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Differential responses of historical cereal lines to water stress: phenotype and gene expression = Respuesta diferencial de líneas históricas de cereales frente al estrés hídrico: fenotipo y expresión genómica

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Universitat de Barcelona. Departament de Biologia Evolutiva, Ecologia i Ciències Ambientals

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[eng]  Future climate changes will lead to higher temperatures and shortages in the availability of water for agriculture, as well as a higher concentration of CO2 in the atmosphere, where water status and water flow through the plant may play an important role. This thesis addresses the differential response at phenotype and genomic expression level of two cereals (pearl millet and durum wheat) against water stress, acclimatization at high concentrations of CO2, and its transpiration efficiency. A collection of semi-dwarf durum wheat post-green revolution and a collection of F1 hybrids and parental lines of pearl millet bred in high and low rainfall zones were studied. Performance and biomass parameters, transpiration response, water status, hydraulic conductivity and isotope carbon composition; as well as expression at level of gene transcripts associated with stress response, primary metabolism (C and N), and aquaporins. In all cases there was genotypic variation, and the response to high CO2 concentrations did not compensate for losses caused by water stress. Transpiration response to high VPD revealed two categories of genotypes: ones that restrict water loss (bred in high rainfall areas) and genotypes that do not restrict or are not sensitive to the raise of temperature (bred in low rainfall zones). The growth of these two ideotypes was evaluated at greenhouse, hydroponic, growth platforms and at field level with two water regimes, where nonrestrictive genotypes developed higher aerial biomass and yield than the restrictive ones under optimal agronomic conditions. The restrictive group had a superior performance only under conditions of water scarcity. At the level of transcripts, the DREB genes regulated the expression of the genes of enzymes related to the N and C metabolism, dehydrins and aquaporins. The non-restrictive genotypes expressed the DREB1 gene which positively regulated the expression of Rubisco, GS1, DNH16 and TIP 1.1 involving a better re-mobilization of N by the demand of the Rubisco, the overexpression of active aquaporins and dehydrins was in agreement with its better water status in order to produce higher yield. Restrictive genotypes were regulated by DREB2 and DREB1 gene, which led to the overexpression of GS2 and Rubisco indicating a fixation of N. On the other hand the genotypes bred in zones of low rainfall increased the transpiration together with a low hydraulic conductivity, they presented greater number of xylem tubes, thinner endodermal cells, and increase PIP 2;3 aquaporin transcripts in the root; while the genotypes bred in high rainfall zones showed a completely opposite profile. In conclusion, genetic variability can affect the adaptive response to water stress and to acclimatization at high concentrations of CO2. The strategy of restricting transpiration is successful only when water availability is limited, while keeping stomata open and not restricting water loss led to higher rates of photosynthetic assimilation and better osmotic balance to produce higher yields in wetter environments. The water flow is important for the transit of nutrients, it is regulated by the hydraulic conductivity and it is finely adjusted by the aquaporins which increase the flow of water in the plant.

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[spa]  Los futuros cambios climáticos ocasionarán una subida de las temperaturas y déficit en la disponibilidad de agua para la agricultura así como mayor concentración de CO2 en la atmósfera, donde el estatus hídrico y el flujo de agua a través de la planta juegan un papel importante. Esta tesis aborda la respuesta diferencial a nivel de fenotipo y expresión genómica de dos cereales (mijo y trigo) frente al estrés hídrico, aclimatación a altas concentraciones de CO2 y su eficiencia transpirativa. Estudiamos una colección de trigo duro semi enano post-revolución verde  y una colección de híbridos F1 y parentales de mijo adaptados en zonas de alto y bajo nivel de lluvias. Se evaluaron parámetros de rendimiento y biomasa, respuesta transpirativa, estado hídrico, conductividad hidráulica y la composición isotópica del carbono; así como la expresión a nivel de transcritos de genes asociados con la respuesta a estrés, al metabolismo primario (C y N), y las aquaporinas. En todos los casos hubo variación genotípica y  la respuesta a las altas concentraciones de CO2 no compensó las pérdidas ocasionadas por el estrés hídrico. Los ensayos de respuesta transpiratoria a la alta VPD revelaron dos categorías de genotipos: genotipos que restringen la perdida de agua (mejorados en zonas de alto nivel de lluvia) y genotipos que no la restringen o no son sensibles al aumento de temperatura (mejorados en zonas de bajo nivel de lluvia). El crecimiento de estos dos ideotipos se evaluó a nivel de invernadero, hidropónico, en plataformas de crecimiento y a nivel de campo con dos regímenes hídricos, donde los genotipos no restrictivos desarrollaron mayor biomasa aérea, raíces y produjeron mayor rendimiento que los restrictivos en óptimas condiciones agronómicas; éstos últimos tuvieron un rendimiento superior solo en condiciones de estrés hídrico. A nivel de transcritos, los genes DREB regularon la expresión de los genes de enzimas relacionadas con el metabolismo de C y N, dehidrinas y acuaporinas; los genotipos no restrictivos sobreexpresaron el gen DREB1 que reguló positivamente la expresión de Rubisco, GS1, DNH16 y TIP 1.1 involucrando una mejor re-movilización del N por la demanda de la Rubisco, la sobrexpresión de acuaporinas activas y dehidrinas concordó con su mejor estado hídrico para producir mayor rendimiento.  Los  genotipos restrictivos fueron regulados por el gen DREB2 y DREB1 que dirigieron la sobreexpresión de GS2 y Rubisco indicando una fijación de N.  Por otro lado los genotipos mejorados en zonas de bajo nivel de lluvias incrementaron la transpiración junto a una baja conductividad hidráulica, presentaron mayor número de tubos de xilema, células endodérmicas más delgadas y abundantes transcritos de la acuaporina PIP 2;3 en la raíz; los genotipos mejorados en zonas de alta incidencia de lluvias mostraron un perfil totalmente opuesto. En conclusión, la variabilidad genética puede afectar la respuesta adaptativa al estrés hídrico y a la aclimatación a altas concentraciones de CO2. La estrategia de restringir la transpiración es exitosa solo cuando se limita la disponibilidad de agua, mientras que al mantener los estomas abiertos y no restringir  la pérdida de agua hay una mayor tasa de asimilación fotosintética y mejor balance osmótico para producir mayor rendimiento en ambientes más húmedos. El flujo de agua es importante para el tránsito de nutrientes, es regulado por la conductividad hidráulica y es regulado finamente por las acuaporinas  que incrementan el flujo de agua en la planta.

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Tesis Doctorals - Departament - Biologia Evolutiva, Ecologia i Ciències Ambientals

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Differential responses of historical cereal lines to water stress: phenotype and gene expression = Respuesta diferencial de líneas históricas de cereales frente al estrés hídrico: fenotipo y expresión genómica