Molecular and genetic approaches for oat breeding for biotic and abiotic stress resistance

La avena es un cultivo de origen mediterráneo presente de forma tradicional como cultivo de grano y forraje, siendo el cuarto cereal en importancia en España, solo superado por trigo, cebada y maíz. Sin embargo, la sequía y enfermedades causadas por hongos biotrófos, tales como la roya de la corona (Puccinia coronata f.sp. avenae) y el oídio (Blumeria graminis f. sp. avenae), mitigan fuertemente su producción. El hecho que tanto la tolerancia a la sequía como la resistencia a ambas enfermedades sean extremadamente complejas, incluyendo un amplio rango de procesos entre los que están incluidos importantes interacciones entre moléculas señalizadoras, hacen que el conocimiento de las bases moleculares de la resistencia a dichos estreses sea fundamental para la mejora genética de este cultivo. Además, conocer un poco más sobre los efectos sinérgicos y antagónicos de las moléculas implicadas en la resistencia a ambos estreses es fundamental para promover una mejora genética de la avena más eficiente y con ello poder desarrollar plantas con una resistencia más amplia pudiendo hacer frente a diversos estreses. Teniendo en cuenta esto, en el capítulo 1 de la presente tesis estudiamos el papel de las poliaminas en la resistencia a oidio. Así, se monitorizó el contenido de poliaminas en dos genotipos, resistente y susceptible, de avena a oidio durante la interacción huésped y nohuésped. Los resultados mostraron diferencias significativas en los niveles de algunas poliaminas solubles entre los genotipos resistente y susceptible en ambas interacciones, así como en los productos de degradación de las poliaminas relacionados con las especies reactivas de oxígeno (ROS). Esto sugiere un papel importante de las poliaminas en la resistencia a este hongo fitopatógeno. En el segundo capítulo se llevó a cabo el estudio del papel de las poliaminas durante la infección de roya en cultivares resistentes y susceptibles de avena y en particular en los diferentes mecanismos de resistencia. Se confirmaron aumentos de espermidina y espermina asociados a mecanismos de resistencia pre- y durante la penetración de la células del mesófilo, que se corroboró con el aumento de la resistencia en el cultivar susceptible tras la aplicación exógena de las mismas. En el cultivar resistente Saia observó además un aumento en la actividad DAO y PAO unida a pared y en la producción de DAP en etapas tempranas, lo que sugiere que la implicación de los mismos en la resistencia a la penetración o la contribución al endurecimiento de la pared celular o lignificación. En capitulo 3 se monitorizaron los niveles de óxido nítrico (NO) endógeno en cultivares de avena susceptible y resistente a la sequía confirmando una reducción de los niveles de NO asociados a la tolerancia. Para confirmar estos resultados se han utilizado líneas transgénicas de cebada...Oat is a Mediterranean crop used for grain and fodder and ranking fourth in importance in Sapin, following wheat, barley and maize. However drought stress and fungal diseases such as the crown rust (Puccinia coronata f.sp. avenae) and the powdery mildew (Blumeria graminis f. sp. avenae) strongly constrain its yield. The high complexity of the resistance responses to both, drought and fungi, including the crosstalk with other signaling molecules, made that a deep knowledge of the molecular bases of the resistance to these stresses is crucial for breeding the crop. In addition, knowledge of the synergic and antagonic effects that different molecules involved in both kind of stresses may have is important to promote a more efficient breeding of the crop. Taking this into account in the chapter 1 of the present thesis we studied the role of polyamines in the resistance to powdery mildew. Thus, polyamine content in two, powdery mildew resistant and susceptible oat genotypes was monitored during a host and non-host interactions. Results showed significant differences in the levels of particular soluble polyamines between resistant and susceptible genotypes in both interactions. In addition, resistant and susceptible genotypes differed in the content of important polyamine degradation products, suchas reactives oxygen species (ROS). This suggests an important role for polyamines in the oat resistance to these phytopathogenic fungi. In the second chapter, we carried out an study on the role of polyamines during the oat-rust interaction focusing in particular disease resistance mechanism. We confirmed an increase on spermidine and spermine associated with the pre- and penetration resistance. These results were supported with bioassays of exogenous polyamine application that increase the resistance in the susceptible cultivar. In addition in the resistant cultivar Saia, we observed an early increase in the cell-wll bound DAO and PAO activity and in the generation of DAP, suggesting its implication in the penetration resistance for instance in the cell-wall reinforcement or lignification. In chapter 3 we monitored the levels of nitric oxide (NO), in resistant and susceptible oat cultivars and confirmed an NO reduction associated with drought tolerance. In order to confirm the results and to determine the role of NO during drought in relation with polyamine metabolism, barley transgenic plants overexpressing the hemoglobin gen HvHb1 and hence with lower level of NO were used. Results showed a higher drought resistance in the barley lines overexpressing the hemoglobin gene compared with the wild type and modification in these plants in the level of specific polyamines. In addition we confirmed the influence of NO in the polyamine biosynthetic pathway at different levels: influencing nitrogen..