Determinantes FisiolDeterminantes Fisiol óógicos y Gengicos y Gen ééticos del ticos del Peso de Grano en TrigoPeso de Grano en Trigo

Daniel F. Daniel F. Calderini, Carolina Lizana y Manuel MuCalderini, Carolina Lizana y Manuel MuññozozInstituto de ProducciInstituto de Produccióón y Sanidad Vegetaln y Sanidad Vegetal

Universidad Austral de ChileUniversidad Austral de Chile

Red CYTED, BalcarceRed CYTED, BalcarceAgosto 2013Agosto 2013

y = -4E-06x2 + 0.1661x – 888.6R² = 0.66

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 5000 10000 15000 20000 25000

Gra

in y

ield

(g m

-2)

Grain number (#/ m-2)

CamasParcelas

Cirno 2008(trigo duro)

Relación entre rendimiento y número de granos encultivares y líneas de CIMMYT

y = -0.0019x + 73.3R² = 0.69

0

10

20

30

40

50

60

10000 15000 20000 25000

Grain number (# m-2)

TG

W (

g)

Relación negativa entre el peso de mil granos y elnúmero de granos en cultivares y líneas de CIMMYT

Número de granos (# m-2)

Pes

o de

gra

no G

2 (m

g)

y = -0.0022x + 89.0R² = 0.62

0

10

20

30

40

50

60

70

10000 15000 20000 25000

Aún en posiciones particulares de la espiga se encontró relación negativa entre peso y

número de granos

G2 (mg)

TG

W (

g)

1:1

S Em At MPEsp Co TiempoDLIF ET

Iniciación floral

Muerte flores CuajeIniciación de hojas

Plantas por m 2 Espiguillas por espigaEspigas por planta

Granos por espiga

Peso granosGranos por m

Crecimiento espiga

Fas

esC

ompo

nent

es

del R

endi

mie

nto

2

Llenado de granosIniciación espiguillas

Llenado de grano

Iniciación de hojas

Crecimiento de tallo

Fase ReproductivaFase

vegetativa

RENDIMIENTO

Adaptado de Slafer and Rawson (1994)

Vastagos por planta (supervivencia)

Crecimiento y desarrollo

Bota

Tiempo (días después de antesis)

Pes

o de

gra

no (

mg)

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50

Tasa de llenado

Duración del llenado

Determinantes del peso de grano

Cultivares contrastantes en peso de grano

Tiempo después de antesis (°Cd Tb= 0°C )

Pes

o de

gra

no G

2 (m

g)

InventoFritz

Existe variabilidadgenética en el pesopotencial de los granosla que generalmentese explica por unamayor tasa de llenado

La tasa de llenado esexplicativa del peso degrano aún cuando semide el tiempo en días

Serrago et al. (2013) Field Crops Res.

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

0 50 100 150 200

Número de granos/Radiación durante el llenado (# MJ-1)

Cam

bio

en e

l pes

o de

gra

no(%

)

Puma 06-07Otto 06-07Quijo 06-07Puma 07-08Otto 07-08Quijo 07-08

Respuesta del peso de grano a la relación Fuente:Destino

Adaptado de Slafer y Rawson (1994)

S Em At MPEsp Co TiempoDLIF ET

Peso grano

Fas

es

Llenado de granoFase ReproductivaFase vegetativa

RENDIMIENTO

Ciclo del Cultivo de Trigo y Período de Crecimiento de Granos

Bota

La temperatura se incrementLa temperatura se incrementóó (5.5(5.5°°CC) en diferentes) en diferentesmomentos del ciclo de trigo, cebada y momentos del ciclo de trigo, cebada y triticaletriticale

S Em Antesis PMEsp Harvest

TimeDR TS Bota

B-AE-A

SE-B

Ugarte, Calderini & Slafer (2007) Field Crops Research

Efecto de la temperatura anterior a antesis sobreEfecto de la temperatura anterior a antesis sobreel peso de granoel peso de grano

Incremento tIncremento téérmico prermico pre--antesis sobre el peso de granosantesis sobre el peso de granos

Esp.-A -9%

B-A -14% -19%TrigoTrigo Enc.-B -7%

Exp. 1 Exp. 3

Esp.-A -8%

B-A -13% -21%CebadaCebada Enc.-B -8%

Esp.-A -9%

B-A -15% -23%TriticaleTriticale Enc.-B -6%

Ugarte, Calderini & Slafer (2007) Field Crops Research

Impacto de temperaturas pre- y post-antesissobre el peso de los granos de trigo

Lizana & Calderini (2013)Journal of Agricultural Science

Adaptado de Slafer y Rawson (1994)

Relación entre el peso final de grano y latemperatura durante el tratamiento

Lizana & Calderini (2013)Journal of Agricultural Science

Remoción de flores o granos en pre- y post-anthesis

G1G2

G3

Testigo

G1G2

G3

- G1 and G2

-- en espigazón

-- 7 DDA

Peso de grano G3 (mg)

Línea Pre-antesis Testigo Post-antesis

1 52,5** 46,9 47,02 72,9*** 59,5 60,83 71,2*** 62,0 59,8

Remoción de flores/granos en pre-y post-antesis

Calderini & Reynolds (2000)Australian Journal of Plant Physiology

Cultivar F:D G1 G2 G3 G4

Testigo 48.94 53.70 48.79 39.34

Rem. flores 56.37 50.89

Bacanora Densidad 57.97 62.94 56.77 50.07

10 DDA 52.59 58.73 52.44 44.16

Testigo 64.15 67.94 60.96 45.96

Kambara Rem. flores 70.37 59.27

Densidad 73.38 76.21 70.41 62.36

10 DDA 66.86 69.85 63.74 51.55

Peso de grano (mg)

Peso de grano en respuesta a tratamientosfuente-destino

- -

- -

Relación entre el peso de grano y el peso de loscarpelos florales en polinización

Rendimiento

S Em Antesis PMEsp Harvest TimeDRFI TE

Peso de GranoGranos m -2

Bota

Esta evidencias junto con otras en trigo (e.g. Wardlaw, 1994; Duggan &

Fowler, 2006; Ferrise et al., 2010) y en cultivos como cebada (Scott et al.,

1983), girasol (Cantagallo et al., 2004; Lindström et al., 2006) y sorgo (Yang et

al., 2009) muestran la importancia de la etapa inmediatamenteprevia a la antesis para la determinación del peso de grano

Adaptado de Slafer y Rawson (1994)

Peso de grano y tamaño de las estructuras floralesen sorgo

PG: 61 mg PG: 27 mg

Ovario floral

Primordio floral

Yang et al. (2009) J. Exp. Bot.

Los carpelos florales constituyen el pericarpio de los granosy el crecimiento de éste impondría un límite máximo alvolumen, y consecuentemente al peso de los granos

Peso de Grano

S Em Antesis PMEsp Harvest TimeDRFI TE Bota

Hasan et al. (2011)Field Crops Res.

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).

El numero de células se consideraun un determinante del peso de grano

pudiendo ser alternativo ocomplementario al pericarpio

Peso de Grano

S Em Antesis PMEsp Harvest TimeDRFI TE Bota

Gleadow et al. (1982)Aust. J. Plant Physiol.

Adaptado de Slafer y Rawson (1994)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50000 100000 150000 200000

Número de células endospermáticas

Pes

o de

gra

no (

mg)

Bacanora 2006/07 Huañil 2006/07

Huayún 2006/07 Huayún 2007/08

Pandora 2006/07 Pandora 2007/08

Peso de grano y número de células del endosperma

y = 96.067x + 17.696

r² = 0.91; P<0.001

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 0.2 0.4 0.6 0.8

y = 111.12x + 9.7968

r² = 0.90; p<0.001

0 0.2 0.4 0.6 0.8

y= 1.0607x + 14.601r² = 0.90; P<0.001

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 20 40 60 80

Fin

al g

rain

wei

ght(

mg)

Stabilized grain water content (mg)

y = 1.1394x + 3.2262

r² = 0.91;P<0.001

0 20 40 60 80

y= 26.051x - 123.6

r² = 0.92; P<0.0010

10

20

30

40

50

60

70

80

90

5 6 7 8

Grain length (mm)

y = 23.69x - 112.17

r² = 0.92; P<0.001

5 6 7 8

Carpel wight at anthesis (mg)

A B

C D

E F

Asociaciciónentre el peso y el largo (C, D) y el contenido

hídrico (E, F) de los granos

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60

Gra

in w

eigh

or

wat

er c

onte

nt (

mg)

days after anthesis

Phase I Phase II Phase III Phase IV

Dinámicas de agua y materia seca de los granos

DinDináámica de las dimensiones de granomica de las dimensiones de grano

PM

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50

DDíías despuas despuéés de antesiss de antesis

Dim

ensi

ones

de

gran

o (m

m)

Dim

ensi

ones

de

gran

o (m

m)

LargoAnchoAlto

Lizana et al. (2010)Journal of Experimental Botany

LargoAncho

Tiempo térmico hasta largo máximo (FGL), contenido hídrico estabilizado (SGWC) y volumen máximo (MV)

Lizana et al. (2010)Journal of Experimental Botany

El largo máximo degrano se alcanzaantes que el contenidohídrico estabilizado

El largo de grano se determina antes que el contenidohídrico máximo, el ancho y el alto

Hasan et al. (2011) Field Crops Res.

Contenido hídrico vs. Largo Ancho vs. Largo Alto vs. Largo

3 13 27 DDA

Células del pericarpio a los 3, 13 y 27 días despuésde antesis

Días después de antesis

Larg

o de

cél

ulas

del

per

icar

pio

(um

)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 20 40 60 80

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Largo de grano (mm

)

Dinámicas del largo de las células del pericarpio y el largo de grano

célulagrano

Bacanora

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

Las expansinas provocan la soltura y extensión de p aredes celulares, desestabilizando enlaces no covalentes ( enlaces hidrógeno) entre microfibrillas de celulosa y glica nos de la matriz, adheridos a las microfibrillas

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).

Lizana et al. (2010)Journal of Experimental Botany

La expresión de expansinas (especiaemente ExpA6) mostró una dinámica similar al alargamiento de los

granos

Ap

e

p

e

p

e

p

e

B

C D

in

innp np

innp np

in

Hibridización de la ExpA 6 en granos después de antesis

Lizana et al. (2010)Journal of Experimental Botany

10 días

5 días

pTaExpA 4

pTaExpA 6

pTaExpA 6-a

pTaExpA 6-b

pTaExpA 8

Bacanora (G2: 56 mg)Bacanora (G2: 56 mg) Kambara (G2: 66 mg)Kambara (G2: 66 mg)

Larg

o de

gra

no (

mm

)

Días después de antesis

Dinámica de largo de grano y expresión de ExpA 6 en G2 de dos genotipos de trigo contrastantes

Abu

ndan

cia

Larg

o de

gra

no (

mm

)

Días después de antesis (mm)

Días después de antesis (mm)4 8Invento

Fritz

Dinámica de largo de grano y expresión de ExpA 6 (qPCR) en G2 de dos genotipos de trigo contrastantes

Larg

o de

gra

no (

mm

)

Días después de antesis

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 10 20 30 40

Dinámica de alargamiento de grano en 7 genotipos de trigo

Trigo pan

Trigo fideos

Pes

o de

gra

no (

mg)

Volumen de grano (mm3)

Relación entre peso y volumen de grano en trigos diploidestetraploides y hexaploides

Número de células de la epidermis

Vol

umen

de

gran

o (m

m3 )

MON1 2x

Área celular (mm2)

El área de las células de la epidermis estuvo más relacionadacon el volumen de grano que el número de células

Días después de antesis

Abu

ndan

cia

resp

ecto

al c

alib

rado

r

Expresión de genes XTH 5 (qPCR) en el pericarpio de granosde trigos hexa y tetraploides

Los genotipos diploidesno mostraron expresiónpara estos primers

¿Genes XTH 5 de los trigos hexaploides provenientes del

genoma B?

XTH: xyloglucanosendotransglicosilasa/hidrolasa

Fritz (6x)

Corcolén (4x)

Bustos, Hasan, Reynolds & Calderini (2013) Field Crops Research

Relación entre el P1000 y el número de granos en105 líneas doble haploides (Bacanora x Weebil)

Valdivia 2009-10Valdivia 2008-09

16 t ha-1

11,3 t ha-1

6 t ha-1

A.K. Hasan (2011)PhD. thesis

Histograma del peso individual de grano (G2) medido en 105 líneas DH (Bacanora x Weebil)

Grain weight (mg)

Trait Chromosome Grain growing

condition

Closest marker

Start marker

End marker

LOD Var(%)

Grain weight

6A Pr09 wPt7127.a gwm570.b wPt9075 2.8 9.9

7Ab PD08 wPt6429 wmc083.a wPt4744 3.2 10.2

7Bb PD08 wPt2356 wPt9925 wPt2361 2.9 9.37Bb PD09 wPt8007 wPt9925 wPt2361 3.1 11.8

7Bb Po08 wPt8007 wPt9925 wPt2361 2.6 10.17Bb Po09 wPt8007 wPt9925 wPt1069 2.6 9.0

7Bb Pr08 wPt8007 wPt9925 wPt1069 3,0 11.2

7Bb Pr09 wPt8007 wPt9925 wPt1069 3.7 13.37Bb Co09 wPt8007 wPt9925 wPt1069 3.2 11.6

Grain length

1B Po08 wPt9857.a gwm413 wPt9809 3.9 10.4

1B PD08 wPt9857.a gwm413 wPt9809 3.2 9.41B Co08 gwm011 gwm413 wPt6975 3.2 8.52Ba Po09 wmc264.b wmc264.b wPt0100.b 3.8 9.6

2Bb Co08 wPt7757 wPt8569.a wPt6199 3.0 8.0

2Bb PD08 wPt7757 wPt4210 wPt6199 3.2 7.96A Pr09 wPt7127.a gwm570.b wPt7938 3.9 12.6

6A Po09 wPt7127.a gwm570.b wPt7938 5.4 14.1

7Bb Po09 wPt8007 wPt9925 wPt2361 4.2 10.57Bb Pr08 wPt8007 wPt9925 wPt2361 2.8 8.9

7Bb Co08 wPt8007 wPt9925 wPt2361 3.5 9.47Bb PD09 wPt8007 wPt9925 wPt1069 5.3 16.6

Grain volume

7Bb PD09 wPt8007 wPt9925 barc032.a 5.0 16.8

7Bb Po09 wPt8007 wPt9925 wPt2361 3.5 13.27Bb Po08 wPt8007 wPt9925 wPt2361 3.5 12.6

7Bb Pr09 wPt8007 wPt9925 wPt1069 4.5 15.07Bb Co08 wPt8007 wPt9925 wPt1069 3.3 11.1

7Bb Co09 wPt8007 wPt9925 wPt1069 3.5 14.2

7Bb Pr08 wPt8007 wPt9925 wPt1069 4.3 16.2

Análisis de QTL del G2 en 92 líneas doble haploides (Bacanora x Weebil)

A.K. Hasan (2011)Tesis doctoral

y = 0.9261x + 15.943

r² = 0.84;p<0.001

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60

80

y = 0.828x + 18.803

r² = 0.78;p<0.001

0 10 20 30 40 50 60

Grain water content (mg)

Gra

in w

eigh

t (m

g) y = 92.827x + 15.65

r² = 0.81;p<0.001

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80

y = 90.356x + 15.966

r² = 0.87;p<0.001

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80

Carpel weight at anthesis (mg)

a) b)

c) d)

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 carpelosflorales 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 contenidohídrico estabilizado

- La expresión de expansinas (ExpA 6) mostró una dinámicasimilar a la del largo de grano

- Se encontró expresión de XTH 5 durante el alargamiento degrano en genotipos hexa y tetraploides

- El análisis de QTL relacionó a varios de los caracteres mencionados con el cromosoma 7B

¡Muchas gracias!

y= -2.51X2 + 167.03x - 1257R2= 1.00; p<0.001

y= -1.95X2 + 136.73x - 817R2= 0.99; p<0.001

2008-09

Bustos et al. (2013) Field Crops Research

2009-10

Respuesta curvilínea del rendimiento al número de granos en 105 DH lines (Bacanora x Weebil)

Número de granos (103 m-2)

Ren

dim

ient

o (g

m-2

)

y= -2.51X2 + 167.03x - 1257R2= 1.00; p<0.001

y= -1.95X2 + 136.73x - 817R2= 0.99; p<0.001

2008-09

Bustos et al. (2013) Field Crops Research

2009-10

Respuesta curvilínea del rendimiento al número de granos en 105 DH lines (Bacanora x Weebil)

Número de granos (103 m-2)

Ren

dim

ient

o (g

m-2

)

El cultivo de trigo está poco limitado por la fuentede asimilados durante el llenado de granos

Borrás et al. (2004)Field Crops Research

Otras evidencias: e.g., Slafer & Savin (2004), Sarrago et al. (2013)

El incremento térmico redujo la duración de laetapa en pre- y post anteis

Lizana & Calderini (2013)Journal of Agricultural Science

Lizana et al. (2010)Journal of Experimental Botany

DinDináámicas del Granomicas del Grano