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Genetic architecture of root related traits and scion respones induced by grapevine rootstock. First study in a monospecies population of Vitis berlandieri

  • In the context of climate change, crop adaptation is of major interest. Adaptation can be achieved by modifying cultural practices, field management, or plant material. In grafted plants, the plant material can be improved by the scion or the rootstock. The rootstock comprises the anchorage and the nutrient and water absorption as well as hormone signaling, which are closely involved in plant adaptation to its environment. Moreover, the interactions between the scion and the rootstock provides aIn the context of climate change, crop adaptation is of major interest. Adaptation can be achieved by modifying cultural practices, field management, or plant material. In grafted plants, the plant material can be improved by the scion or the rootstock. The rootstock comprises the anchorage and the nutrient and water absorption as well as hormone signaling, which are closely involved in plant adaptation to its environment. Moreover, the interactions between the scion and the rootstock provides a broad range regarding adaptation strategies to different growing conditions and production aims. In vineyards, the most commonly rootstocks are hybrid breeds between American Vitis species (V. berlandieri, V. riparia, and V. rupestris) and sometimes V. vinifera. Despite recent findings revealing a large genetic diversity in these genetic backgrounds, rootstocks remain poorly studied, especially at the genetic level. The V. berlandieri hybrids have shown good performances in water deficit and limestone tolerance in vineyards. A selection of 286 V. berlandieri genotypes were chosen from a field-grown population of plants obtained from seedlings at Hochschule Geisenheim University, Germany. The samples were analysed regarding their genetic structure, which revealed two subpopulations and an association between the climatic conditions of the sampling areas and their genetic variability. While an isolation by distance has been highlighted, it was not possible to detect the variability in the genetic burden of the two subpopulations. This population was used for grafting of V. vinifera cv. Riesling (clone 24-209Gm), which was planted in pots and grown in the greenhouse fortwo consecutive years with no limiting conditions. A root phenotyping has been carried out after one year of growing, revealing a high variability at the phenotype and genetic level. The heritability was high for these traits which allowed to carry out a genome wide association study and to detect eleven genetic markers associated with root-related traits. Each year, the population was planted in a field experiment in order to observe the variability of conferred traits induced by the rootstock to the scion. A medium to high variability has been detected for the pruning weight and the δ13C as well as a medium to high heritability. A genome wide association study has allowed us to detect two significant markers for δ13C but no markers were highlighted for the pruning weight. Correlations between root-related and scion conferred traits have been found. A comparison of the phenotypical performance of the V. berlandieri genotypes to commercial rootstocks, i.e. SO4, 110R, Börner and 5BB, resulted in interesting insights for the selection of futuregenotypes for rootstock breeding. This association study is the first carried out in a natural population of a wild Vitis monospecies and highlights new opportunities for grapevine rootstocks breeding.show moreshow less
  • Der Klimawandel erfordert die Anpassung von landwirtschaftlichen Produktionssystemen an die sich ändernden Umgebungsbedingungen. Strategien zur Anpassung können verbesserte Anbaumethoden oder die Auswahl des Pflanzmaterials sein. Bei veredelten Pflanzen, wie der Rebe, lassen sich verschiedene Edelreis × Unterlagen-Kombinationen auswählen. Das Wurzelsystem der Pflanze ist verantwortlich für die Verbindung mit dem Boden, der Wasser- und Nährstoffaufnahme. Die Wahl der Unterlage ist ein wichtigesDer Klimawandel erfordert die Anpassung von landwirtschaftlichen Produktionssystemen an die sich ändernden Umgebungsbedingungen. Strategien zur Anpassung können verbesserte Anbaumethoden oder die Auswahl des Pflanzmaterials sein. Bei veredelten Pflanzen, wie der Rebe, lassen sich verschiedene Edelreis × Unterlagen-Kombinationen auswählen. Das Wurzelsystem der Pflanze ist verantwortlich für die Verbindung mit dem Boden, der Wasser- und Nährstoffaufnahme. Die Wahl der Unterlage ist ein wichtiges Anpassungsinstrument, mit dem sich viele physiologische Prozesse steuern lassen. Die im Weinbau am häufigsten verwendeten Unterlagsreben sind Hybriden zwischen amerikanischen Vitis-Arten (V. berlandieri, V. riparia und V. rupestris) und in seltenen Fällen auch V. vinifera. Trotz neuerer Erkenntnisse, die eine große genetische Vielfalt dieser genetischen Ressourcen offenbaren, sind die Unterlagsreben nach wie vor nur wenig erforscht. Dies gilt vor allem für die genetische Ebene. Aus einer Sammlung von Sämlingen von wilden V. berlandieri-Populationen der Hochschule Geisenheim in Deutschland, wurden 286 Individuen ausgewählt und genotypisiert. Bei zwei Subpopulationen wurde ein Zusammenhang zwischen den klimatischen Bedingungen der Probenahmegebiete und der genetischen Variabilität festgestellt. Die räumliche Distanz konnte als ein Unterscheidungskriterium herausgestellt werden, jedoch konnte keine Variabilität in der genetischen Last der beiden Subpopulationen erkannt werden. Die Wildreben wurden mit V. vinifera cv Riesling (Klon 24-209) veredelt und in zwei aufeinanderfolgenden Jahren als Topfreben im Gewächshaus kultiviert. Nach einem Jahr wurden eine Wurzelphänotypisierung durchgeführt. Es konnte eine hohe Variabilität auf phänotypischer und genetischer Ebene festgestellt werden. Die Heritabilität war bei den untersuchten Merkmalen hoch, so dass mittels einer genomweiten Assoziationsstudie elf genetische Marker ermittelt wurden, die mit wurzelbezogenen Merkmalen verbunden werden konnten. Eine im Freiland gepflanzte Population wurde ebenfalls phänotypisiert und eine mittlere bis hohe Variabilität für das Schnittholzgewicht und δ13C-Werten sowie eine mittlere bis hohe Heritabilität festgestellt. Eine genomweite Assoziationsstudie ermöglichte die Entdeckung von zwei signifikanten Markern für δ13C, aber es wurden keine Marker für das Schnittholzgewicht identifiziert. Es wurden Korrelationen zwischen wurzelverwandten und vom Edelreis übertragenden Merkmalen festgestellt. Darüber hinaus ermöglichte ein Vergleich von kommerziellen Unterlagen (SO4, 110R, Börner und 5BB) mit der V. berlandieri-Population hinsichtlich der phänotypischen Leistungen der V. berlandieri-Genotypen die interessantesten Genotypen für zukünftige Unterlagskreuzungen hinsichtlich der untersuchten Parameter und Zielsetzungen herauszuarbeiten. Die vorliegende Assoziationsstudie ist die erste, die an einer natürlichen Population einer einzelnen Vitis-Wildspezies durchgeführt wurde und zeigt neue Möglichkeiten für die Züchtung von Unterlagsreben auf.show moreshow less

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Metadaten
Author:Louis BloisORCiD
URN:urn:nbn:de:hebis:2083-676
Publisher:Hochschule Geisenheim
Referee:Joachim Schmid, Astrid Forneck, Reinhard Töpfer
Advisor:Joachim Schmid, Elisa Marguerit
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2023
Embargo Date:2023/09/21
Publishing Institution:Hochschule Geisenheim University
Publishing Institution:UNIVERSITE DE BORDEAUX (UB)
Granting Institution:Hochschule Geisenheim University
Granting Institution:UNIVERSITE DE BORDEAUX (UB)
Date of final exam:2023/03/28
Release Date:2023/09/21
Tag:Genome-wide association; Genotyping by sequencing; Population genetics; Root system architecture; Water use efficiency
Volume:2023
Edition:1. Auflage
Page Number:247
First Page:3
Last Page:249
Note:
Diese Dissertation wurde in einem ordnungsgemäßen Promotionsverfahren entsprechend den Bestimmungen des Kooperationsvertrages “CONTRAT DE COTUTELLE DE THÈSE INDIVIDUELLE“ zwischen der Université Bordeaux und der Hochschule Geisenheim University erstellt.
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie
Licence (German):License LogoCreative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International