Γενετική βελτίωση του ρεβυθιού για αντοχή στις ξηροθερμικές συνθήκες για απόδοση και χαρακτηριστικά ποιότητας του σπόρου

Abstract

Climate change is expected to be a major constraint for chickpea as it increases the frequency of drought and temperature extremes. This study’s aim was the development of an appropriate breeding strategy, in order to develop new, high yielding, chickpea varieties with tolerance to drought and heat stress conditions, which due to the, ongoing, climate change appears to be ofgreat interest for all the researchers, worldwide. The aim of the first study, was the development of new chickpea genotypes, with tolerance to drought and heat stress conditions. All the genotypes were sown in two different periods, one normal, according to Greece’s climatic conditions, and one off-season, in order to simulate the dominance of drought and heat stress conditions during flowering and pod-filling stages, which are the most important stages for chickpeas’ yield. During the 1st year 13 parental lines were sown, using honeycomb design (R-13), in two different sowing periods, as described above, and in two different plant densities,one in 12,8 plants/m2, which represents the condition of medium competition between plants, and one in 1,15 plants/m2, which represents the condition of zero competition between plants. The best plant of every parental line was selected, in each one of the, totally, four honeycomb design experiments. The 13 plants selected during the previous year, plus 3 new genotypes, were used in the 2nd year’s honeycomb design (R-16) experiments, which included the same two sowing periods and the same two plant densities. At the end of the 2nd year the five best single plants within each genotype were selected and were used for the 3rd year’s RCBD experiments, which were 4 in total (one for each sowing period x plant density combination). Drought and heat stress (off-season sowing) conditions resulted in significant yield reduction. Five drought resistance indices including mean productivity (MP), geometric mean productivity (GMP), stress tolerance index (TOL), susceptible stress index (SSI) and stress tolerance index(STI) were applied on the basis of grain yield in normal and drought-heat conditions. Line 14, which was developed from genotype ‘Lemnos’, exhibited high stress tolerance, making this line a very promising genetic material for sowing under the future drought and heat stress conditions. The aim of the second study was to investigate the effect of drought and heat stress conditions on chickpeas’ quality and bioactive traits, along with antioxidant activity of the lines developed during the previous study, which were sown in normal and late sowing period, in order to achieve dry-heat conditions during the chickpea’s critical stages, and came from single plant selection in low and high plant density. Late sowing significantly affected quality traits, resulted in decreased 1000 seed weight, hydration capacity and cooking time. On the other hand, drought and heat stress conditions, resulted in increased seed coat percentage, hydration increase and proteins percentage. Concerning bioactive traits, late sowing resulted in increased total phenols content and total tannins content. However, total flavonoids content decreased, in late sowing period. Sowing period did not affect significantly antioxidant activity based on ABTS. Antioxidant activity based on DPPH increased in late sowing period. Genotype’s effect was significant for all the traits studied. In order to have a complete image of the lines’ nutritive value, PCA (Principal Component Analysis) and Cluster analysis were conducted. Based on these two analysis, line 11, which came from single plant selection in low plant density, found to be the most suitable line for sowing in normal period. Additionally, lines Μ-1, Μ-2, 5, 9 and13, which came from single plant selections in low plant density, are the most suitable for offseason sowing. All the abovementioned lines, which belonged in the same cluster, combined high total phenols, total tannins, total flavonoids and proteins percentage, along with low cooking time. Chickpea productivity is strictly threatened by abiotic stresses, of which drought exerts the mostcrucial role in terms of growth inhibition and yield losses encountered. Given that germination is a critical stage that is negatively affected by drought, the aim of this study was to estimate the genotypic variability among ten chickpea genotypes and to determine the seed germination and seedling growth ability under drought stress conditions. Seeds were subjected to water stress by polyethylene glycol (PEG-6000) at five stress levels (0, 5, 10, 20, 30 and 50% PEG). Germination percentage, seed water content, seed water absorbance, root and shoot development and seedling vigour index were evaluated. The analyses revealed significantgenetic variability in relation to genotypic performance under drought stress. Drought significantly affected germination as well as all other associated traits, with the effects of stress being analogous to the stress level applied. Findings point to the fact that seedling vigour index is a suitable selection criterion for drought tolerance as it allowed the classification of genotypes as tolerant, moderately tolerant, moderately susceptible and susceptible. Taken together, the commercial varieties ‘Thiva’, ‘Keryneia’ and ‘Gavdos’ as well as the landrace ‘Lemnos’ showed an increased drought tolerance at high stress level, indicating their possible exploitationas valuable genetic material for breeding programs or for commercial use.

Η κλιματική αλλαγή αναμένεται να αποτελέσει τον κυριότερο περιοριστικό παράγοντα για τις καλλιέργειες, καθώς θα οδηγήσει σε αύξηση της ξηρασίας και σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η παρούσα εργασία είχε ως στόχο την ανάπτυξη της κατάλληλης μεθοδολογίας βελτίωσης με σκοπό τη δημιουργία νέων ποικιλιών με υψηλή απόδοση και ικανότητα ανοχής στις ξηροθερμικές συνθήκες, που λόγω της εξελισσόμενης κλιματικής αλλαγής παρουσιάζει μεγάλο διεθνές ερευνητικό ενδιαφέρον. Παράλληλα, διερευνήθηκε η γενετική βάση και η δυνατότητα βελτίωσης σε πειράματα αγρού για βασικά ποιοτικά χαρακτηριστικά του σπόρου. Στο πρώτο πείραμα έγινε προσπάθεια ανάπτυξης γενοτύπων, μέσα από πληθυσμούς, ανεκτικών στις ξηροθερμικές συνθήκες. Για την προσομοίωση των ξηροθερμικών συνθηκών έγινε σπορά εκτός εποχής (off-season). Την 1η χρονιά έγινε σπορά 13 αρχικών πληθυσμών σε κυψελωτή διάταξη (R-13) σε δύο εποχές σποράς, μία εντός της ενδεδειγμένης για τα δεδομένα της Ελλάδας και μία εκτός εποχής, με σκοπό την επικράτηση ξηροθερμικών συνθηκών κατά τα κρίσιμα στάδια της άνθισης και του γεμίσματος των λοβών, και σε δύο αποστάσεις σποράς, μία στα 30 cm (μέτριος ανταγωνισμός) απόσταση μεταξύ των φυτών και μία στα 100 cmαπόσταση (μηδενικός ανταγωνισμός) φυτό από φυτό. Ακολούθησε επιλογή του καλύτερου φυτού από τον κάθε αρχικό πληθυσμό για το κάθε ένα από τα 4 κυψελωτά πειράματα. Την 2η χρονιά του πειράματος έγινε σπορά και πάλι κυψελωτών πειραμάτων (R-16) (δύο περίοδοι σποράς και δύο αποστάσεις σποράς), όπου χρησιμοποιήθηκαν τα επιλέγεντα φυτά της 1ης χρονιάς. Σε αυτά προστέθηκαν ακόμα 3 αρχικοί πληθυσμοί. Ακολούθησε επιλογή των 5 πέντε καλύτερων ατομικών φυτών από τον κάθε πληθυσμό για το κάθε ένα από τα 4 κυψελωτά πειράματα. Την 3η χρονιά του πειράματος έγινε σπορά 4 RCBD πειραμάτων (ένα για τον κάθεσυνδυασμό εποχή σποράς x απόσταση σποράς). Η επικράτηση ξηροθερμικών συνθηκών (εκτός εποχής σπορά) οδήγησε σε σημαντική μείωση της απόδοσης. Με βάση την απόδοση των σειρών και με τη χρήση ορισμένων δεικτών έγινε εκτίμηση της ανοχής στις ξηροθερμικές συνθήκες. Η σειρά 14, η οποία προέκυψε από τον πληθυσμό Λήμνος, επέδειξε την μεγαλύτερη ανεκτικότητα, γεγονός που την καθιστά ως ένα πολύ αξιόλογο γενετικό υλικό για τις μελλοντικές δυσμενείς κλιματολογικές συνθήκες. Παράλληλα, μελετήθηκε και το τελικό ύψος των φυτών, το οποίο επηρεάστηκε αρνητικά από τις ξηροθερμικές συνθήκες. Στόχος του δεύτερου πειράματος ήταν η μελέτη της επίδρασης της εποχής σποράς στα ποιοτικά χαρακτηριστικά, τα βιοενεργά συστατικά και στην αντιοξειδωτική ικανότητα. Σαν γενετικό υλικό χρησιμοποιήθηκαν οι σειρές που προέκυψαν από το προηγούμενο πείραμα και οι οποίεςπροέρχονται από δύο διαφορετικές εποχές σποράς, μία εντός της ενδεδειγμένης και μία εκτός εποχής για την προσομοίωση ξηροθερμικών συνθηκών κατά τα κρίσιμα, για το ρεβίθι, στάδια της άνθισης και του γεμίσματος των λοβών, και από δύο πυκνότητες στις οποίες έγιναν οι επιλογές. Οι ξηροθερμικές συνθήκες οδήγησαν σε μείωση ποιοτικών χαρακτηριστικών όπως το μέγεθος του σπόρου (βάρος 1000 σπόρων) και την ικανότητα ενυδάτωσης. Παράλληλα, αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι οι ξηροθερμικές συνθήκες οδήγησαν σε μειωμένο χρόνο βρασμού. Αντίθετα, οδήγησαν σε αύξηση του ποσοστού του περιβλήματος, της αύξησηςενυδάτωσης και του ποσοστού των πρωτεϊνών. Η εκτός εποχής σπορά επηρέασε σημαντικά τα βιοενεργά συστατικά, αυξάνοντας τις ολικές φαινόλες και τις ολικές ταννίνες. Παράλληλα, η εκτός εποχής σπορά οδήγησε σε σημαντική αύξηση των ολικών φλαβονοειδών, για τις σειρές που προέρχονται από επιλογές στη χαμηλή πυκνότητα σποράς. Όσον αφορά την αντιοξειδωτική δράση, όταν αυτή εκτιμήθηκε με βάση τη δοκιμή ABTS δεν παρατηρήθηκε σημαντική επίδραση της εποχής σποράς, ενώ όταν εκτιμήθηκε με βάση τη δοκιμή DPPH η εκτός εποχής σπορά οδήγησε σε σημαντική αύξηση. Επιπλέον, η επίδραση του γενοτύπου ήτανσημαντική για όλα τα υπό μελέτη χαρακτηριστικά. Με στόχο τη δημιουργία μιας ολοκληρωμένης εικόνας όσον αφορά τη διατροφική αξία των σειρών, έπειτα από τη διενέργεια PCA (Principal Component Analysis) και Cluster analysis διαπιστώθηκε ότι η σειρά 11, πουπροέρχεται από επιλογές στη χαμηλή πυκνότητα, είναι η καταλληλότερη για σπορά εντός της ενδεδειγμένης εποχής και οι σειρές Μ-1, Μ-2, 5, 9 και 13, που προέρχονται από επιλογές στη χαμηλή πυκνότητα, είναι οι καταλληλότερες για εκτός εποχή σπορά, καθώς συνδύασαν αποτελεσματικότερα υψηλές ολικές φαινόλες και υψηλές ολικές ταννίνες με χαμηλό χρόνο βρασμού. Παράλληλα, είχαν σχετικά υψηλές τιμές ολικών φλαβονοειδών και ποσοστού πρωτεϊνών. Η παραγωγή του ρεβιθιού απειλείται σοβαρότατα από τις αβιοτικές καταπονήσεις, εκ των οποίων η ξηρασία παίζει τον πιο καταλυτικό ρόλο στην αναχαίτηση της βλάστησης και στιςαπώλειες της παραγωγής. Δεδομένου ότι η βλάστηση είναι ένα πολύ κρίσιμο στάδιο το οποίο επηρεάζεται αρνητικά από την ξηρασία, σκοπός του τρίτου πειράματος ήταν η εκτίμηση της γενετικής παραλλακτικότητας μεταξύ 10 γενοτύπων ρεβιθιού και ο προσδιορισμός της ικανότητας βλάστησης και ανάπτυξης των σπόρων σε συνθήκες ξηρασίας. Οι σπόροι υποβλήθηκαν σε υδατική καταπόνηση με τη χρήση πολυαιθυλενικής γλυκόλης (PEG-6000) σε πέντε διαφορετικά επίπεδα (0, 5, 10, 20, 30 και 50% PEG). Η ξηρασία επηρέασε σημαντικά την βλάστηση και όλα τα σχετιζόμενα με αυτήν χαρακτηριστικά, με την επίδρασή της να είναιανάλογη με το επίπεδο της καταπόνησης. Με βάση τα αποτελέσματα, ο Δείκτης Ευρωστίας του Σπόρου φάνηκε ότι αποτελεί ένα κατάλληλο κριτήριο επιλογής για αντοχή στην ξηρασία, καθώς με βάση αυτόν τον δείκτη οι γενότυποι κατατάχθηκαν σε ανθεκτικούς, μετρίως ανθεκτικούς, μετρίως ευαίσθητους και ευαίσθητους. Συνολικά, οι γενότυποι M-10544 και Ε-229 χαρακτηρίστηκαν ως ανθεκτικές στην ξηρασία. Παράλληλα, η τοπική ποικιλία Λήμνος εμφάνισε υψηλό ποσοστό βλαστικότητας σε υψηλό επίπεδο καταπόνησης. Συνεπώς, αποτελούν πολύτιμα γενετικά υλικά, με την χρήση τους σε βελτιωτικά προγράμματα να κρίνεται επιβεβλημένη.