Precision water stress measurements to screen berry cultivars and pre-breeding material water stress tolerance for reducing water use and increasing fruit sensorial and nutritional quality

In light of climate change, drought has emerged as a significant problem for agriculture, particularly in arid and semi-arid regions of the world. This study addresses the urgent need to identify and select drought-tolerant berry plants, and to develop methods applicable by breeders to accomplish this task. The following thesis consists of four chapters. The first chapter is an introduction to the current ‘berries’ landscape and the difficulties in cultivation caused by dryness. The second chapter deals with the changes in the physiological state of strawberry plants, between modern cultivars, old cultivars (Fragaria x ananassa) and new selections (F. ananassa x F. chiloensis) from the IFAPA genetic improvement programme (Malaga, Spain), under both correct irrigation and drought conditions. The results confirm the efficiency of instantaneous carboxylation (AN/Ci) as a reliable measure of a plant's drought tolerance. Furthermore, the new selections based on Fragaria chiloensis germplasm showed deficiencies in resilience to water deficit, in contrast to ‘Rociera’ which showed significant resistance to water scarcity. The third chapter compares two cultivars and one selection from the strawberry breeding programme conducted at the Università Politencica delle Marche (Ancona, Italy), grown in a system with three different irrigation levels. In addition to the production performance, the qualities of the fruits obtained were also evaluated. ‘Lauretta’ proved to be the most drought-resistant cultivar, preserving the bio-functional molecules within the fruit even in the driest growing conditions. The substrate analysis showed a potential water saving of 25% by optimising irrigation strategies. Finally, polyphenol molecules proved to be the most reactive in response to stress conditions, making polyphenol analysis (TPH) the most promising analytical procedure for screening the most water-deficient plants. The fourth chapter, carried out on-farm (Sant'Orsola S.C.A., Pergine Valsuga, Italy), revealed the performance of the ‘sap flow sensor’ on raspberry crops, as a reliable technology to calculate, in real time, the uptake of irrigation water by the plants. This highlighted the benefits of a drip irrigation system, compared to a sprinkler system. Finally, all this made it possible to test and confirm the necessity of integrating systems of this type into Rubus idaeus genetic improvement programmes, to evaluate the best selections in water consumption. ​

Alla luce del cambiamento climatico, la siccità è emersa come un problema significativo per l'agricoltura, in particolare nelle regioni aride e semi-aride del pianeta. Questo studio affronta l'urgente necessità di identificare e selezionare piante resistenti alla siccità, sviluppando metodi applicabili dai breeders per svolgere tale compito. La seguente tesi si compone di quattro capitoli. Il primo capito è un'introduzione sul panorama dei 'berries' attuale e sulle difficoltà nella coltivazione, comportate dalla siccità. Il secondo capitolo affronta i cambiamenti dello stato fisiologico di piante di fragola, tra cultivars moderne, cultivars antiche (Fragaria x ananassa) e nuove selezioni (F. ananassa x F. chiloensis) del programma di miglioramento genetico dell'IFAPA (Malaga, Spagna) , in condizioni sia di corretta irrigazione e sia di siccità. I risultati confermano l'efficienza della carbossilazione istantanea (AN/Ci) come misura affidabile della tolleranza di una pianta alla siccità. Inoltre, le nuove selezioni basate sul germoplasma di Fragaria chiloensis hanno mostrato carenze nella resilienza al deficit idrico, al contrario di 'Rociera' che ha dimostrato una resistenza significativa alla carenza di acqua. Il terzo capitolo pone a confronto due cultivars ed una selezione del programma di miglioramento genetico fragola condotto presso l'università Politecnica delle Marche (Ancona, Italia), coltivate in un sistema a tre differenti livelli di irrigazione. Sono state valutate, oltre alla performance produttiva, anche le qualità sia organolettiche sia nutrizionali dei frutti ottenuti. 'Lauretta' si rivelata la varietà più resistente alle condizioni di siccità, preservando le molecole bio-funzionali all'interno dei frutti anche nelle condizioni di coltivazione più siccitose. L'analisi del substrato ha evidenziato un potenziale risparmio idrico del 25% ottimizzando le strategie di irrigazione. Infine, le molecole di polifenoli si sono dimostrate le più reattive in risposta alle condizioni di stress (con una tendenza ad aumentare in risposta allo stress), rendendo l'analisi dei polifenoli la procedura analitica più promettente per fare uno screening sulle piante più resistenti a carenza idrica. Il quarto capitolo, svolto in azienda (Sant'Orsola S.C.A., Pergine Valsugana, Italia), ha rivelato la performance del 'sap flow sensor' su coltivazioni di lamponi, come tecnologia per calcolare in tempo reale l'assorbimento dell'acqua di irrigazione da parte delle piante. Ciò ha evidenziato i benefici di un sistema di irrigazione a goccia, rispetto ad un sistema a sprinkler aereo. Infine tutto ciò ha permesso di testare e di confermare la necessità di integrare sistemi di questo tipo all'interno di programmi di miglioramento genetico di Rubus idaeus, per valutare le selezioni migliori nel consumo di acqua. ​