Autor: BOUABDELLAH, Naima
Título: Developing and analyzing experimental populations to uncover the genetic control of wheat quality
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS
Departamento: BIOTECNOLOGIA-BIOLOGIA VEGETAL
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/89847/
Director/a(s):
- Director/a: PASCUAL BAÑULS, Laura
Resumen: Until now, the genetic improvement of economically important species like wheat (Triticum spp.) has primarily focused on increasing yield. However, in recent years, there has been growing interest in improving end-use quality, which allows for a higher market price. Wheat quality is a broad concept, and although the important role of prolamins (glutenins and gliadins) in wheat quality has been known for a long time, the alleles of these proteins do not allow for unequivocal predictions. The general objective of this thesis is to develop strategies that facilitate the prediction of wheat end-use quality and the identification genomic regions involved the genetic control of those traits, in order to provide advanced tools for breeding programs. To achieve this, i) a new protocol for the quantification of glutenins has been developed, ii) an intra-varietal biotype analysis in bread wheat was performed, and iii) a genomic, genetic, and phenotypic analysis of a segregating population in durum wheat was conducted. The developed protocol is accessible to researchers with some experience in glutenin allele characterization and allows for simultaneous genotyping and quantification. The new methodology shows a high correlation with standard quantification protocols based on HPLC, but at a significantly lower cost. This protocol has been successfully employed for the development of the rest of the thesis. The analysis of intra-varietal biotypes has confirmed that the GLU-D1 locus is the primary determinant of quality, the amount of high-molecular-weight glutenins, and the ratio between different fractions of these proteins. To improve wheat quality in genotypes with the same low-molecular-weight glutenin composition, breeding programs should prioritize: increasing grain protein levels, high- and low-molecular-weight glutenins in genotypes with Glu-D1a; improving grain protein levels, high-molecular-weight glutenins, and the ratio of high-molecular-weight glutenins to low-molecular-weight glutenins in genotypes with Glu-D1c; and increasing high-molecular-weight glutenin content and the ratio of high-molecular-weight glutenins to low-molecular-weight glutenins in genotypes with Glu-D1l. The characterization of the segregating population developed in durum wheat revealed transgressive phenotypes, showing the utility of this resource for identifying genomic regions associated with traits of interest. High-throughput genotyping enabled the development of a high-density genetic map that includes over 2,000 molecular markers and allows for fine genetic analysis. The QTL mapping in the durum wheat population has identified a total of 10 stable QTLs associated with the control of quality, thousand-grain weight, and grain appearance. The QTLs located on chromosomes 1B, 4B, and 7A co-localize with previously described genes. The QTLs located on chromosomes 3B, 4A, and 6B open the door to the identification of new genes responsible for controlling quality and yield in durum wheat. The analysis of genes that control carotenoid synthesis and degradation in wheat has determined that durum wheat breeding programs for pasta color should consider both processes. A good selection strategy in breeding programs should combine alleles that increase carotenoid synthesis with alleles that reduce their oxidation, as in the case of the genotype LPX-B1.1c: Psy1-A1l. The analyses performed in this thesis provide wheat breeders with new protocols and selection strategies for improving quality, while also opening the door for researchers to tackle positional cloning of new key genes. RESUMEN Hasta la actualidad la mejora genética de especies de alta importancia económica como el trigo (Triticum spp.) se ha centrado fundamentalmente en aumentar el rendimiento. Sin embargo, en últimos tiempos se ha ido incrementado el interés por la mejora de la calidad, lo que permite encarecer dicho producto en el mercado. La calidad en trigo es un concepto muy amplio, y aunque se conoce desde hace tiempo el importante papel de las prolaminas (gluteninas y gliadinas) en la calidad en trigo, los alelos de dichas proteínas no permiten predecir de manera inequívoca la calidad. El objetivo general de la presente tesis es desarrollar metodologías que permitan predecir la calidad del trigo e identificar regiones genómicas implicadas en el control de la calidad, con el fin de proporcionar herramientas avanzadas para programas de mejora. Para ello, i) hemos desarrollado un nuevo protocolo para la cuantificación de gluteninas, ii) realizado un análisis de biotipos intra-varietales en trigo blando, iii) analizado a nivel genómico, génico y fenotípico una población segregante en trigo duro. El protocolo desarrollado es accesible para investigadores con experiencia en caracterización de alelos de gluteninas y permite realizar de manera simultánea el genotipado y la cuantificación. La nueva metodología muestra una alta correlación con los protocolos de cuantificación estándar basados en HPLC, pero con un coste significativamente menor. Dicho protocolo ha sido empleado con éxito para el desarrollo del resto de la tesis. El análisis de los biotipos intra-varietales ha permitido confirmar que el locus GLU-D1 es el principal determinante de la calidad, la cantidad de gluteninas de alto peso molecular y la relación entre diversas fracciones de dichas proteínas. Para mejorar la calidad panadera en genotipos con la misma composición de gluteninas de bajo peso molecular en programas de mejora se deberá priorizar: aumentar los niveles de proteína en el grano, gluteninas de alto y bajo peso molecular en los genotipos con Glu-D1a; mejorar los niveles de proteína en el grano, gluteninas de alto peso molecular y la relación de gluteninas de alto peso molecular frente a bajo peso molecular en los genotipos con Glu-D1c; y aumentar el contenido gluteninas de alto peso molecular y la relación de gluteninas de alto peso molecular frente a bajo peso molecular en los genotipos con Glu-D1l. La caracterización de la población segregante desarrollada en trigo duro ha revelado fenotipos transgresivos y mostrando la utilidad de este recurso para la identificación de regiones genómicas asociadas a caracteres de interés. El genotipado de alto rendimiento ha permitido desarrollar un mapa genético de alta densidad que incluye más de 2000 marcadores moleculares y posibilita la realización de análisis genéticos finos. El cartografiado de QTL en la población de trigo duro ha permitido identificar un total de 10 QTLs estables asociadas con el control de la calidad, peso de mil granos y aspecto del grano. Los QTLs localizados en los cromosomas 1B, 4B y 7A co-localizan con genes previamente descritos. Los QTLs localizados en los cromosomas 3B, 4A y 6B, abren la puerta a la identificación de nuevos genes responsable del control de la calidad y rendimiento en trigo duro. El análisis de los genes que controlan la síntesis y degradación de carotenoides en trigo ha permitido determinar que los programas de mejora de trigo duro para el color amarillo de la pasta deben tener en cuenta ambos procesos. Una buena estrategia de selección en programas de mejora deberá combinan alelos que aumenten la síntesis de carotenoides con alelos que reduzcan la oxidación de los mismos, como el caso del genotipo LPX-B1.1c: Psy1-A1l. Los análisis realizados en la presente tesis proporcionan a los mejoradores de trigo nuevos protocolos y estrategias de selección para la mejora de la calidad, a la vez que abren la puerta a los investigadores para abordar el clonaje posicional de nuevos genes de interés.