Phenotypic and genetic studies of waterlogging tolerance in wheat and barley

Abstract

Stress caused by waterlogging may have considerable impact on yields of wheat, barley and other crops. As climate change projections include increased precipitation in parts of the world, one can expect an increasing demand for wheat and barley varieties that are better adapted to temporary waterlogging. Research has shown that genotypes of wheat and barley tolerate waterlogging differently. Still, the progress in developing waterlogging tolerant lines has yet been limited. This thesis includes three separate studies. The overall aim has been to provide new insights that may contribute to closure of the knowledge gap related to waterlogging tolerance in wheat and barley. In paper I, the waterlogging tolerance of one wheat and one barley population was investigated in field trials. The populations displayed genetic variation for waterlogging tolerance, whereby six wheat and five barley genotypes were identified as more tolerant. Six genotypes, three sensitive and three tolerant, were selected from the wheat population for a subsequent greenhouse study (paper II). By monitoring the root and shoot growth prior to, during and after a waterlogging treatment, we could show that tolerant genotypes were characterized by developing seminal roots faster in the seedling phase and more nodal roots during the treatment. Our results also indicate that a small relative root stele size is beneficial for waterlogging tolerance. In paper III, we identified sixteen QTL on chromosome 1B, 3B, 5BL, 6AL and 7A. QTL6A.2 was highly significant for foliar chlorosis and was determined to be the most important in the study. The studies presented in this thesis highlight two main areas that are relevant to investigate further: 1) the potential of early vigor and root stele size as traits that may improve tolerance, and 2) genomic regions, particularly QTL6A.2, that are responsive to waterlogging stress. Furthermore, the importance of conducting experiments under conditions that are relevant to the target environment is emphasized and discussed.

Stress forårsaket av vannmetning kan føre til betydelige avlingstap i hvete, bygg og andre vekster. Det forventes at klimaendringene vil gi økt nedbør i visse områder i verden, og dette kan medføre et økt behov for hvete- og byggsorter som er mer tolerante ovenfor midlertidig vannmetning. Forskning har vist at sorter av hvete og bygg tolererer vannmetning ulikt. Til tross for omfattende forskningsaktivitet har likevel fremgangen ved å utvikle mer tolerante sorter vært begrenset. Denne avhandlingen består av tre separate studier der den overordnede målsetningen har vært å bidra med økt kunnskap om vannmetningstoleranse i hvete og bygg. I artikkel I ble vannmetningstoleransen hos en hvete- og en byggpopulasjon undersøkt i feltforsøk. Populasjonene viste genetisk variasjon for vannmetningstoleranse, hvorved seks hvete- og fem bygglinjer ble identifisert som mer tolerante. Seks linjer, tre sensitive og tre tolerante, ble valgt ut fra hvetepopulasjonen til et etterfølgende veksthusforsøk (artikkel II). Ved å følge tilveksten av skudd og rotter gjennom periodene før, under og etter vannmetningsbehandlingen, kunne vi vise at tolerante linjer hadde tidlig frøplanteutvikling (≪early vigor≫) av frørøtter i etableringsfasen, og de utviklet flere kronrøtter i vannmetningsfasen. Våre resultater indikerer også at det er en sammenheng mellom en smalere sentralsylinder i røttene og økt vannmetningstoleranse. I artikkel III identifiserte vi 16 QTL pa kromosomene 1B, 3B, 5BL, 6AL og 7A. QTL6A.2 var svært signifikant for klorose på bladverket og denne QTL ble fremhevet som det viktigste funnet i denne studien. Studiene som presenteres i avhandlingen fremhever to hovedområder som er relevante for videre undersøkelser: 1) potensialet for tidlig frøplanteutvikling og størrelsen av røttenes sentralsylinder som egenskaper som kan forbedre toleranse, og 2) genomiske områder, spesielt det for QTL6A.2, som responderer på vannmetningsstress. Resultatene viser også at feltforsøk for å screene vannmetningstoleranse må utføres under forhold som er relevante for det miljøet som plantene skal dyrkes i. Dette blir vektlagt og diskutert i avhandlingen.