A Multi-Omic Study of Agronomic Traits of Emerging Interest for Rice Breeding Using Genetic Tools and Population Resources

[ES] El arroz es uno de los cultivos más importantes del mundo, ya que constituye la principal fuente de calorías para una gran parte de la población mundial. Los continuos cambios en la demanda del sector arrocero y la aparición de nuevas condiciones climáticas exigen el desarrollo de nuevas variedades mejoradas adaptadas a los entornos locales. Además, el cultivo del arroz debe hacer frente al doble y apremiante reto de reducir los insumos agroquímicos, en particular los herbicidas y los fertilizantes nitrogenados, que son factores clave de la degradación medioambiental en ecosistemas sensibles, sin dejar de garantizar una alta productividad. El mejoramiento genético del arroz se lleva a cabo a nivel local debido a la alta sensibilidad de las plantas de arroz a factores ambientales como el fotoperíodo y el clima. En España se cultiva arroz japonica templado, adaptado al clima mediterráneo. Los recientes avances en las herramientas genómicas han modernizado el cultivo del arroz, haciéndolo más rápido y específico. Este progreso se ha visto respaldado por la creciente disponibilidad de poblaciones genéticas y nuevas variedades. Esta tesis doctoral aborda estos retos mediante la integración de la secuenciación del genoma completo, la secuenciación del ARN (RNA-seq) y el fenotipado de campo utilizando dos recursos genéticos complementarios: una colección de 171 accesiones japonica templada y una población MAGIC (Multi-parent Advanced Generation Inter-Cross) de 192 líneas. El trabajo se centra en descifrar las bases genéticas y moleculares de (i) la capacidad alelopática del arroz para supresión de malas hierbas, (ii) los caracteres agronómicos relacionados con la arquitectura y la fenología de las plantas, y (iii) la eficiencia en el uso del nitrógeno (NUE). La alelopatía, la capacidad de algunas plantas para suprimir el crecimiento de las malas hierbas a través de compuestos liberados por las raíces, se evaluó mediante un estudio de asociación del genoma completo (GWAS) en la colección de variedades, utilizando 75,998 SNPs de alta calidad. Se observó una variación natural significativa en el potencial alelopático contra Echinochloa crus-galli y se identificaron cuatro QTLs asociados. Entre los genes candidatos dentro de estos loci se encontraban OsPAL y los factores de transcripción OsMYB30 y OsMYB52. El análisis de RNA-seq de las raices en dos variedades contrastantes en cocultivo con E. crus-galli reveló que el genotipo alelopático activaba la vía biosintética de los fenilpropanoides, mientras que los genes asociados con la via de los diterpenos no se inducían. La población MAGIC se genotipó obteniendo 71,710 SNPs, y se utilizó para generar un mapa genético de alta resolución para múltiples caracteres. El GWAS identificó 35 QTL para la arquitectura y la fenología de la planta, incluidos genes canónicos como SD1, RAE2, TAC1 y Ghd8, así como los loci pleiotrópicos qPL9 y qH9 en el cromosoma 9. La evaluación de las mismas líneas en condiciones de nitrógeno contrastantes mejoró la precisión fenotípica y permitió la identificación de 21 QTL relacionados con la NUE. Los genes candidatos incluyeron ERF142/NGR5, OsAAP12A y OsGATA8, implicados en la absorción de nitrógeno, la asimilación y la regulación de las panículas. En conjunto, este trabajo demuestra la solidez de la integración de diversos recursos genéticos, GWAS, RNA-seq y fenotipado robusto en campo para estudiar rasgos complejos y apoyar el mejoramiento sostenible del arroz japonica templado.

[CA] L'arròs és un dels cultius més importants del món, ja que constituïx la principal font de calories per a una gran part de la població mundial. Els continus canvis en la demanda del sector arrosser i l'aparició de noves condicions climàtiques exigixen el desenrotllament de noves varietats millorades adaptades als entorns locals. A més, el cultiu de l'arròs ha de fer front al doble i urgent repte de reduir els inputs agroquímics, en particular els herbicides i els fertilitzants nitrogenats, que són factors clau de la degradació mediambiental en ecosistemes sensibles, sense deixar de garantir una alta productivitat. El millorament genètic de l'arròs es du a terme a nivell local a causa de l'alta sensibilitat de les plantes d'arròs a factors ambientals com el fotoperíode i el clima. A Espanya es cultiva arròs japonica temperat, adaptat al clima mediterrani. Els recents avanços en les ferramentes genòmiques han modernitzat el cultiu de l'arròs, fent-lo més ràpid i específic. Este progrés s'ha vist recolzat per la creixent disponibilitat de poblacions genètiques i noves varietats. Esta tesi doctoral aborda estos reptes mitjançant la integració de la seqüenciació del genoma complet, la seqüenciació de l'ARN (RNA-seq) i el fenotipat en camp durant diversos anys utilitzant dos recursos genètics complementaris: una col·lecció de 171 varietats japonica temperada i una població MAGIC (Multi-parent Advanced Generation Inter-Cross) de 192 línies. El treball se centra en desxifrar les bases genètiques i moleculars de (i) la capacitat alelopàtica de l'arròs per a la supressió de males herbes, (ii) els caràcters agronòmics relacionats amb l'arquitectura i la fenología de les plantes, i (iii) l'eficiència en l'ús del nitrogen (NUE). La alelopatía, la capacitat d'algunes plantes per a suprimir el creixement de les males herbes a través de compostos alliberats per les arrels, es va avaluar mitjançant un estudi d'associació del genoma complet (GWAS) en la col·lecció de accessions, utilitzant 75,998 SNPs d'alta qualitat. Es va observar una variació natural significativa en el potencial alelopàtic contra Echinochloa crus-galli i es van identificar quatre QTLs associats. Entre els gens candidats dins d'estos loci es trobaven OsPAL i els factors de transcripció OsMYB30 i OsMYB52. L'anàlisi transcriptòmic de les arrels en dos varietats contrastants en cocultiu amb E. crus-galli va revelar que el genotip alelopàtic activava la via biosintètica dels fenilpropanoids, mentres que els gens associats amb la via dels diterpenoids no s'induïen. La població MAGIC es va genotipar obtenint 71,710 SNPs, i es va utilitzar per a generar un mapa genètic d'alta resolució per a múltiples caràcters. El GWAS va identificar 35 QTLs per a l'arquitectura i la fenología de la planta, inclosos gens canònics com SD1, RAE2, TAC1 i Ghd8, així com els loci pleiotròpics qPL9 i qH9 en el cromosoma 9. L'avaluació de les mateixes línies en condicions de nitrogen contrastants va millorar la precisió fenotípica i va permetre la identificació de 21 QTLs relacionats amb la NUE. Els gens candidats van incloure ERF142/NGR5, OsAAP12A i OsGATA8, implicats en l'absorció de nitrogen, l'assimilació i la regulació de les panícules. En conjunt, este treball demostra la solidesa de la integració de diversos recursos genètics, GWAS, RNA-seq i fenotipat robust en camp per a estudiar trets complexos i donar suport al millorament sostenible de l'arròs japonica temperat.

[EN] Rice is one of the world's most important crops, serving as the primary source of calories for a large portion of the global population. Continuous shifts in the demands of the rice sector and the emergence of new climatic conditions require the development of new improved varieties adapted to local environments. Additionally, rice cultivation must now address the dual and pressing challenge of reducing agrochemical inputs, particularly herbicides and nitrogen fertilizers, which are key contributors to environmental degradation in sensitive ecosystems, while still ensuring high productivity. Rice breeding is carried out locally due to the high sensitivity of rice plants to environmental factors such as photoperiod and climate. In Spain, temperate japonica rice is cultivated which is adapted to the Mediterranean climate. Recent advances in genomic tools have modernized rice breeding, making it faster and more targeted. This progress has been further supported by the increasing availability of diverse genetic resources and mapping populations adapted to local conditions. This Ph.D. thesis addresses these challenges by integrating whole-genome sequencing, RNA sequencing (RNA-seq), and field phenotyping using two complementary genetic resources: a collection of 171 temperate japonica accessions and a MAGIC (Multi-parent Advanced Generation Inter-Cross) population of 192 lines. The work focuses on deciphering the genetic and molecular basis of (i) allelopathic weed suppression, (ii) agronomic traits related to plant architecture and phenology, and (iii) nitrogen use efficiency (NUE). Allelopathy, the ability of some plants to suppress weed growth through root-released compounds, was evaluated through a genome-wide association study (GWAS) on the variety collection, using 75,998 high-quality SNPs. Significant natural variation in allelopathic potential against Echinochloa crus-galli was observed, and four associated QTLs were identified. Candidate genes within these loci included OsPAL and transcription factors OsMYB30 and OsMYB52. Complementary RNA-seq analysis of root tissue in two contrasting varieties under co-cultivation with E. crus-galli revealed that the allelopathic genotype activated phenylpropanoid biosynthetic pathways, while genes associated with diterpene phytoalexins were not induced. The MAGIC population was genotyped with 71,710 SNPs and used to generate a high-resolution genetic map for multiple traits. GWAS identified 35 QTLs for plant architecture and phenology, including canonical genes such as SD1, RAE2, TAC1, and Ghd8, as well as pleiotropic loci qPL9 and qH9 on chromosome 9. Evaluation of the same lines grown under contrasting nitrogen conditions improved phenotypic accuracy and enabled the identification of 21 NUE-related QTLs. Candidate genes included ERF142/NGR5, OsAAP12A, and OsGATA8, involved in nitrogen uptake, assimilation, and tillering regulation. Altogether, this work demonstrates the strength of integrating diverse genetic resources, GWAS, RNA-seq, and robust field phenotyping to study complex traits and support sustainable breeding in temperate japonica rice.