Doctoral thesis (Dissertations and theses)
Exploiting Interspecific Genetic Variability for Improving Common bean for higher productivity on soils presenting biotic and abiotic stresses
Butare, Louis
2015
 

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Louis Butare thesis - June 2015.pdf
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Keywords :
Phaseolus vulgaris; abiotic stress; acid soil; stress abiotique; sol acide; toxicite aluminique; stress hydrique; stress biotique; aluminium resistance; water stress; biotic stress; Fusarium root rot; root growth; screening methods; croissance des racines; methode d`evaluation
Abstract :
[en] Biotic and abiotic stresses often occur in the same field of rural poor farmer households in tropical countries resulting in heavy losses of common bean yields. To improve resistance of common beans, sensitive Phaseolus vulgaris (SER16) was crossed to resistant P. coccineus (G35346-3Q) to create 94 F5:6 recombinant inbred lines (RILs) of the pedigree SER16♀ x (SER16♀ x G35346-3Q♂). The objectives of this study were to (i) identify potential parents for resistance to Al, drought and Fusarium root rot among 11 bean genotypes, (ii) to evaluate 94 F5:6 Recombinant Inbred Lines (RILs) of the cross SER 16♀ x (SER 16♀ x G35346-3Q♂) both for their resistance to Al and /or drought, (iii) to evaluate RILs for resistance to Fusarium root rot, and (iv) to identify QTL for resistance to these stresses. RILs were characterized in greenhouse for resistance to Al using a hydroponic screening employing a nutrient solution with or without 20 μM Al , to Al-toxic acid soil with high Al (HAl) and low Al (LAl) saturation, to terminal drought simulation with and without progressive soil drying, to combined stresses of Al and terminal drought in 80 cm long soil cylinder system, and to Fusarium root rot using inoculated perlite soil and sand (2:1). Two field studies were also carried on in Colombia under rainfed and irrigated conditions in Palmira, and high Al saturated acid soil in Santander of Quilichao. Our studies confirmed the superiority in Al response of Andean common beans in greenhouse trials compared to Middle American type for several root traits. Each screening method of our Al greenhouse experiments permitted an evaluation of different aspects of root traits. The two parents were virtually equal for tap root elongation rate at 24 h in the 20 μM Al treatment at about 1.4 mm h-1 while progenies ranged from less than 1-1.75 mm h-1. The correlation between leaf area and total root length was highly significant under high Al saturation (r = 0.70***) for HAl-acid soil. Two genotypes (ALB88 and ALB 91) emerged as strong multiple trait lines for the two abiotic stresses. Fusarium root rot induced root growth inhibition as high as 80.8% for the susceptible ALB 5, while resistant RILs (ALB45, ALB41, ALB126, ALB84, ALB49, ALB34, ALB88 and ALB85) didn`t show any inhibition . Seed yield under drought stress conditions was positively associated to 100-seed weight both under irrigated field (r = 0.28**) and rainfed field (r = 0.36***), and negatively associated to days to maturity (DTM) (r = - 0.36***) in field evaluation in Al-toxic acid soil in Quilichao (Colombia). QTLs for important traits including root characteristics under high Al , grain yield and yield components for drought and high Al saturation soil were identified. The use of both soil and hydroponic system, and field could contribute to evaluation of breeding materials to identify genotypes that combine Al resistance with acid soil tolerance, drought and root rot tolerance.
[fr] Les contraintes biotiques et abiotiques du haricot commun agissent souvent ensembles dans des exploitations des fermiers pauvres des pays tropicaux, et entrainent de lourdes pertes de rendements. Dans le but d`améliorer la résistance à ces stresses, l`hybridation interspécifique en backcross de SER16♀ x (SER16♀ x G35346-3Q♂) a été réalisé pour produire 94 lignées hybrides de la génération BC F5:6. Les objectifs de ce travail consistaient à (i) identifier les parents potentiels parmi 11 genotypes de Phaseolus, (ii) évaluer la performance de ces hybrides pour la résistance à la toxicité aluminique et/ou à la sécheresse, (iii) à la pourriture racinaire causée par Fusarium solani, et (iv) identifier des gènes QTLs responsables de la résistance à ces stresses. L`évaluation de ces hybrides pour la résistance à la toxicité aluminique a été réalisée en serre en hydroponie avec présence ou absence des ions Al+3 (20 μM Al) et en tube cylindrique avec sol acide à saturation faible et élevée d`Al, à la sécheresse, à la combinaison du stress hydrique et d`Aluminium, et enfin pour la résistance aux maladies racinaires dues au Fusarium. Des essais en champs ont été réalisés pour la sélection des hybrides en structure irriguée et non-irriguée à Palmira, et en sol acide et saturation elevée en Al à Santander de Quilichao. Notre étude confirme la supériorité de la résistance à la toxicité aluminique observée chez le haricot du pool génique Andine par rapport au pool Mésoaméricain pour la plupart des caractéristiques des racines. Les essais en serre ont démontré que chaque méthode d`évaluation permet d`étudier un aspect différent du système racinaire. Alors que leur hybrides ont montré une vitesse de croissance de la racine principale (en 24h sous 20μM) qui varie de 1 à 1.75 mm h-1, les 2 parents restent á un même niveau (à environ 1.4 mm h-1). Une bonne corrélation a été observée entre la surface foliaire et la longueur totale des racines en sol acide avec saturation élevée en Al (r = 0.70***). Les hybrides (ALB88 et ALB 91) ont été sélectionnés comme des lignées aux caractéristiques multiples vis-à-vis des deux stresses abiotiques. L`inhibition de la croissance des racines due aux maladies racinaires a été très élevé pour l`hybride sensible ALB5 (80.8 %) alors que aucune inhibition n`a été observée chez les hybrides résistant (ALB45, ALB41, ALB126, ALB84, ALB49, ALB34, ALB88 and ALB85). Le rendement en graines se retrouve positivement associé au poids de 100 graines en structure non-irriguée (r = 0.36***) et négativement associé avec le nombre de jours á la maturité en sol acide et saturé en Al (r = -0.36***). Des gènes QTLs pour certains caractères important pour les racines, le rendement en graines et quelques caractéristiques qui lui sont associés ont été identifiés. Les essais en serre et en champs devraient contribuer á l`identification des génotypes résistant á la toxicité aluminique, á la sécheresse, et aux maladies racinaires.
Research center :
Laboratoire de Phytopathologie and agricutlure urbaine integree, Gembloux Agro-Bio Tech
Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT)
Disciplines :
Agriculture & agronomy
Author, co-author :
Butare, Louis ;  Université de Liège - ULiège > Doct. sc. agro. & ingé. biol. (Paysage)
Language :
English
Title :
Exploiting Interspecific Genetic Variability for Improving Common bean for higher productivity on soils presenting biotic and abiotic stresses
Defense date :
30 June 2015
Number of pages :
xx, 189
Institution :
ULiège - Université de Liège
Degree :
Docteur en sciences agronomiques et ingénierie biologique
Promotor :
Jijakli, Haissam  ;  Université de Liège - ULiège > Département GxABT > Gestion durable des bio-agresseurs
Beebe, Steve
President :
Francis, Frédéric  ;  Université de Liège - ULiège > GxABT : Services généraux du site > Site GxABT - Relations internationales
Jury member :
Mergeai, Guy ;  Université de Liège - ULiège > Département GxABT > Plant Sciences
Vanderschuren, Hervé  ;  Université de Liège - ULiège > Département GxABT > Plant Sciences
Massart, Sébastien  ;  Université de Liège - ULiège > Département GxABT > Gestion durable des bio-agresseurs
Name of the research project :
Fighting drought and aluminium toxicity: Integrating functional genomics, phenotypic screening and participatory evaluation with women and small-scale farmers to develop stress-resistant Common bean and Brachiaria for the Tropics
Funders :
The Bundesministerium für Wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ) project (No. 05.7860.9-001.00).
Available on ORBi :
since 10 June 2015

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