTL hanno mostrato un effetto basso o modesto (in media PVE=6%). Quattro marcatori molecolari (ORPM_127, PMGC_2839, PMGC_2423, PMGC_520) sono stati trovati in comune tra le mappa materna e paterna, su quattro differenti gruppi linkage (LG IV, V, VI, XV). Sul LG XIX, sono stati trovati cinque QTL per l’altezza, ottenuti da ogni analisi multi - ambiente. Un protocollo di analisi è stato sviluppato per pioppo nero (P. nigra) al fine di dissezionare la fenologia di entrata in vegetazione primaverile della gemma in diverse fasi, dal rigonfiamento delle gemme sino alla completa formazione delle foglie, passando attraverso tre fasi intermedie. La cumulata della temperatura media al di sopra dei 10°C (CAT10) e la cumulata della temperatura minima al di sotto dei 5°C (CMT5) sono state utilizzate per descrivere la variabilità fenotipica e genetica delle fasi. Nello stesso sito, due stagioni di crescita sono state raffrontate. Entrambe le stagioni di crescita hanno mostrato valori simili di CAT10 per la fase iniziale del bud flush, nonostante sette giorni di differenza di entrata in vegetazione osservati tra i due anni. Rispetto al parentale settentrionale, quello meridionale è stato più sensibile alle variazioni di temperatura. L’entità della variabilità fenotipica tra genotipi, durante il processo, è risultata essere superiore in condizioni di marcate oscillazioni di temperatura piuttosto che di stabilità di quest’ultima. Nei due anni, per le diverse fasi sono stati osservati valori di ereditabilità da moderata a bassa (H2<0.50). Non è stata osservata nessuna interazione G×E significativa. Sono stati trovati un elevato numero di QTLs (28 e 26, rispettivamente sulla mappa paterna e materna), concentrati in 9 regioni genomiche per ogni parentale. I QTL hanno mostrato un effetto basso o modesto (in media PVE=6.7%), senza regioni genomiche in comune tra le mappe dei parentali. Questi risultati evidenziano la natura complessa dei caratteri coinvolti nella determinazione della biomassa legnosa e durante il processo di apertura della gemma e formazione della foglia.
Description: 
Dottorato di ricerca in Ecologia forestale
URI: http://hdl.handle.net/2067/2847
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