Exploring Bread Wheat Diversity in Waterlogging Responses: Root System, Plant Development, Ecophysiological Traits and Yield Implications

Abstract

Waterlogging is an abiotic stress that has increasingly affected wheat production, com- promising food security stability. With the predicted climate changes, extreme events of heavy rainfall will increase in intensity and frequency, further worsening the declines already felt in production. To maintain the energy contribution of this cereal in human nutrition with the projected population increase, it is necessary to develop varieties that can cope with the ad- verse environmental conditions resulting from climate change. To address this topic, it is es- sential to understand plants responses at various levels. The root system plays a crucial role in plant development. However, in waterlogging conditions, it suffers the first impacts and sometimes the strongest ones, with significant repercussions on the plants above-ground part. This study was conducted under environmentally controlled conditions, focusing on differ- ences in the seminal root architecture at the seedling stage and the ability to emit adventitious roots in response to 14-day waterlogging starting at the tillering stage. Additionally, the im- pacts in the plant above-ground part were studied, covering aspects related to growth and development, senescence, changes in ecophysiological traits, and impacts on yield. In the final chapter, a thorough analysis that encompassed all the studied traits highlighted some contrib- utes for the screening of bread wheat waterlogging tolerance. The study comprised genotypes from five groups with distinct genetic backgrounds. Results showed a substantial variability between and within groups concerning the majority of the studied traits. Several genotypes depicted a good performance under water stress, exhibiting stable or even higher yields; this was evident in the Australian group but was found across all groups, with the exception of the Italian. On the other hand, strong yield decreases were found, reaching 86.6%. Several traits showed significant correlations with yield. Among them, and considering those evalu- ated during stress and the recovery period, SPAD values and Fv/Fm and Fv’/Fm’ showed the strongest correlation.

O alagamento é um stress abiótico que tem afetado cada vez mais a produção de trigo, comprometendo a estabilidade da segurança alimentar. Com as alterações climáticas previstas, eventos extremos de chuvas intensas tendem a aumentar em intensidade e frequência, agravando as quebras já observadas na produção. Para garantir a contribuição energética do trigo na nutrição humana, é essencial desenvolver variedades tolerantes às condições ambientais adversas resultantes destas alterações. Compreender as respostas das plantas em vários níveis torna-se assim fundamental. O sistema radicular desempenha um papel crucial no desenvolvimento das plantas, sendo o primeiro a sofrer os impactos do alagamento, muitas vezes com repercussões significativas na parte aérea. Este estudo foi realizado em condições ambientais controladas, analisando diferenças na arquitetura radicular seminal na fase de plântula, assim como na capacidade de emitir raízes adventícias em resposta a 14 dias de alagamento, iniciado em pleno afilhamento. Os impactos na parte aérea da planta foram analisados, abrangendo aspetos relacionados com o crescimento e desenvolvimento, senescência, mudanças em características ecofisiológicas e os seus impactos na produção. No capítulo final, uma análise minuciosa de todos os parâmetros estudados permitiu identificar os que mais contribuíram para o screening entre variedades tolerantes e suscetíveis. O estudo incluiu genótipos de cinco grupos com diferentes backgrounds genéticos. Os resultados revelaram variabilidade entre e dentro dos grupos relativamente à maioria das características analisadas. Vários genótipos apresentaram bom desempenho sob alagamento, com produções por planta estáveis ou até superiores; isso foi evidente no grupo australiano, mas abrangeu todos os grupos, com exceção do italiano. Por outro lado, quebras de produção atingiram 86,6% nalguns casos. Vários parâmetros mostraram correlações significativas com o rendimento. Entre eles, e considerando aqueles avaliados durante o stress e o período de recuperação, os valores de SPAD e Fv/Fm e Fv’/Fm’ mostraram a correlação mais forte.