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Common bean is a major dietary component in several countries, but its productivity is negatively affected by abiotic stresses. Dissecting candidate genes involved in abiotic stress tolerance is a paramount step toward the improvement of common bean performance under such constraints. Thereby, this thesis presents a systematic analysis of the DEHYDRATION RESPONSIVE ELEMENT-BINDING (DREB) gene subfamily, which encompasses genes that regulate several processes during stress responses, but with limited information for common bean. First, a series of in silico analyses with sequences retrieved from the P. vulgaris genome on Phytozome supported the categorization of 54 putative PvDREB genes distributed within six phylogenetic subgroups (A-1 to A-6), along the 11 chromosomes. Second, we cloned four novel PvDREB genes and determined their inducibility-factors, including the dehydration-, salinity- and cold-inducible genes PvDREB1F and PvDREB5A, and the dehydration- and cold-inducible genes PvDREB2A and PvDREB6B. Afterwards, nucleotide polymorphisms were searched through Sanger sequencing along those genes, revealing a high number of single nucleotide polymorphisms within PvDREB6B by the comparison of Mesoamerican and Andean genotypes. The nomenclature of PvDREB6B is discussed in details. Furthermore, we used the BARCBean6K_3 SNP platform to identify and genotype the closest SNP to each one of the 54 PvDREB genes. We selected PvDREB6B for a broader study encompassing a collection of wild common bean accessions of Mesoamerican origin. The population structure of the wild beans was accessed using sequence polymorphisms of PvDREB6B. The genetic clusters were partially associated with variation in latitude, altitude, precipitation and temperature throughout the areas such beans are distributed. With an emphasis on drought stress, an adapted tube-screening method in greenhouse conditions enabled the phenotyping of several drought-related traits in the wild collection. Interestingly, our data revealed a correlation between root depth, plant height and biomass and the environmental data of the location of the accessions. Correlation was also observed between the population structure determined through PvDREB6B and the environmental data. An association study combining data from the SNP array and DREB polymorphisms enabled the detection of SNP associated with drought-related traits through a compressed mixed linear model (CMLM) analysis. This thesis highlighted important features of DREB genes in common bean, revealing candidates for further strategies aimed at improvement of abiotic stress tolerance, with emphasis on drought tolerance / O feijoeiro é um componente essencial na dieta em diversos países, no entanto, sua produção é afetada negativamente por estresses abióticos. O estudo de genes candidatos envolvidos na adaptação aos estresses é uma etapa fundamental para o melhoramento da performance do feijoeiro sob tais estresses. Desse modo, esta tese apresenta uma análise sistemática da subfamília de genes DEHYDRATION RESPONSIVE ELEMENT-BINDING (DREB), que reúne genes envolvidos em diversos processos em resposta a estresses, mas pouco estudados no feijoeiro. Primeiramente, uma série de análises in silico com sequências de feijoeiro obtidas da plataforma Phytozome possibilitaram a categorização de 54 genes PvDREB putativos, distribuídos em seis subgrupos (A-1 até A-6) nos 11 cromossomos da espécie. Posteriormente, quatro novos genes PvDREB foram clonados e seus padrões de inducibilidade foram determinados. PvDREB1F e PvDREB5A foram induzidos por desidratação, baixa temperatura e salinidade, enquanto PvDREB2A e PvDREB6B foram predominantemente induzidos por desidratação e baixa temperatura. Polimorfismos de nucleotídeos foram buscados através de sequenciamento por método derivado de Sanger, revelando elevado número de SNP no gene PvDREB6B. A nomenclatura desse gene foi discutida detalhadamente ao longo da tese. A plataforma de marcadores SNP BARCBean6K_3 foi acessada para identificar o SNP mais próximo de cada um dos 54 PvDREB. O gene PvDREB6B foi selecionado para um estudo mais amplo, envolvendo uma coleção de acessos selvagens de origem Mesoamericana. A estrutura populacional destes genótipos foi analisada a partir de polimorfismos na sequência de PvDREB6B. Os grupos genéticos apresentaram associação parcial com variação da latitude, altitude, precipitação e temperatura das áreas em que os acessos naturalmente ocorrem. Com ênfase no estudo do déficit hídrico, uma plataforma de fenotipagem destes acessos em casa de vegetação, utilizando um sistema de tubos plásticos, foi elaborada para a análise de diversos parâmetros relacionados ao estresse por déficit hídrico. Os dados revelaram correlação entre profundidade de raízes, altura das plantas e a biomassa e as variáveis ambientais de cada local. A correlação também foi detectada entre a estrutura populacional estudada por PvDREB6B e os dados ambientais. Finalmente, um estudo de associação genética foi realizado entre os SNP da plataforma e ligados a DREB e os parâmetros fenotípicos, permitindo a identificação de marcadores SNP associados a caracteres específicos, usando um modelo linear misto (CMLM). Esta tese apresentou importantes aspectos sobre os genes DREB em feijoeiro, revelando candidatos para seu uso em estratégias de melhoramento para tolerância a estresses abióticos, com ênfase em déficit hídrico

Common bean is a major dietary component in several countries, but its productivity is negatively affected by abiotic stresses. Dissecting candidate genes involved in abiotic stress tolerance is a paramount step toward the improvement of common bean performance under such constraints. Thereby, this thesis presents a systematic analysis of the DEHYDRATION RESPONSIVE ELEMENT-BINDING (DREB) gene subfamily, which encompasses genes that regulate several processes during stress responses, but with limited information for common bean. First, a series of in silico analyses with sequences retrieved from the P. vulgaris genome on Phytozome supported the categorization of 54 putative PvDREB genes distributed within six phylogenetic subgroups (A-1 to A-6), along the 11 chromosomes. Second, we cloned four novel PvDREB genes and determined their inducibility-factors, including the dehydration-, salinity- and cold-inducible genes PvDREB1F and PvDREB5A, and the dehydration- and cold-inducible genes PvDREB2A and PvDREB6B. Afterwards, nucleotide polymorphisms were searched through Sanger sequencing along those genes, revealing a high number of single nucleotide polymorphisms within PvDREB6B by the comparison of Mesoamerican and Andean genotypes. The nomenclature of PvDREB6B is discussed in details. Furthermore, we used the BARCBean6K_3 SNP platform to identify and genotype the closest SNP to each one of the 54 PvDREB genes. We selected PvDREB6B for a broader study encompassing a collection of wild common bean accessions of Mesoamerican origin. The population structure of the wild beans was accessed using sequence polymorphisms of PvDREB6B. The genetic clusters were partially associated with variation in latitude, altitude, precipitation and temperature throughout the areas such beans are distributed. With an emphasis on drought stress, an adapted tube-screening method in greenhouse conditions enabled the phenotyping of several drought-related traits in the wild collection. Interestingly, our data revealed a correlation between root depth, plant height and biomass and the environmental data of the location of the accessions. Correlation was also observed between the population structure determined through PvDREB6B and the environmental data. An association study combining data from the SNP array and DREB polymorphisms enabled the detection of SNP associated with drought-related traits through a compressed mixed linear model (CMLM) analysis. This thesis highlighted important features of DREB genes in common bean, revealing candidates for further strategies aimed at improvement of abiotic stress tolerance, with emphasis on drought tolerance / O feijoeiro é um componente essencial na dieta em diversos países, no entanto, sua produção é afetada negativamente por estresses abióticos. O estudo de genes candidatos envolvidos na adaptação aos estresses é uma etapa fundamental para o melhoramento da performance do feijoeiro sob tais estresses. Desse modo, esta tese apresenta uma análise sistemática da subfamília de genes DEHYDRATION RESPONSIVE ELEMENT-BINDING (DREB), que reúne genes envolvidos em diversos processos em resposta a estresses, mas pouco estudados no feijoeiro. Primeiramente, uma série de análises in silico com sequências de feijoeiro obtidas da plataforma Phytozome possibilitaram a categorização de 54 genes PvDREB putativos, distribuídos em seis subgrupos (A-1 até A-6) nos 11 cromossomos da espécie. Posteriormente, quatro novos genes PvDREB foram clonados e seus padrões de inducibilidade foram determinados. PvDREB1F e PvDREB5A foram induzidos por desidratação, baixa temperatura e salinidade, enquanto PvDREB2A e PvDREB6B foram predominantemente induzidos por desidratação e baixa temperatura. Polimorfismos de nucleotídeos foram buscados através de sequenciamento por método derivado de Sanger, revelando elevado número de SNP no gene PvDREB6B. A nomenclatura desse gene foi discutida detalhadamente ao longo da tese. A plataforma de marcadores SNP BARCBean6K_3 foi acessada para identificar o SNP mais próximo de cada um dos 54 PvDREB. O gene PvDREB6B foi selecionado para um estudo mais amplo, envolvendo uma coleção de acessos selvagens de origem Mesoamericana. A estrutura populacional destes genótipos foi analisada a partir de polimorfismos na sequência de PvDREB6B. Os grupos genéticos apresentaram associação parcial com variação da latitude, altitude, precipitação e temperatura das áreas em que os acessos naturalmente ocorrem. Com ênfase no estudo do déficit hídrico, uma plataforma de fenotipagem destes acessos em casa de vegetação, utilizando um sistema de tubos plásticos, foi elaborada para a análise de diversos parâmetros relacionados ao estresse por déficit hídrico. Os dados revelaram correlação entre profundidade de raízes, altura das plantas e a biomassa e as variáveis ambientais de cada local. A correlação também foi detectada entre a estrutura populacional estudada por PvDREB6B e os dados ambientais. Finalmente, um estudo de associação genética foi realizado entre os SNP da plataforma e ligados a DREB e os parâmetros fenotípicos, permitindo a identificação de marcadores SNP associados a caracteres específicos, usando um modelo linear misto (CMLM). Esta tese apresentou importantes aspectos sobre os genes DREB em feijoeiro, revelando candidatos para seu uso em estratégias de melhoramento para tolerância a estresses abióticos, com ênfase em déficit hídrico

Doctor of Philosophy / Department of Biology / Mark Ungerer / Elucidating the molecular basis of adaptive phenotypic variation represents a central aim in evolutionary biology. Using the model plant species Arabidopsis thaliana, I studied the intra-specific variation in freezing tolerance among natural accessions across its native range. Considerable variation in freezing tolerance among 71 selected accessions was observed both with and without a prior cold acclimation treatment, suggesting that both differences in cold-acclimation capacity and in intrinsic physiology contribute to this variation. A highly significant positive relationship was observed between freezing tolerance and latitude of origin of these accessions. This clinal pattern of variation is found to be attributable, at least in part, to relaxed purifying selection on CBF/DREB1 genes in the species’ southern range. These CBF/DREB1 genes encode transcriptional activators that play a critical role in the ability of A. thaliana plants to undergo cold acclimation and thereby achieve maximum freezing tolerance. Relative to accessions from northern regions, accessions of A. thaliana from the southern part of their geographic range exhibit significantly higher levels of nonsynonymous polymorphisms in coding regions of CBF/DREB1 genes. Relaxed selection on the CBF/DREB1s in southern accessions also has resulted in mutations in regulatory regions that lead to abrogated expression. These mutations in coding and regulatory regions compromise the function of CBF/DREB1 transcriptional activators during the cold acclimation process, as determined by reductions in rates of induction and maximum levels of expression in the downstream genes they regulate. These mutations could be selective neutral or beneficial in southern accessions depending on whether there is an allocation cost associated with cold acclimation. The fitness benefit and possible allocation cost of cold acclimation was examined in freezing and freezing-free environments using natural accessions exhibiting contrasting abilities of cold acclimation as well as transgenic CBF gene over-expression or knockdown/knockout lines. The extent to which cold acclimation benefits the plant in presence of freezing temperature is revealed, but a cost of cold acclimation wasn’t detected in the absence of freezing temperature under our experimental design, which suggests that these mutations in CBF genes in southern accessions might be neutral to natural selection.