Determinantes Fisiológicos y Genéticos del Peso de Grano en Trigo Daniel F. Calderini, Carolina Lizana y Manuel Muñoz Instituto de Producción n y Sanidad Vegetal Universidad Austral de Chile Red CYTED, Balcarce Agosto 213 Grain yield (g m -2 ) Relación entre rendimiento y número de granos en cultivares y líneas de CIMMYT 9 8 7 6 5 4 3 2 Camas Parcelas Cirno 28 (trigo duro) 1 y = -4E-6x 2 +.1661x 888.6 R² =.66 5 1 15 2 25 Grain number (#/ m -2 )
Relación negativa entre el peso de mil granos y el número de granos en cultivares y líneas de CIMMYT 6 5 TGW (g) 4 3 2 1 y = -.19x + 73.3 R² =.69 1 15 2 25 Grain number (# m -2 ) Aún en posiciones particulares de la espiga se encontró relación negativa entre peso y número de granos Peso de grano G2 (mg) 7 6 5 4 3 2 1 y = -.22x + 89. R² =.62 1 15 2 25 Número de granos (# m -2 ) TGW (g) G2 (mg) 1:1
Crecimiento y desarrollo S Em IF DL ET Bota Esp At MP Co Tiempo Iniciación de hojas Iniciación espiguillas Muerte flores Cuaje Llenado de granos Fases Fase vegetativa Iniciación floral Crecimiento espiga Crecimiento de tallo Fase Reproductiva Iniciación de hojas Llenado de grano Componentes del Rendimiento Plantas por m 2 Espiguillas por espiga Espigas por planta Vastagos por planta (supervivencia) Granos por espiga Granos por m2 RENDIMIENTO Peso granos Adaptado de Slafer and Rawson (1994) Determinantes del peso de grano Duración del llenado 6 Peso de grano (mg) 5 4 3 2 1 Tasa de llenado 1 2 3 4 5 Tiempo (días después de antesis)
Cultivares contrastantes en peso de grano Peso de grano G2 (mg) Fritz Invento La tasa de llenado es explicativa del peso de Existe variabilidad grano aún cuando se genética en el peso mide el tiempo en días potencial de los granos la que generalmente se explica por una mayor tasa de llenado Tiempo después de antesis ( Cd T b = C ) Serrago et al. (213) Field Crops Res. Respuesta del peso de grano a la relación Fuente:Destino Cambio en el peso de grano (%) 1-1 -2-3 -4-5 -6-7 Puma 6-7 Otto 6-7 Quijo 6-7 Puma 7-8 Otto 7-8 Quijo 7-8 5 1 15 2 Número de granos/radiación durante el llenado (# MJ -1 )
Ciclo del Cultivo de Trigo y Período de Crecimiento de Granos S Em IF DL ET Bota Esp At MP Co Tiempo Fases Fase vegetativa Fase Reproductiva Llenado de grano Peso grano RENDIMIENTO Adaptado de Slafer y Rawson (1994) Efecto de la temperatura anterior a antesis sobre el peso de grano La temperatura se incrementó (5.5 C) ) en diferentes momentos del ciclo de trigo, cebada y triticale S Em DR TS Bota Esp Antesis PM SE-B B-A E-A Harvest Time Ugarte, Calderini & Slafer (27) Field Crops Research
Incremento térmico t pre-antesis sobre el peso de granos Trigo Enc.-B -7% B-A -14% -19% Esp.-A -9% Exp. 1 Exp. 3 Cebada Enc.-B -8% B-A -13% -21% Esp.-A -8% Triticale Enc.-B -6% B-A -15% -23% Esp.-A -9% Ugarte, Calderini & Slafer (27) Field Crops Research Impacto de temperaturas pre- y post-antesis sobre el peso de los granos de trigo Lizana & Calderini (213) Journal of Agricultural Science Adaptado de Slafer y Rawson (1994)
Relación entre el peso final de grano y la temperatura durante el tratamiento Lizana & Calderini (213) Journal of Agricultural Science Remoción de flores o granos en pre- y post-anthesis G1 G2G3 G1 G2G3 - en espigazón - 7 DDA Testigo - G1 and G2
Remoción de flores/granos en prey post-antesis Peso de grano G3 (mg) Línea Pre-antesis Testigo Post-antesis 1 52,5** 46,9 47, 2 72,9*** 59,5 6,8 3 71,2*** 62, 59,8 Calderini & Reynolds (2) Australian Journal of Plant Physiology Peso de grano en respuesta a tratamientos fuente-destino Peso de grano (mg) Cultivar F:D G1 G2 G3 G4 Testigo 48.94 53.7 48.79 39.34 Rem. flores - - 56.37 5.89 Bacanora Densidad 57.97 62.94 56.77 5.7 1 DDA 52.59 58.73 52.44 44.16 Testigo 64.15 67.94 6.96 45.96 Kambara Rem. flores - - 7.37 59.27 Densidad 73.38 76.21 7.41 62.36 1 DDA 66.86 69.85 63.74 51.55
Relación entre el peso de grano y el peso de los carpelos florales en polinización Esta evidencias junto con otras en trigo (e.g. Wardlaw, 1994; Duggan & Fowler, 26; Ferrise et al., 21) y en cultivos como cebada (Scott et al., 1983), girasol (Cantagallo et al., 24; Lindström et al., 26) y sorgo (Yang et al., 29) muestran la importancia de la etapa inmediatamente previa a la antesis para la determinación del peso de grano S Em FI DR TE Bota Esp Antesis PM Harvest Time Granos m -2 Peso de Grano Rendimiento Adaptado de Slafer y Rawson (1994)
Peso de grano y tamaño de las estructuras florales en sorgo PG: 61 mg Ovario floral PG: 27 mg Primordio floral Yang et al. (29) J. Exp. Bot. Los carpelos florales constituyen el pericarpio de los granos y el crecimiento de éste impondría un límite máximo al volumen, y consecuentemente al peso de los granos Hasan et al. (211) Field Crops Res. S Em FI DR TE Bota Esp Antesis PM Harvest Time Peso de Grano Adaptado de Slafer y Rawson (1994)
Las células del endosperma se generan en la etapa inicial del llenado, existiendo antecedentes de asociación entre el peso final de los granos y el número de células del endosperma en cebada (Brocklehurst, 1977) y trigo (e.g. Gleadow et al., 1982). un El numero de células se considera un determinante del peso de grano pudiendo ser alternativo o complementario al pericarpio Gleadow et al. (1982) Aust. J. Plant Physiol. S Em FI DR TE Bota Esp Antesis PM Harvest Time Peso de Grano Adaptado de Slafer y Rawson (1994) Peso de grano y número de células del endosperma Peso de grano (mg) 8 7 6 5 4 3 2 1 Bacanora 26/7 Huañil 26/7 Huayún 26/7 Huayún 27/8 Pandora 26/7 Pandora 27/8 5 1 15 2 Número de células endospermáticas
Asociacición entre el peso y el largo (C, D) y el contenido hídrico (E, F) de los granos Final grain weight (mg) 9 8 7 6 A B 5 4 3 2 1 y = 96.67x + 17.696 r² =.91; P<.1 y = 111.12x + 9.7968 r² =.9; p<.1.2.4.6.8.2.4.6.8 Carpel wight at anthesis (mg) 9 8 7 C D 6 5 4 3 2 y = 23.69x - 112.17 y= 26.51x - 123.6 1 r² =.92; P<.1 r² =.92; P<.1 5 6 7 8 5 6 7 8 Grain length (mm) 9 8 E F 7 6 5 4 3 y= 1.67x + 14.61 2 r² =.9; P<.1 y = 1.1394x + 3.2262 1 r² =.91;P<.1 2 4 6 8 2 4 6 8 Stabilized grain water content (mg) Dinámicas de agua y materia seca de los granos Grain weigh or water content (mg) 6 Phase I Phase II Phase III Phase IV 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 days after anthesis
Dinámica de las dimensiones de grano Dimensiones de grano (mm) 1 8 6 4 2 PM 1 2 3 4 5 Largo Ancho Alto Largo Ancho Días después s de antesis Lizana et al. (21) Journal of Experimental Botany Tiempo térmico hasta largo máximo (FGL), contenido hídrico estabilizado (SGWC) y volumen máximo (MV) El largo máximo de grano se alcanza antes que el contenido hídrico estabilizado Lizana et al. (21) Journal of Experimental Botany
El largo de grano se determina antes que el contenido hídrico máximo, el ancho y el alto Contenido hídrico vs. Largo Ancho vs. Largo Alto vs. Largo Hasan et al. (211) Field Crops Res. Células del pericarpio a los 3, 13 y 27 días después de antesis 3 13 27 DDA
Dinámicas del largo de las células del pericarpio y el largo de grano Largo de células del pericarpio (um) 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Bacanora célula grano 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Largo de grano (mm) 2 4 6 8 Días después de antesis Las expansinas provocan la soltura y extensión de paredes celulares, desestabilizando enlaces no covalentes (enlaces hidrógeno) entre microfibrillas de celulosa y glicanos de la matriz, adheridos a las microfibrillas Las expansinas rompen las uniones entre glicanos y microfibrillas de celulosa o entre glicanos. Bajo el estrés mecánico inducido por la turgencia se produce el desplazamiento de los polímeros de la pared y un deslizamiento en los puntos de adhesión del polímero
Figure 3 Structure of the expansin gene and protein. The Arabidopsis EXPANSIN8 (AtEXP8) gene contains three exons that encode three potential domains of the protein, including the signal peptide and the N terminus of the mature protein (exon#1), the endoglucanase-like core region (exon#2), and a domain (encoded by exon#3) with some structural resemblance to microbial cellulose-binding domains (CBD). La expresión de expansinas (especiaemente ExpA6) mostró una dinámica similar al alargamiento de los granos Lizana et al. (21) Journal of Experimental Botany
Hibridización de la ExpA 6 en granos después de antesis 5 días A e in np p B e np in p 1 días C p D p np e in np e in Lizana et al. (21) Journal of Experimental Botany Dinámica de largo de grano y expresión de ExpA 6 en G2 de dos genotipos de trigo contrastantes Bacanora (G2: 56 mg) Kambara (G2: 66 mg) ptaexpa 4 ptaexpa 6 ptaexpa 6-a ptaexpa 6-b ptaexpa 8 Largo de grano (mm) Días después de antesis
Dinámica de largo de grano y expresión de ExpA 6 (qpcr) en G2 de dos genotipos de trigo contrastantes Largo de grano (mm) Fritz Invento Abundancia 4 8 Días después de antesis (mm) Días después de antesis (mm) Dinámica de alargamiento de grano en 7 genotipos de trigo Largo de grano (mm) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Trigo fideos Trigo pan 1 2 3 4 Días después de antesis
Relación entre peso y volumen de grano en trigos diploides tetraploides y hexaploides Peso de grano (mg) Volumen de grano (mm 3 ) El área de las células de la epidermis estuvo más relacionada con el volumen de grano que el número de células Volumen de grano (mm 3 ) MON1 2x Número de células de la epidermis Área celular (mm 2 )
Expresión de genes XTH 5 (qpcr) en el pericarpio de granos de trigos hexa y tetraploides Fritz (6x) Abundancia respecto al calibrador Corcolén (4x) Los genotipos diploides no mostraron expresión para estos primers Genes XTH 5 de los trigos hexaploides provenientes del genoma B? Días después de antesis XTH: xyloglucanosendotransglicosilasa/hidrolasa Relación entre el P1 y el número de granos en 15 líneas doble haploides (Bacanora x Weebil) 16 t ha -1 11,3 t ha -1 Valdivia 28-9 Valdivia 29-1 6 t ha -1 Bustos, Hasan, Reynolds & Calderini (213) Field Crops Research
Histograma del peso individual de grano (G2) medido en 15 líneas DH (Bacanora x Weebil) Grain weight (mg) A.K. Hasan (211) PhD. thesis Análisis de QTL del G2 en 92 líneas doble haploides (Bacanora x Weebil) Trait Chromosome Grain growing condition Grain weight Grain length Grain volume Closest marker Start marker End marker LOD Var (%) 6A Pr9 wpt7127.a gwm57.b wpt975 2.8 9.9 7Ab PD8 wpt6429 wmc83.a wpt4744 3.2 1.2 7Bb PD8 wpt2356 wpt9925 wpt2361 2.9 9.3 7Bb PD9 wpt87 wpt9925 wpt2361 3.1 11.8 7Bb Po8 wpt87 wpt9925 wpt2361 2.6 1.1 7Bb Po9 wpt87 wpt9925 wpt169 2.6 9. 7Bb Pr8 wpt87 wpt9925 wpt169 3, 11.2 7Bb Pr9 wpt87 wpt9925 wpt169 3.7 13.3 7Bb Co9 wpt87 wpt9925 wpt169 3.2 11.6 1B Po8 wpt9857.a gwm413 wpt989 3.9 1.4 1B PD8 wpt9857.a gwm413 wpt989 3.2 9.4 1B Co8 gwm11 gwm413 wpt6975 3.2 8.5 2Ba Po9 wmc264.b wmc264.b wpt1.b 3.8 9.6 2Bb Co8 wpt7757 wpt8569.a wpt6199 3. 8. 2Bb PD8 wpt7757 wpt421 wpt6199 3.2 7.9 6A Pr9 wpt7127.a gwm57.b wpt7938 3.9 12.6 6A Po9 wpt7127.a gwm57.b wpt7938 5.4 14.1 7Bb Po9 wpt87 wpt9925 wpt2361 4.2 1.5 7Bb Pr8 wpt87 wpt9925 wpt2361 2.8 8.9 7Bb Co8 wpt87 wpt9925 wpt2361 3.5 9.4 7Bb PD9 wpt87 wpt9925 wpt169 5.3 16.6 7Bb PD9 wpt87 wpt9925 barc32.a 5. 16.8 7Bb Po9 wpt87 wpt9925 wpt2361 3.5 13.2 7Bb Po8 wpt87 wpt9925 wpt2361 3.5 12.6 7Bb Pr9 wpt87 wpt9925 wpt169 4.5 15. 7Bb Co8 wpt87 wpt9925 wpt169 3.3 11.1 7Bb Co9 wpt87 wpt9925 wpt169 3.5 14.2 7Bb Pr8 wpt87 wpt9925 wpt169 4.3 16.2 A.K. Hasan (211) Tesis doctoral
8 7 6 a) b) 5 4 3 Grain weight (mg) 2 y = 92.827x + 15.65 y = 9.356x + 15.966 1 r² =.81;p<.1 r² =.87;p<.1..2.4.6.8..2.4.6.8 Carpel weight at anthesis (mg) 8 7 6 5 c) d) 4 3 2 y =.9261x + 15.943 1 r² =.84;p<.1 1 2 3 4 5 6 y =.828x + 18.83 r² =.78;p<.1 1 2 3 4 5 6 Grain water content (mg) 8 Conclusiones - El período inmediatamente previo a la antesis es clave para la determinación del peso potencial de grano en trigo - El peso de grano se asocia con el peso de los carpelos florales al momento de la polinización, con el largo, el contenido hídrico y el volumen de grano - El largo de grano queda definido antes que el contenido hídrico estabilizado - La expresión de expansinas (ExpA 6) mostró una dinámica similar a la del largo de grano - Se encontró expresión de XTH 5 durante el alargamiento de grano en genotipos hexa y tetraploides - El análisis de QTL relacionó a varios de los caracteres mencionados con el cromosoma 7B
Muchas gracias! Respuesta curvilínea del rendimiento al número de granos en 15 DH lines (Bacanora x Weebil) Rendimiento (g m -2 ) 28-9 y= -2.51X 2 + 167.3x - 1257 R 2 = 1.; p<.1 29-1 y= -1.95X 2 + 136.73x - 817 R 2 =.99; p<.1 Número de granos (1 3 m -2 ) Bustos et al. (213) Field Crops Research
Respuesta curvilínea del rendimiento al número de granos en 15 DH lines (Bacanora x Weebil) Rendimiento (g m -2 ) 28-9 y= -2.51X 2 + 167.3x - 1257 R 2 = 1.; p<.1 29-1 y= -1.95X 2 + 136.73x - 817 R 2 =.99; p<.1 Número de granos (1 3 m -2 ) Bustos et al. (213) Field Crops Research
El cultivo de trigo está poco limitado por la fuente de asimilados durante el llenado de granos Borrás et al. (24) Field Crops Research Otras evidencias: e.g., Slafer & Savin (24), Sarrago et al. (213) El incremento térmico redujo la duración de la etapa en pre- y post anteis Lizana & Calderini (213) Journal of Agricultural Science
Dinámicas del Grano Lizana et al. (21) Journal of Experimental Botany