INCDA Fundulea

Proiecte de cercetare

(english version)

Proiect Bilateral România-Bulgaria
Nr. 29/09.06.2008

Titlul proiectului: Accelerarea progresului genetic pentru rezistenţa grâului  la secetă, utilizând markeri moleculari

Anul finalizării: 2009

Durata proiectului: 1 an şi 6 luni

Valoare contract: 107000 planificat/ 87831 realizat lei

Partener român: Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare Agricolă, Fundulea

Director de proiect: Matilda Ciucă, e-mail: mcincda@gmail.com

Partener străin: AgroBioInstitut (ABI) Sofia-Bulgaria

Obiective generale:

*Protocol de selecţie a genotipurilor rezistente la secetă.

*Accelerarea progresului genetic în ameliorare a noi soiuri de grâu cu rezistenţa la secetă printr-o bună capacitate de osmoreglare, în contextul schimbărilor climatice.

Descrierea ştiinţifică şi tehnică a rezultatelor:

Stresul hidric a devenit principalul factor limitativ al producţiei de grâu în România şi Bulgaria. Recenţii ani secetoşi, ca  2001, 2003 şi 2007, au avut un impact sever asupra producţiei de grâu şi economiei în ambele ţări.
Mai multe studii cu privire la schimbările climatice şi influenţa lor asupra agriculturii şi altor domenii ale economiei au fost publicate recent, la nivel internaţional. Rapoartele Panelului Interguvernamental pentru Schimbările Climatice (Intergovernmental Panel for Climate Changes-IPCC) şi cele ale Comisiei Europene pentru Mediu Inconjurător sintetizează concluzii ale acestor studii. Conform raportului IPCC din februarie 2007-Paris, la nivel global, se aşteaptă până în 2100 o creştere medie a temperaturii cu 4,3 până la 6,3°C.
Agricultura şi biodiversitatea sunt cele mai vulnerabile la efectele schimbărilor climatice. Pe plan social, seceta generează sarăcie, in special în mediu rural.
Imbunătăţirea adaptării la stres prin ameliorarea plantelor reprezintă o abordare promiţătoare a reducerii impactului schimbărilor climatice.
Utilizând tehnicile convenţionale, amelioratorii au realizat o îmbunătăţire genetică a adaptării la stresul hidric pe baza selecţiei pentru stabilitatea producţiei. Dar un astfel de program de ameliorare este încetinitor în atingerea progresului genetic. O alternativă pentru îmbunătăţirea producţiei în condiţii limitate de apă o constituie identificarea caracterelor secundare implicate în  rezistenţa la secetă şi selecţia pentru aceste caractere. Printre caracterele secundare ce contribuie la rezistenţa grâului la secetă se numără reglajul osmotic, stabilitatea membranelor celulare, reducerea transpiraţiei cuticulare, etc. (Blum, 2005), dar fenotipic selecţia pentru aceste caractere este dificilă şi laborioasă. Din aceste motive accelerarea progresului genetic pentru rezistenţa grâului la secetă, prin utilizarea selecţiei caracterelor secundare, este limitată. Insă, aceste limitări pot fi depăşite utilizând tehnologia markerilor moleculari, conducând la posibilitatea selecţiei indirecte pentru aceste caractere prin strategia selecţiei asistată de markeri.
Identificarea de markeri SSR (Ciuca şi Petcu, 2009) asociaţi cu stabilitatea membranelor  celulare la grâu în condiţii de stres hidric conduce la utilizarea acestora pentru creşterea numărului de descendenţe cu performanţe mai bune în condiţii de stres hidric. Localizarea acestor markeri pe cromozomul 7A, apropiaţi de locusul genei „or”  ce controlează osmoreglarea (Morgan şi Tan, 1996) şi asocierea găsită de Bănică şi colab. (2008), dintre stabilitatea membranelor celulare şi diferenţele genetice în capacitatea de reglaj osmotic exprimate la nivelul grăunciorilor de polen sugerează că aceşti  markeri pot fi asociaţi cu gena „or”.
Rezultatele analizelor cu markerii moleculari, wmc603 şi barc108, efectuate pe 89 de linii şi trei soiuri de grâu de toamnă româneşti şi 13 linii şi soiuri de grâu de toamnă şi durum, bulgare, folosind soiul Izvor drept martor pozitiv (caracterizat anterior ca fiind rezistent la secetă), au evidenţiat 31 de linii homozigote şi două heterozigote cu profil electroforetic similar cu cel al soiului Izvor, în cazul markerului wmc603 şi doar 28 de linii homozigote cu două linii heterozigote (dar diferite decât cele obţinute cu markerul wmc603) cu profil electroforetic similar cu cel al soiului Izvor cât şi într-o linie de grâu durum bulgăresc (Tabel 1).

Tabel 1. Genealogia liniilor de grâu cu profil electroforetic similar cu cel al soiului Izvor

Nr.	Numele combinaţiei hibride	Genealogia	Număr de linii cu profil electroforetic similar cu cel al soiului Izvor
1	F02065G	IZVOR/95272G1-11	1
2	F04825G	IZVOR7/LIMAN	1
3	F04826G	IZVOR7/00099GP2	1
4	F05036G	IZVOR/00099GP2	3
5	F05037G	IZVOR/ 00143GP1	2
6	F05248G	GLOSA/IZVOR	5
7	F05256G	GRUIA/IZVOR	1
8	F05418G	99654GP2/IZA//IZVOR	1
9	F05443G	BOEMA/2*IZVOR	1
10	F05503G	IZVOR/LIMAN//IZVOR	2
11	F05511G	IZVOR/99654GP2//IZVOR	2
12	F06387G	LIMAN/00099GP2//LIMAN/IZVOR	2
13	F06389G	LIMAN/2*IZVOR	3

Observaţiile efectuate în câmp cu privire la raspunsul liniilor româneşti de grâu la secetă în condiţiile anului 2009, confirmă o bună comportare la secetă a liniilor de grâu ce prezintă prezenţa celor doi markeri (wmc603 şi barc108).
Două genotipuri de grâu durum din Bulgaria- Gergana şi Apullicum caracterizate fenotipic (în câmp, în condiţiile din România) ca sensibil la secetă şi respectiv ca rezistent la secetă, prin testarea cu markerii wmc603 şi barc108 au prezentat profile electroforetice diferite de cel al soiului Izvor. Acest lucru sugerează că alte alele de la locusul markerilor ar putea fi asociate cu un raspuns mai bun la secetă sau că alte mecanisme pentru rezistenţă la secetă sunt prezente în genotipul Apullicum.

Concluzii:

*Selecţia asistată de markerii wmc603 şi barc108 poate fi folositoare în identificarea segreganţilor ce moştenesc din soiul Izvor o regiune de pe cromozomul 7A, purtătoare de genă/gene care îmbunătăţesc răspunsul la stresul hidric;

*Diferitele alele de la nivelul locilor markerilor pot fi asociate cu îmbunătăţirea rezistenţei la secetă într-o germoplasmă diferită de grâu.

  
Rezultatele deschid perspective de accelerare a progresului genetic în ameliorarea grâului pentru rezistenţă la secetă şi prin urmare obţinerea de noi varietăţi de grâu româneşti şi bulgare rezistente la secetă, implicit obţinerea de producţii de grâu în anii secetoşi. Acesta fiind  cel mai important avantaj scontat cu implicaţie socială şi economică.

Bibliografie

Bănică, C., Petcu E., Giura A., Săulescu N. N. 2008. Relationship between genetic differences in the capacity of osmotic adjustment and other physiological measures of drought resistance in winter wheat (Triticum aestivum L.). Romanian Agricultural Research, 25:7-12.

Blum, A. 2005. Drought resistance, water-use efficiency, and yield potential—are they compatible, dissonant, or mutually exclusive? Australian Journal of Agricultural Research, 56, 1159–1168.

Ciuca, M. and Petcu E. 2009. SSR markers associated with membrane stability in wheat (Triticum aestivum L.) Romanian Agricultural Research, 26:21-24.

Morgan, J. M. And Tan, M. K., 1996. Chromosomal location of a wheat osmoregulation gene using RFLP analysis. Australian Journal of Plant Physiology, 23:803-806.

 

Posibilităţi de valorificare a rezultatelor obţinute: articole publicate

Amalia Neacşu, Gabriela Serban, Constantina Bănică, Nicolae N. Săulescu. 2009. Possibilities of breeding wheat combining high osmotic adjusment capacity and suitable breadmaking quality. Romanian Agricultural Research, 26:9-12.

Matilda Ciucă, Elena Todorvska, Stanislav Kolev, Roxana Nicolae, Ionica Guinea, Nicolae Saulescu. 2009. Marker – assisted selection (MAS) for drought tolerance in wheat using markers associated with membrane stability. Analele Institutului Naţional de Cercetare-Dezvoltare Agricolă Fundulea (in press).

 

Lucrare de licenţă- susţinere 2010- Analize moleculare (markeri ADN) asociate cu stabilitatea membranelor celulare la grâu- studentă –Nicolae Roxana.

 

 

 

 

 

 

Bilateral Project Romania – Bulgaria
Nr. 29/09.06.2008

Project Title: Accelerating genetic progress for drought resistance in wheat, using molecular markers

Speciality committee of Advisory College for RDI: Committee for Agriculture and Food

Financial support: 87831lei from buget

Program Capacities: III. Bilateral Project Romania – Bulgaria.

Romanian Partner: National Agricultural Research and Development Institute Fundulea

Forein Partner: BULGARIAN AgroBioInstitute

Project Manager: Matilda Ciuca, e-mail: mcincda@gmail.com

Objectives:

*Recommendation of a selection protocol for drought resistance, based on use of molecular markers for osmotic regulation;

*Accelerate genetic progress for drought resistance in wheat, by providing to the breeders molecular tools for selecting more resistant future varieties.

Description of the project and results

Water stress has become the main limiting factor of wheat yields in Romania and Bulgaria.  Recent dry years, like 2001, 2003 and 2007 have had a serious impact on both countries wheat production and economy.
Many studies regarding climate changes and their foreseen influence on agriculture and other domains of the economy have been published recently at international level. The reports of the Intergovernmental Panel for Climate Changes (IPCC) and of the European Commission for Environment synthesize a part of these studies conclusions. According to the report of the IPCC working group 1, from February 2007 in Paris, globally, an average temperature increase of 4.3 to 6,3°C is expected until 2100.
Agriculture and biodiversity are the most vulnerable to the effects of climate changes. Socially, drought generates poverty, especially in rural populations.
Better adaptation to stresses through plant breeding is regarded as one of promising approaches to reduce the impact of climate changes.
Using the conventional approach, breeders achieved significant genetic improvement of adaptation to drought by selecting for yield stability. But such selection programs are slow in attaining progress. One alternative for yield improvements in water limited environments could be to identify secondary traits contributing to drought resistance and selecting for those traits in a breeding program. Among the secondary traits that contribute to drought resistance in wheat are osmotic adjustment (OA), membrane stability, reduced cuticular transpiration, improved stomatal conductance, stem reserve mobilisation etc (Blum, 2005), but phenotypic selection for these traits is difficult and labour intensive. For these reasons acceleration of genetic progress for drought resistance by using selection for contributing secondary traits is limited. These limitations could be overtaken using molecular markers technology, leading to the possibility of indirect selection for these secondary traits by marker-assisted selection (MAS) strategy.
Ciuca and Petcu. (2009) found SSR molecular markers weakly but significantly associated with cell membrane stability after water stress, in wheat, and can be used for increasing the frequency of progenies with better performance under drought conditions.
The location of these markers on chromosome 7A, close to the location of the „or” gene controlling osmotic adjustment (Morgan and Tan, 1996) and the association found by Banică et al. (2008)  between membrane stability and genetic differences in the capacity of osmotic adjustment expressed in pollen grains, suggest that the markers might be associated with the “or” gene.
Eighty nine winter wheat lines and three cultivars from Romania and thirteen winter wheat lines and cultivars from Bulgaria were analyzed. These included the Romanian cultivar Izvor, described as having superior yield stability due to its drought resistance (Mustatea et al. 2009) and characterized for membrane stability and osmotic adjustment through grain pollen test by immersion in PEG solution (Banica et al. 2008).
Our analysis with marker wmc603 distinguished 31 homozygous and two heterozygous wheat lines with electrophoresis profile similar with Izvor. Profile DNA amplification with barc108 showed only 28 homozygous and two heterozygote (but not the same as those obtained with wmc603) wheat lines with electrophoresis profile similar with Izvor profile. Profiles similar with Izvor for both wmc603 and barc108 markers were found in 25 Romanian common wheat lines selected from 13 hybrid combinations involving Izvor as one of the parents (Table 1) and in one Bulgarian durum line.

Table1. Genealogy of wheat lines with electrophoresis profiles similar with Izvor

Nr.	Name of the hybrid combination	Genealogy	Number of lines with electrophoresis profiles similar with Izvor
1	F02065G	IZVOR/95272G1-11	1
2	F04825G	IZVOR7/LIMAN	1
3	F04826G	IZVOR7/00099GP2	1
4	F05036G	IZVOR/00099GP2	3
5	F05037G	IZVOR/ 00143GP1	2
6	F05248G	GLOSA/IZVOR	5
7	F05256G	GRUIA/IZVOR	1
8	F05418G	99654GP2/IZA//IZVOR	1
9	F05443G	BOEMA/2*IZVOR	1
10	F05503G	IZVOR/LIMAN//IZVOR	2
11	F05511G	IZVOR/99654GP2//IZVOR	2
12	F06387G	LIMAN/00099GP2//LIMAN/IZVOR	2
13	F06389G	LIMAN/2*IZVOR	3

Visual field observations on drought response of the Romanian wheat lines during the relatively mild drought of 2009, confirmed a relatively good behaviour of the lines carrying both markers.
Two Bulgarian durum wheat cultivars (Triticum durum): Gergana and Apullicum were previously characterized as drought susceptible and drought resistant respectively. When tested with markers wmc603 and barc108, neither of these cultivars had electrophoresis profiles similar to Izvor. However, the electrophoresis profiles of these genotypes were different. This suggests that other alleles at the marker loci might also be associated with a better response to drought, or that other mechanisms for resistance to drought are present in Apullicum.

 

Conclusions:

* Selection assisted by SSR markers wmc603 and barc108 could be useful in identifying segregants that inherited from the drought resistant cultivar Izvor a region of the 7A chromosome carrying gene(s) which improve the response to water stress.

* Different alleles at the marker loci might be associated with improved drought resistance in different wheat germplasm.

References

Bănică, C., Petcu E., Giura A., Săulescu N. N. 2008. Relationship between genetic differences in the capacity of osmotic adjustment and other physiological measures of drought resistance in winter wheat (Triticum aestivum L.). Romanian Agricultural Research, 25:7-12.

Blum, A. 2005. Drought resistance, water-use efficiency, and yield potential—are they compatible, dissonant, or mutually exclusive? Australian Journal of Agricultural Research, 56, 1159–1168.

Ciuca, M. and Petcu E. 2009. SSR markers associated with membrane stability in wheat (Triticum aestivum L.) Romanian Agricultural Research, 26:21-24.

Morgan, J. M. And Tan, M. K., 1996. Chromosomal location of a wheat osmoregulation gene using RFLP analysis. Australian Journal of Plant Physiology, 23:803-806.

Mustăţea, P., Săulescu N.N., Ittu G., Păunescu G., Voinea L., Stere I., Mîrlogeanu S., Constantinescu E. and Năstase D. 2009. Grain yield and yield stability of winter wheat cultivars in contrasting weather conditions. Romanian Agricultural Research, 26:1-8.

Articles:

Amalia Neacşu, Gabriela Serban, Constantina Bănică, Nicolae N. Săulescu. 2009. Possibilities of breeding wheat combining high osmotic adjusment capacity and suitable breadmaking quality. Romanian Agricultural Research, 26:9-12.

Matilda Ciucă, Elena Todorvska, Stanislav Kolev, Roxana Nicolae, Ionica Guinea, Nicolae Saulescu. 2009. Marker – assisted selection (MAS) for drought tolerance in wheat using markers associated with membrane stability. Analele Institutului Naţional de Cercetare-Dezvoltare Agricolă Fundulea (in press).