Επιδράσεις βελτίωσης στη γενετική παραλλακτικότητα παραδοσιακών ποικιλιών και γενοτύπου στο μικροβίωμα ριζόσφαιρας στη φακή

Abstract

Fabaceae is one of the most important plant families with great economic importance due to its integral role in the human diet. Furthermore, some legume species create symbiotic relations with bacteria, known as rhizobia, which colonize at plant roots and enrich the soil with N. Lentil (Lens culinaris (L.) Medic. subsp. culinaris) is considered one of the most important legumes due to seed’s high nutrition value. Lentil is one of the first plant species domesticated by humans and the oldest archaeological remains of lentil in Europe were found at the Franchthi cave in Greece dated to 11,000 BC. In Greece, lentil production is based mainly on landraces, cultivated by locals, as well as improved varieties. Lentil plant has been studied worldwide and its variation has been proved at genetic and phenotypic levels. Greek breeders want to create improved varieties well adapted to local environments, resistant to pathogens, and with seed characteristics according to consumers’ preferences. The genetic variation of lentil landraces is the primary material used by breeders from which can derive new varieties. Generally, it is considered that genetic diversity decreases through the breeding of landraces and their transformation to improved varieties. According to studies, genetic diversity can be decreased, maintained, or even increased through the breeding procedure. In the present study, genetic relationships between single lentil plants of a breeding program were evaluated using SSR molecular markers. The primary genetic material is derived from a lentil landrace cultivated in ‘Evros’ province. The objective of the breeding was the selection of virus-free and high-yielding plants. SSR primer sets discriminated efficiently the lentil lines which combined with melting curves grouped samples for further statistical analysis. Families of the first cycle presented variation with 48 alleles, while at the end of the third cycle 14 alleles were lost representing 29.1% of allele richness. In previous studies conducted in the Genetics and Plant Breeding Lab of the Aristotle University of Thessaloniki, was studied the genetic and phenotypic variation of Greek lentil landraces and the differences with improved varieties were evaluated. Furthermore, it was studied (the Genetics and Plant Breeding Lab of AUTH) the variation in the lentil population of the ‘Eglouvis’ variety, where was found that presents genetic and morphological variation. The high level of lentil’s genetic and phenotypic variation between different genotypes even within the same variety raises the question of the existence of differentiation of the rhizosphere’s microbiome between lentil plants. Plant’s rhizosphere's microbiome represents a huge reservoir of biological diversity. Plants depend upon interactions between roots and microbes for nutrient uptake and improved tolerance to biotic and abiotic stresses. Beneficial soil microbes contribute to pathogen resistance, drought tolerance, and promoting plant growth. The second part of the research investigated the variation of the rhizosphere’s microbial communities in lentil plants. A total of rhizosphere samples from 26 lentil genotypes were studied. The samples were divided into two groups, the first of which included 5 samples of the same variety (‘Eglouvis’) and the commercial variety “Demetra”, while the second 20 lentil genotypes with different origins and 2 improved varieties. There were found differences in the relative abundances within the same variety which are possibly related to the sample’s origin and the type of farming system that was applied. Regarding the second group of samples, relative abundances of microbial communities between the genotypes also presented differences. Furthermore, the improved varieties presented less abundance and diversity compared to landraces. Therefore, the genotype is considered to influence the structure of microbial communities in lentil plants. According to literature that may be related to the root exudates which have been found to shape the structure of the microbes in the rhizosphere which is determined by the plant and therefore by the genotype.

Τα ψυχανθή ανήκουν σε μία από τις σημαντικότερες οικογένειες φυτών με μεγάλη οικονομική σημασία κυρίως εξαιτίας της σημαντικής θέσης που καταλαμβάνουν στη διατροφή του ανθρώπου. Επίσης, ορισμένα είδη ψυχανθών έχουν την ικανότητα να δημιουργούν συμβιωτικές σχέσεις με συγκεκριμένα βακτήρια, γνωστά ως ριζόβια, που αποικίζουν στις ρίζες του φυτού με αποτέλεσμα τον εμπλουτισμό του εδάφους με Ν. Η φακή (Lens culinaris (L.) Medic. subsp. culinaris) θεωρείται από τα σημαντικότερα ψυχανθή εξαιτίας κυρίως της υψηλής διατροφικής της αξίας. Είναι από τα πρώτα είδη που εξημέρωσε ο άνθρωπος και ιστορικές πηγές αναφέρουν ότι τα παλαιότερα αρχαιολογικά ευρήματα φακής στην Ευρώπη έχουν βρεθεί στην Ελλάδα (11.000 π.Χ.). Στην Ελλάδα η παραγωγή της φακής στηρίζεται κυρίως στις εγχώριες ποικιλίες, οι οποίες καλλιεργούνται στις τοπικές κοινότητες, καθώς επίσης και από ορισμένες βελτιωμένες ποικιλίες. Η φακή έχει αποτελέσει αντικείμενο μελέτης των ερευνητών παγκοσμίως και έχει διαπιστωθεί ότι παρουσιάζει ποικιλομορφία τόσο σε γενετικό όσο και μορφολογικό επίπεδο. Στην Ελλάδα η εξέλιξη στον τομέα της βελτίωσης έχει ως στόχο τη δημιουργία βελτιωμένων ποικιλιών προσαρμοσμένων στις απαιτήσεις των εκάστοτε περιοχών καλλιέργειας, ανθεκτικών σε προσβολές από παθογόνα και με ποιοτικά χαρακτηριστικά του σπόρου που να συμφωνούν με τις προτιμήσεις των καταναλωτών. Η γενετική παραλλακτικότητα των εγχώριων ποικιλιών αποτελεί το πρωταρχικό υλικό που χρησιμοποιούν οι βελτιωτές για τη δημιουργία νέων ποικιλιών. Γενικά, θεωρείται ότι η γενετική παραλλακτικότητα μειώνεται κατά τη διάρκεια της βελτιωτικής διαδικασίας των εγχώριων ποικιλιών και τη μετατροπή τους σε βελτιωμένες ποικιλίες. Όμως σύμφωνα με προηγούμενες έρευνες διαπιστώθηκε ότι η γενετική παραλλακτικότητα μπορεί να μειωθεί, να παραμείνει σταθερή ή ακόμα και να αυξηθεί μέσω της βελτίωσης. Στην παρούσα ερευνητική εργασία μελετήθηκαν οι γενετικές σχέσεις των ατόμων ενός βελτιωτικού προγράμματος με τη χρήση μοριακών δεικτών SSR. Το αρχικό γενετικό υλικό που χρησιμοποιήθηκε ήταν μία τοπική ποικιλία φακής που καλλιεργείται στην περιοχή του Έβρου, η οποία αναπτύχθηκε στο Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης. Κατά τη διάρκεια της βελτιωτικής διαδικασίας εφαρμόστηκε η κυψελωτή μεθοδολογία και είχε ως σκοπό την επιλογή υψηλοαποδοτικών φυτών που να παρουσιάζουν ανθεκτικότητα σε σπορομεταδιδόμενες και αφιδομεταδιδόμενες ιώσεις. Τα ζεύγη εκκινητών που χρησιμοποιήθηκαν υπέδειξαν επαρκή διακριτική ικανότητα όπου σε συνδυασμό με την ανάλυση καμπυλών τήξης υψηλής διάκρισης, ομαδοποίησαν τα δείγματα για περαιτέρω στατιστική ανάλυση. Παρατηρήθηκε ότι οι οικογένειες του πρώτου κύκλου βελτίωσης παρουσίασαν ποικιλομορφία σε ικανοποιητικό επίπεδο όπου εντοπίστηκαν συνολικά 48 αλληλόμορφα, ενώ στο τέλος του τρίτου κύκλου επιλογής διαπιστώθηκε ότι χάθηκαν συνολικά 14 αλληλόμορφα, τα οποία αντιπροσωπεύουν ένα ποσοστό της τάξεως του 29,1% της αφθονίας των αλληλομόρφων. Σε προηγούμενες ερευνητικές εργασίες που πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Γενετικής και Βελτίωσης Φυτών του Α.Π.Θ., μελετήθηκε η γενετική και φαινοτυπική παραλλακτικότητα Ελληνικών παραδοσιακών ποικιλιών φακής και εκτιμήθηκαν ομοιότητες και διαφορές με βελτιωμένες ποικιλίες. Επίσης, σε αντίστοιχη έρευνα (Εργαστήριο Γενετικής και Βελτίωσης Φυτών του Α.Π.Θ.) που πραγματοποιήθηκε με σκοπό τη διερεύνηση της παραλλακτικότητας που παρουσιάζει ένας πληθυσμός φακής της ποικιλίας «Εγκλουβή» διαπιστώθηκε ότι παρουσιάζει ποικιλομορφία σε μορφολογικό και γενετικό επίπεδο. Η υψηλή γενετική και φαινοτυπική παραλλακτικότητα που παρουσιάζεται στη φακή ανάμεσα σε διαφορετικούς γενοτύπους ακόμα και εντός της ίδιας ποικιλίας οδήγησε στο ερώτημα αν παρουσιάζεται η ίδια παραλλακτικότητα και στο μικροβίωμα της ριζόσφαιρας σε φυτά φακής. Το μικροβίωμα της ριζόσφαιρας ενός φυτού αντιπροσωπεύει μία τεράστια δεξαμενή βιολογικής ποικιλομορφίας. Τα φυτά εξαρτώνται από την αλληλεπίδραση μεταξύ των ριζών και των μικροβίων ως προς την πρόσληψη θρεπτικών συστατικών και τη βελτίωση της αντοχής σε βιοτικές και αβιοτικές καταπονήσεις. Τα ωφέλιμα μικρόβια του εδάφους επιδρούν θετικά στην ανάπτυξη των φυτών μέσω της αύξησης της ανθεκτικότητάς τους σε διάφορους βιοτικούς και αβιοτικούς παράγοντες και της προώθησης της ανάπτυξής τους. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας έρευνας διερευνήθηκε η παραλλακτικότητα των μικροβιακών κοινοτήτων στη ριζόσφαιρα φυτών φακής. Συνολικά μελετήθηκαν δείγματα ριζόσφαιρας από 26 γενοτύπους φακής. Τα δείγματα χωρίστηκαν σε δύο ομάδες εκ των οποίων η πρώτη περιλάμβανε 5 δείγματα της ίδιας ποικιλίας («Εγκλουβή») και τη βελτιωμένη ποικιλία «Δήμητρα», ενώ η δεύτερη 20 γενοτύπους φακής με διαφορετική προέλευση και 2 βελτιωμένες ποικιλίες. Διαπιστώθηκε ότι εντός της ίδιας ποικιλίας παρουσιάζονται διαφορές στις σχετικές αφθονίες των μικροβιακών κοινοτήτων που σχετίζονται κυρίως με την προέλευση των δειγμάτων και τις συνθήκες καλλιέργειάς τους. Όσον αφορά τη δεύτερη ομάδα δειγμάτων, παρατηρήθηκε ότι υπάρχουν διαφορές στις σχετικές αφθονίες των μικροβιακών κοινοτήτων ανάμεσα στους γενοτύπους. Επίσης, παρατηρήθηκε ότι οι βελτιωμένες ποικιλίες παρουσιάζουν μικρότερη αφθονία και ποικιλότητα μικροβίων σε σχέση με τις εγχώριες ποικιλίες. Επομένως, θεωρείται ότι ο γενότυπος επηρεάζει την ανάπτυξη των μικροβίων της ριζόσφαιρας σε φυτά φακής. Ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιείται η διαμόρφωση των μικροβιακών κοινοτήτων δεν έχει πλήρως διευκρινιστεί και σύμφωνα με τη βιβλιογραφία ίσως οφείλεται στη σύνθεση των ριζικών εκκρίσεων, η οποία καθορίζεται από το φυτό και συνεπώς από το γενότυπο.