Diversity assessment of the semi-natural Lebanese, Spanish and Moroccan carob germplasm and evaluation for resilience to drought | Evaluación de la diversidad del germoplasma de algarrobo seminatural libanés, español y marroquí y su resiliencia a la sequía

The carob tree (Ceratonia siliqua L.), a plant native to the Mediterranean Basin, is a species recognized for its drought-resistant and has been grown for ages because of its industrial use and extremely nutritious edible fruit. Because of its exceptional genetic and morphological responses to climate change, it is a promising tree species for conservation and breeding initiatives. Optimizing the use of carob populations in reforestation and agriculture requires an understanding of their genetic variety, nutritional makeup and drought resistance. This doctoral thesis research raised three main hypothesis to be tested, 1) determining whether the carob individuals from Morocco, Spain and Lebanon that were analyzed genetically different from one another, 2) analyzing the bromatological and nutritional characteristics of carob pulp from the three countries, 3) determining if there are particular populations or individuals of carobs from Morocco, Spain or Lebanon that are drought tolerant and if there is any relationship between the drought resilience of the offspring and the morphological characteristics of the mother trees' pods and seeds. In this context, the germplasm of the carob tree in the three Mediterranean countries, in Lebanon, Spain and Morocco were assessed. The genetic diversity of seminatural carob populations from the three countries was studied using EST-SSR markers. Additionally, the nutritional value and antioxidant qualities of carob pulp were evaluated, pod and seed morphological characteristics were examined, as well as the drought performance in seedlings. According to genetic analysis results, a considerable diversity within carob populations with over 80% was revealed, whereas just 20% of variation was scored among them Three distinct genetic clusters corresponding to each country were revealed by structure analysis; however, Moroccan and Spanish populations showed some genetic proximity. The composition of carob pulp varied significantly amongst the three countries according to the bromatological results. While Moroccan samples scored the highest amount of protein and lipids, Spanish samples were distinguished by higher levels of carbohydrates, sucrose, polyphenols and antioxidant activity. Higher sucrose and humidity concentration in the Lebanese samples was notable. Moroccan samples demonstrated the highest seed yield, whereas the Lebanese ones scored the largest and heaviest. The drought stress experiment showed that Lebanese seedlings thrived in environments with minimal water. A relationship between maternal tree attributes and progeny resilience was suggested by the correlation found between pod traits (e.g. size) and seedling performance under drought stress. The significant genetic, nutritional and phenotypic variety found in semi-natural carob populations from Morocco, Spain and Lebanon is highlighted in this study. The results revealed how crucial it is to preserve wild carob germplasm to provide a variety of genetic resources for breeding initiatives that enhance agronomic characteristics, nutritional value and drought resistance. The grouping of populations by morphological characteristics and genetic structure implies that regional adaptations are crucial in determining carob diversity in various Mediterranean locations. By using these findings, better carob cultivars that strike a balance between production and resistance to environmental stressors can be created, supporting reforestation and sustainable agriculture in dry and semi-arid areas.

El algarrobo (Ceratonia siliqua L.), una planta nativa de la cuenca del Mediterráneo se caracteriza por su alta resistencia a la sequía, y ha sido cultivado durante siglos debido a su uso industrial y a su fruto comestible altamente nutritivo. Gracias a sus excepcionales respuestas genéticas y morfológicas al cambio climático, es una especie promisoria para iniciativas de conservación y para programas de mejora genética. Para optimizar el uso de las poblaciones de algarrobo en la reforestación y en la agricultura, es fundamental comprender su diversidad genética, composición nutricional y resistencia a la sequía. La investigación de esta tesis doctoral planteó tres hipótesis para ser probadas, centrándose en: 1) determinar si los individuos de algarrobo de Marruecos, España y Líbano analizados presentan diferencias genéticas entre sí, 2) analizar las características bromatológicas y nutricionales de la pulpa de algarrobo procedente de los tres países, y 3) evaluar si existen poblaciones o individuos específicos de algarrobos en Marruecos, España o Líbano que sean tolerantes a la sequía, y si hay una relación entre la resistencia a la sequía de las plántulas y las características morfológicas de las vainas y semillas de los árboles madre. En este contexto, se evaluó el germoplasma del algarrobo en los tres países mediterráneos mencionados. La diversidad genética de las poblaciones seminaturales de algarrobo se estudió utilizando marcadores EST-SSR. Además, se evaluaron el valor nutricional y las propiedades antioxidantes de la pulpa, se examinaron las características morfológicas de las vainas y semillas, y se analizó el desempeño frente al estrés hídrico en plántulas. El análisis genético reveló una considerable diversidad dentro de las poblaciones (más del 80%), mientras que sólo un 20% correspondió a variación entre ellas. El análisis de la estructura de las poblaciones identificó tres grupos genéticos distintos según el país, aunque las poblaciones marroquíes y españolas mostraron cierta proximidad. Los resultados de bromatológicos indicaron diferencias significativas entre los países. Las muestras marroquíes presentaron mayor contenido proteico y lipídico; las españolas destacaron por niveles más altos de carbohidratos, sacarosa, polifenoles y actividad antioxidante; mientras que las libanesas mostraron mayor concentración de sacarosa y humedad. Las plántulas libanesas prosperaron mejor en condiciones con mínima disponibilidad de agua. Además, se encontró una correlación entre los atributos del árbol materno (como el tamaño de las vainas) y el rendimiento de las plántulas bajo estrés hídrico. Este estudio destaca la diversidad genética, nutricional y fenotípica de las poblaciones seminaturales de algarrobo en Marruecos, España y Líbano. Los resultados subrayan la importancia de conservar el germoplasma silvestre del algarrobo para proporcionar recursos genéticos valiosos que mejoren características agronómicas, valor nutricional y resistencia a la sequía. La agrupación por características morfológicas y estructura genética sugiere que las adaptaciones regionales son clave para determinar la diversidad del algarrobo en diferentes localidades mediterráneas. Estos hallazgos pueden contribuir al desarrollo de mejores cultivares que equilibren producción y resistencia a factores ambientales adversos, promoviendo así la reforestación sostenible y la agricultura en áreas áridas o semiáridas.