Modelling morphological and physiological responses of tomato introgression lines to drought stress

Abstract

Tomato (Solanum lycopersicum L.) is a major vegetable crop grown in both outdoor fields and greenhouses. Water shortage is a significant problem in field-grown tomatoes. Genetic variation in the adaptation strategies to water shortage influences the differing water use and agronomic performances, in connection to varying climatic factors. Understanding the mechanisms of the adaptation to water deficit in the context of genetic implications is needed for better management and crop improvement. This work aims at investigating the adaptation mechanism of tomato to water deficit under a set of climatic condition, identifying the associated genome regions involved in the adaption, and predicting and evaluating the agronomic performances of virtual ILs in different climatic scenarios. This study was conducted using 50 tomato introgression lines (ILs) and two parent lines S. pennellii and S. lycopersicum cv. M82, in greenhouse conditions. Terminal drought stress was given at seven 7th leaf stage. There was a high (R2= 0.67 -0.75) causal relationships between unstressed and stressed performances for leaf areas increased, water transpired and shoot dry mass produced. The change in plasticity of shoot dry weight was mainly explained by that of leaf area while plasticity of cumulative transpiration was mainly attributed to that of specific transpiration. With the input of unstressed values and QTL-derived parameters from the response to water shortage of leaf expansion and stomatal conductance, stressed transpiration of all ILs was well predicted with high accuracy within the tested vapour pressure deficit ranges. With the implications of climatic factors, genotype-specific parameters (including drought reaction ones) were incorporated into an eco-physiological model, which consisted of three modules mainly for leaf growth, transpiration and dry matter production. With or without the inputs of leaf area and soil water, model performance was evaluated separately for target agronomic traits. The aggregated model could have well predicted the unstressed performances of leaf area, transpiration, shoot dry matter (accuracy = 0.69 - 0.84) and the fraction of transpirable soil water under stress (accuracy = 0.66). However, there was 20 to 30% of overestimation for the stressed performance (accuracy = 0.55 - 0.77). With the input of leaf area, the model performance was much improved for total water transpired and soil water. The genome-based eco-physiological model worked well as a tool to predict the stressed agronomic performances of tomato introgression lines.

Die Tomate (Solanum lycopersicum L.) ist eine wichtige Gemüsepflanze, die sowohl im Freiland als auch in Gewächshäusern angebaut wird. Wasserknappheit ist ein bedeutendes Problem bei Freiland-Tomaten. Genetische Unterschiede in den Anpassungsstrategien an den Wassermangel beeinflussen den unterschiedlichen Wasserverbrauch und die agronomischen Leistungen in Verbindung mit unterschiedlichen klimatischen Faktoren. Das Verständnis der Mechanismen der Anpassung an Wassermangel im Zusammenhang mit den genetischen Implikationen ist für ein besseres Management und eine Verbesserung der Kulturpflanzen erforderlich. Diese Arbeit zielte darauf ab, den Anpassungsmechanismus von Tomaten an Wassermangel unter einer Reihe von klimatischen Bedingungen zu untersuchen, die damit verbundenen Genomregionen , die in die Anpassung einbezogen sind zu identifizieren, und die agronomischen Leistungen virtueller ILs in verschiedenen klimatischen Szenarien vorherzusagen und auszuwerten. Verwendung von 50 Tomaten-Introgressionslinien (ILs) und zwei Elternlinien: S. pennellii und S. lycopersicum cv. M82, wurde diese Studie unter Gewächshausbedingungen durchgeführt, indem ein terminaler Trockenstress im siebten Blattstadium festgestellt wurde. Es bestand ein hoher (R2= 0,67 -0,75) kausaler Zusammenhang zwischen unbelasteten und belasteten Leistungen für erhöhte Blattflächen, transpirierte Wasser und produzierte Sprosstrockenmasse. Die Änderung der Plastizität des Trockengewichts der Triebe wurde hauptsächlich durch die Blattfläche erklärt, während die Plastizität der kumulativen Transpiration hauptsächlich der spezifischen Transpiration zugeschrieben wurde. Mit der Eingabe von unbelasteten Werten und QTL-abgeleiteten Parametern aus der Reaktion auf Wassermangel von Blattausdehnung und stomatärer Leitfähigkeit wurde die betonte Transpiration aller ILs mit hoher Genauigkeit innerhalb der getesteten Sättigungsdefizit-Bereiche gut vorhergesagt. Um die Auswirkungen der klimatischen Faktoren zu untersuchen, wurden genotypspezifische Parameter (einschließlich der Parameter für die Dürrereaktion) in ein ökophysiologisches Modell integriert, das aus drei Modulen bestand, die hauptsächlich für das Blattwachstum, die Trockenmasseproduktion und die Transpiration bestimmt waren. Mit oder ohne den Input von Blattfläche und Bodenwasser wurde die Modellleistung getrennt nach agronomischen Zielmerkmalen bewertet. Das Modell in aggregierter Form sagte für die bewässerte Pflanze die Blattfläche, die Transpiration und die Sprosstrockensubstanz (Genauigkeit = 0,69 - 0,84) und den transpirierbaren Bodenwasseranteil (Genauigkeit = 0,66) gut voraus. Allerdings gab es eine Überschätzung der gestressten Leistung um 20 bis 30% (Genauigkeit = 0,55 - 0,77). Mit der Eingabe der Blattfläche wurde die Modellleistung für das gesamte transpirierte Wasser und das Bodenwasser deutlich verbessert. Ein genombasiertes ökophysiologisches Modell kann als Werkzeug zur Vorhersage gestresster agronomischer Leistungen in Tomaten-Introgressionslinien verwendet werden.