ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΑΓΡΟΤΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ: «ΑΕΙΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΣΤΗ ΓΕΩΡΓΙΑ»

ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΑΓΡΟΤΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ: «ΑΕΙΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΣΤΗ ΓΕΩΡΓΙΑ» ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΥΤΩΝ 1

Βιοτεχνολογία Φυτών Αντικείμενο Μαθήματος Το παρόν μάθημα εισάγει θέματα και τεχνικές γενετικής και γενωμικής που χρησιμοποιούνται για την κατανόηση και αξιοποίηση γνωρισμάτων που σχετίζονται με την αντοχή και την ποιότητα. Πιο αναλυτικά, στη σύγχρονη γεωργία οι βιοτικές και αβιοτικές καταπονήσεις είναι η κύριες αιτίες που το δυναμικό απόδοσης και ποιότητας είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε πολλές καλλιέργειες. Οι μοντέρνες τεχνικές βελτίωσης επικεντρώνονται στη χρήση γενετικών πηγών για την αναβάθμιση της ικανότητας αντίστασης των φυτών σε παράγοντες καταπόνησης. Από τη μία πλευρά, η βελτίωση για βιοτικές καταπονήσεις ασχολείται με μηχανισμούς άμυνας και στρατηγικές προστασίας του ξενιστή ενάντια σε παθογόνα, τον τρόπο που κληρονομούνται γονίδια αντοχής και τη διάρκεια αποτελεσματικότητας τέτοιων γονιδίων. Από την άλλη, η αβιοτική καταπόνηση οφείλεται σε περιβαλλοντικούς παράγοντες (θερμοκρασία, νερό, θρεπτικά συστατικά και μέταλλα), οπότε η βελτίωση για αντοχή ή ανεκτικότητα σε καταπονήσεις από αυτούς τους παράγοντες ασχολείται με έννοιες όπως η προσαρμοστικότητα και σταθερότητα των καλλιεργούμενων φυτών, η αλληλεπίδραση γενοτύπου περιβάλλοντος και η επιλογή σε πολύ-περιβαλλοντικά πειράματα. Τέλος, η βελτίωση με στόχο την ποιότητα στοχεύει κυρίως στην αναβαθμισμένη από πλευράς φυτού της ικανότητα παραγωγής ουσιών όπως υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, έλαια, ίνες ή δευτερογενείς μεταβολίτες που συνθέτονται σε μεταβολικά μονοπάτια. Το παρόν μάθημα προσεγγίζει τα παραπάνω ζητήματα καλύπτοντας θέματα σε σχέση με: αλληλεπιδράσεις φυτών μικροοργανισμών σε γενετικό και μοριακό επίπεδο, μηχανισμούς παθογένεσης, επιδημιολογικά μοντέλα, αντίδραση των φυτών σε καταπονήσεις, μονοπάτια σήμανσης, μοτίβα γονιδιακής έκφρασης και γενετική των φυτών. 2

more food Future agriculture variable climate

2012: Iowa, USA What does this all mean? That we re likely heading into a food crisis in the US regarding corn and soybeans http://usahitman.com/fpulpofcttc/ 4

Πρόγραμμα διαλέξεων του μαθήματος Εβδομάδα Τίτλος Διάλεξης Εισηγητής 1η 2η 3η 4η 5η Ομοιόσταση των ποικιλιών για τις καταπονήσεις αποτελεσματικότητα αξιοποίησης των εισροών Βελτιωτική στρατηγική για γεωργία με πλαστικότητα και προσαρμοστικότητα στις κλιματικές αλλαγές Φαινοτυπική έκφραση και διαφοροποίηση των γενοτύπων και η σχέση μεταξύ ανταγωνιστικής και παραγωγικής ικανότητας Βελτιωτική στρατηγική εξειδικευμένη στα διάφορα αγρο-οικοσυστήματα Διαχείριση για την προστασία και προσαρμογή των καλλιεργούμενων ποικιλιών Ι. Τοκατλίδης Ι. Τοκατλίδης Ι. Τοκατλίδης Ι. Τοκατλίδης Ι. Τοκατλίδης 5

Βιβλιογραφία 6

Βιβλιογραφία 7

Βιβλιογραφία 8

Βιβλιογραφία 9

Βιβλιογραφία

yield gap harvested yield Intra-crop potential yield COMPETITION resource use efficiency selection efficiency

ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΑΓΡΟΤΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ: «ΑΕΙΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΣΤΗ ΓΕΩΡΓΙΑ» ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΥΤΩΝ 1. Ομοιόσταση των ποικιλιών για τις καταπονήσεις αποτελεσματικότητα αξιοποίησης των εισροών 12

1 CULTIVAR TYPE

CULTIVAR TYPES A. MONOGENOTYPIC (genetically homogeneous) Β. MULTIGENOTYPIC (genetically heterogeneous) 14

CULTIVAR TYPES A. MONOGENOTYPIC (genetically homogeneous) Rice field (aabbccdd) 15

CULTIVAR TYPES Β. MULTIGENOTYPIC (genetically heterogeneous) Alfalfa field AABbEe aabbee AAbbEE AabbEe AaBbEe aabbee 16

CULTIVAR TYPES A. MONOGENOTYPIC (genetically homogeneous) 1. Inbred (pure) lines: (homozygous) Α b Α b c D c D Α b Α b c D c D AAbbccDD AAbbccDD true-to-type cultivars 17

Self-dependent agriculture 18

CULTIVAR TYPES A. MONOGENOTYPIC (genetically homogeneous) A b A b c D c D x a B a B C d C d 1. Hybrids: (heterozygous) inbred1 inbred2 A b a B c D C d hybrid AaBbCcDd genetic segregation 19

Χ Inbred line 2 (AAbbccDD) inbred line 1 (aabbccdd) hybrid (AaBbCcDd) AAbbccDD, AAbbccDd, AAbbccdd, AAbbCcDD, AAbbCCDD, AABbccDD, AABBccDD, 3 4 =81 different AabbccDd, genotypes Aabbccdd, AabbCcDD, AAbbCCDD, AABbccDD, AABBccDD,, aabbccdd 3 10 =59049 different genotypes 20

highly- dependent agriculture 21

CULTIVAR TYPES A. MONOGENOTYPIC (genetically homogeneous) 3. Clones A B a Β c D c d mitosis Α Β a Β c D c d AaBBccDd AaBBccDd true-to-type cultivars or true-breeding cultivars 22

Β. MULTIGENOTYPIC (genetically heterogeneous) 1. Multi-lines CULTIVAR TYPES 2. Open pollinated populations 1a. Mixture of homozygous genotypes (self-pollinated species) 1b. Mixture of heterozygous genotypes (cross-pollinated species) 3. Synthetic cultivars (controlled pollination) Selected plants within the population are crossed in all the possible combinations and the seed mixture of all the crosses constitutes the synthetic cultivar 4. Landraces 23

2 INTRA-CROP COMPETITION

THE CONCEPT OF COMPETITION Limited resources underground (soil water, nutrients) aboveground (atmospheric air, light, CO 2 ) 25

THE CONCEPT OF COMPETITION COMPETITION plant density 26

THE CONCEPT OF COMPETITION BALANCE plant density 27

THE CONCEPT OF COMPETITION 1 COMPETITION = INJUSTICE 28

3,5 μ 3,5 μ Σχέδιο πειράματος για μελέτη συσχέτισης ομοιομορφίας και παραγωγικότητας στο βαμβάκι γραμμές σποράς 3,5 μ 3,5 μ 3,5 μ π.τ. 17 π.τ. 18 π.τ. 19 π.τ. 20 π.τ. 21 π.τ. 22 π.τ. 23 π.τ. 24 π.τ. 16 π.τ. 15 π.τ. 14 π.τ. 13 π.τ. 12 π.τ. 11 π.τ. 10 π.τ. 9 π.τ. 1 π.τ. 2 π.τ. 3 π.τ. 4 π.τ. 5 π.τ. 6 π.τ. 7 π.τ. 8 Το σχέδιο αποτελείται από 24 πειραματικά τεμάχια (π.τ.) μιας γραμμής (η διακεκομμένη). Σε κάθε π.τ. παίρνονται παρατηρήσεις από τουλάχιστο 20 φυτά. Φυτά στα οποία λείπει ένα ή περισσότερα γειτονικά δεν λαμβάνονται υπόψη.

THE CONCEPT OF COMPETITION Competition is the plant-to-plant interference with the equal use of growth resources Competitive disadvantage ( ultra-low consumer ) Competitive advantage ( hyper consumer ) 34

THE CONCEPT OF COMPETITION Intenseness οf competition is reflected by the canopy inequality in plant growth mild competition intermediate competition severe competition 35

Competitive advantage genetic and/or acquired c q u i a c o m p e t i r genetic competition t e d i n o 36

Causes of genetic competition: genetic heterogeneity (plants differing in genotype) Causes of acquired competition pre-emergence factors causing variation in plant emergence - difference in sowing depth and/or seed size - soil heterogeneity in texture and moisture - effects of clods and capping in wet soils, insects, diseases, birds, rodents post-emergence factors broadening the plant-to-plant variability - plant age differences - environmental heterogeneity (soil, light interpretation, nutrition) - herbivores, parasites, pathogens Interactions of the above 37

different genotypes same genotypes Evolution of 2 neighbors in terms of potential (in)equality: justice acquired competition genetic competition genetic + acquired competition

different genotypes same genotypes Evolution of 2 neighbors in terms of potential (in)equality: 1 st CONCLUSION justice acquired competition genetic competition genetic + acquired competition

3 CONSEQUENCES?

Stand inequality is inversely connected with resource use efficiency

Stand inequality is inversely connected with resource use efficiency strong competition Data from 142 wheat trials mild competition -80% Adapted from Taylor et al., Soil Sci Plant Anal (1999) 42

-53% Stand inequality is inversely connected with resource use efficiency Data from 6 maize hybrids across 4 locations Tollenaar & Wu, Crop Sci (1999) 43

Stand inequality is inversely connected with resource use efficiency Tokatlidis et al., Maydica (2005)

Grain yield (kg/ha) Grain yield (kg/ha) Stand inequality is inversely connected with resource use efficiency Mean grain yields of 7 maize hybrids and the respective CVs (6 replications) 9000 2.5 plants/m 2 9000 8.3 plants/m 2 8000 8000 7000 7000 6000 5000 y = -99x + 6659.2 R² = 0.92 6000 5000 y = -318x + 17048 R² = 0.76 4000 4000 3000 10 20 30 40 50 CV% 3000 10 20 30 40 50 CV% Tokatlidis et al., Field Crops Res (2011) 45

4 CULTIVAR HOMEOSTASIS

Αριθμός φυτών Αριθμός φυτών CULTIVAR BUFFERING 600 500 500 400 X = 2,07 g s = 1,76 g n = 1986 CV = 85% 400 300 X = 252,22 g s = 51,13 g n = 1747 CV = 20% 300 200 200 100 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Η κατανομή συχνότητας της ποικιλίας μαλ. σιταριού Μύκονος παρουσίασε αρνητική εκτροπή και μειωμένη απόδοση (240 κιλά/στρέμμα) 0 8 24 56 88 120 152 184 216 248 280 312 344 Απόδοση ανά φυτό (g) Η κατανομή συχνότητας του υβριδίου καλαμποκιού PR3183 παρουσίασε θετική εκτροπή και αυξημένη απόδοση (1610 κιλά/στρέμμα) 47

CULTIVAR BUFFERING Μέσες αποδόσεις και τιμές CV σε 4 ποικιλίες κριθαριού και στις F 2 των διασταυρώσεών τους Μεταχείριση Korsbyg. Velnet Barbless Peatland F 2 Velnet x Korsbyg F 2 Velnet x Peatland F 2 Barbless x Peatland F 2 Minia x Peatland Απόδοση (g/πειρ. τεμάχιο). 4,85 6,64 7,61 7,80 7,02 7,33 8,02 8,45 CV (%) 69 58 52 52 58 55 56 47 48

CV(%) Barren plants (%) CULTIVAR BUFFERING 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 65 61 58 19 13 45 36 32 5 2.1 1.7 F1 F1+F2 F2 F1 F1+F2 F2 14 25 20 15 10 5 0 Rio Grande Costanza CV Barrenness Ipsilantis and Vafias, Asian J Plant Sci (2005) 49

THE PYRAMIDAL MODE OF CROP EVOLUTION/BUFFERING inbred lines sexually reproduced hybrids populations The higher the position of a crop in the pyramid, the higher its position in the evolutionary scale, the smaller the load of deleterious genes it carries and thus, the higher the degree of its genetic buffering asexually reproduced hybrids (clones) 50

THE SEXUAL PLANT REPRODUCTION 1. INBREEDING (SELF-POLLINATION) SYSTEM Bb 0 100% 1 25% 50% 25% 2 37.5% 25% 37.5% 3 43.75% 12.5% 43.75% 4 45.88% 6.25% 45.88% 5 48.44% 48.44% 6 49.22% 49.22% BB bb self-pollination homozygousity inbred lines 51

kg/ha (x1000) MONOGENOTYPIC or MULTIGENOTYPIC? 8.8 7.5 6.3 5.0 maize single-cross hybrids b=110 3.8 2.5 1.3 double- cross open pollinated hybrids populations b=1 b=65 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Year of release Adapted from Troyer (1995) 52

kg/ha (x1000) MONOGENOTYPIC or MULTIGENOTYPIC? 8.8 7.5 6.3 5.0 maize homogeneous b=110 3.8 2.5 1.3 slightly highly heterogeneous heterogeneous b=1 b=65 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Year of release Adapted from Troyer (1995) 53

MONOGENOTYPIC or MULTIGENOTYPIC? The advancement in maize through the route highly heterogeneous population slightly heterogeneous double-cross hybrid homogeneous single-cross hybrid signifies the progressive elimination of deleterious genes and the parallel transition from poly-genotypic to monogenotypic cultivars. 54

Synopsis: Intra-crop competition reflects the plant-to-plant variation in the crop stand becoming more intensive with increasing the among individuals inequality Inequality within the crop stand favours bigger plants to consume more inputs at the expense of their smaller neighbours. Inequality is genetically and/or environmentally induced, thus total intra-crop competition may comprise the genetic part and the acquired one. At farming a balance between crowding and single-plant growth might be essential to optimize a cropping system. In an agricultural system, depending on the types of cultivars grown, the the competition regime is just acquired or both acquired and genetic Intra-crop competition is connected with ineffective resource use, hampering food productivity To mitigate the implications of intra-crop competition cultivars exhibiting homeostasis is an imperative need. 55