Caracterización genética, transcriptómica y metabólica de cinco cultivares de tomate discrepantes para caracteres de fruto y su comportamiento en condición híbrida

• Autores: Fortuny, Agustina Paula
• Año de publicación: 2022
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Zanor, M. Inés; Rodríguez, Gustavo R.
• Materia: Tomate; Solanum Lycopersicum; Heterosis; Híbridos; Vigor híbrido
• Institución: Universidad Nacional de Rosario

El tomate (Solanum lycopersicum L.) es uno de los cultivos hortícolas más importantes a nivel mundial, ya sea a nivel productivo como por el valor nutricional del fruto. La heterosis y el efecto recíproco son dos fenómenos biológicos reportados que podrían afectar los atributos internos y externos de frutos carnosos. La heterosis existe cuando el híbrido F1 tiene un fenotipo superior a sus líneas parentales. La presencia de efecto recíproco implica la existencia de diferencias fenotípicas entre híbridos recíprocos, los cuales son obtenidos al invertir la dirección del cruzamiento de los genotipos. Los objetivos principales de este trabajo fueron evaluar en condición híbrida el comportamiento de cinco cultivares de tomate con distintos orígenes genéticos y explorar los mecanismos genéticos de la heterosis y los efectos recíprocos en tomate para diferentes caracteres de fruto. En primera instancia, cinco cultivares (Querubín FCA [Q], Gema FCA [G], la RIL17, Purple Pear [PP] y Green Zebra [GZ]) fueron crecidos en dos ambientes de cultivo para estimar la influencia del ambiente en sus fenotipos. Se evaluaron 12 caracteres agronómicos en frutos al estado pintón y rojo maduro, y 28 metabolitos identificados y estimados en frutos al estado rojo maduro utilizando la técnica de resonancia magnética nuclear de protón. Dado que el componente genotipo fue más importante que el ambiental, los 40 caracteres fueron posteriormente medidos en los 20 híbridos resultantes del cruzamiento de las cinco líneas parentales siguiendo un diseño dialélico completo en invernadero. Los híbridos mostraron una diversidad fenotípica más amplia que los genotipos parentales. Los caracteres morfológicos estuvieron más influenciados por la aptitud combinatoria general, mientras que para la mayoría de los metabolitos tuvo mayor relevancia la aptitud combinatoria específica. En general, predominaron las acciones génicas no aditivas, por ejemplo, dominancia completa para caracteres agronómicos, ácidos orgánicos y otros, y sobredominancia para aminoácidos y azúcares. Interesantemente, los metabolitos, principalmente aminoácidos, mostraron mayor heterosis y efecto recíproco que el resto de los caracteres evaluados. Se encontraron numerosas correlaciones fenotípicas significativas. Utilizando una población genéticamente distinta, se validaron las correlaciones fenotípicas entre firmeza y vida poscosecha y entre número de lóculos y forma, otorgándole mayor robustez a las relaciones entre estos caracteres. Posteriormente, se seleccionaron cuatro cruzamientos (incluyendo genotipos parentales y ambas F1 recíprocas) por ser aquellos en los que se encontró mayor número de caracteres con heterosis, efecto recíproco y/o efectos maternos y paternos. Los mismos fueron Q-RIL17, Q-G, RIL17-PP y G-GZ. Utilizando la técnica basada en polimorfimos en la longitud de fragmentos amplificados, se obtuvo el perfil transcriptómico de frutos al estado rojo maduro de los 13 genotipos seleccionados, utilizando cuatro combinaciones de cebadores. El cruzamiento entre Q y G fue el que más fragmentos amplificó, entre los que se encontró heterosis, dominancia completa, efecto materno, paterno, y recíproco. Además, este cruzamiento mostró diez metabolitos con heterosis, tres con efecto recíproco, uno con efecto materno y hubo caracteres que mostraron heterosis y valores altos de aptitud combinatoria específica. En base a los resultados de caracteres agronómicos, metabolitos y transcriptos de fruto, se seleccionaron Q y G junto con sus híbridos recíprocos QxG y GxQ para estudiar sus perfiles de expresión génica y detectar genes diferenciales en fruto rojo maduro mediante la secuenciación del ARN (RNA-seq). Los híbridos recíprocos mostraron las mayores diferencias significativas a nivel de transcriptos, y entre ellos, se encontraron genes que codifican para factores de transcripción, principalmente relacionados a estreses bióticos y abióticos. Cuando se analizó el tipo de acción génica de los transcriptos se encontró que la aditividad fue la predominante, habiendo también casos de sobredominancia y dominancia completa. Para continuar con el objetivo de explorar las bases moleculares de los polimorfimos y los mecanismos genéticos de la heterosis y los efectos recíprocos, los resultados del RNA-seq fueron combinados con los datos del contenido de metabolitos. Se identificaron genes expresados diferencialmente relacionados con metabolitos que influyen en el sabor y en el contenido nutricional de frutos de tomate. Luego de integrar los resultados de acciones génicas para transcriptos y metabolitos del cruzamiento en estudio, se demostró que los fenotipos metabólicos de las líneas parentales fueron explicados principalmente por transcriptos con acción génica aditiva. En contraste, la heterosis en los híbridos fue explicada por transcriptos con acción génica no aditiva, con predominancia de sobredominancia. Los resultados presentados en esta tesis demuestran la posibilidad de obtener híbridos con heterosis y alto contenido de metabolitos relacionados al sabor del tomate y componentes nutricionales. Además, se evidencia el impacto de seleccionar un cultivar como parental femenino o masculino en un cruzamiento, ya sea a nivel de expresión génica, acumulación de metabolitos o determinación de caracteres agronómicos en frutos. Además, con este trabajo se contribuye a profundizar el conocimiento de las bases moleculares de la heterosis y los efectos recíprocos en cultivos vegetales, específicamente para metabolitos relacionados a sabor y componentes nutricionales del fruto del tomate.
Tomato (Solanum lycopersicum L.) is one of the most important horticultural crops worldwide, for which heterosis and reciprocal effect (RE) have been reported. Heterosis occurs when hybrids surpass their parents’ phenotypes. Reciprocal hybrids are obtained by inverting the crossing direction of two parental genotypes, and phenotypic differences between them determine RE. This work aimed to evaluate the performance in hybrid condition of five tomato cultivars with different genetic origins and to explore the genetic mechanisms underlying heterosis and RE in tomato fruit quality traits. Five cultivars (Querubín FCA [Q], Gema FCA [G], RIL17, Purple Pear, and Green Zebra) were grown in two growing conditions to estimate the environmental influence on the phenotypes. Twelve agronomic traits and 28 metabolites were evaluated in fruits. Since the genotype was more important than the environment, the 40 traits were measured in the 20 hybrids obtained by crossing the five cultivars following a full diallel mating design in the greenhouse. The hybrids increased the phenotypic variability displayed by the parental genotypes. The morphological traits had higher values of general combining ability and additivity, while most of the metabolites were more affected by specific combining ability, heterosis, and RE. Several phenotypic correlations among traits were detected. Due to the existence of heterosis, reciprocal, maternal, and paternal effects four crosses were selected for analysis of transcriptomic profiles using the technique “Amplified Fragment Length Polymorphism based on transcript profiling”. Based on the results obtained so far, the genotypes Q, G, QxG, and GxQ were selected to study their gene expression profiles and to detect differentially expressed genes of red ripe fruits, by RNA-sequencing. The reciprocal hybrids showed the highest significant differences at the transcriptomic level. Using a multi-omics approach, several genes related to metabolites that influence the flavour and nutritional content of tomato fruits were found. The parental phenotypes were explained mainly by transcripts with additivity, while the heterosis was explained mostly by transcripts with overdominance. The results presented in this work demonstrate the possibility to obtain hybrids with heterosis and the impact of selecting a cultivar as female or male in a cross. This work contributes to a deeper understanding of the molecular bases of heterosis and RE, specifically for metabolites related to tomato flavour and nutritional composition.
Fil: Fil: Apellido, Nombre. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias; Argentina
Fil: Fil: Fortuny, Agustina Paula. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias; Argentina