Bases genéticas y moleculares de la calidad del fruto en albaricoquero (prunus armeniaca L.)

Abstract

Los objetivos de esta tesis doctoral fueron la caracterización fenotípica y estudio del modo de herencia de los principales caracteres relacionados con la fenología y calidad del fruto en la especie albaricoquero, así como la caracterización genotípica mediante marcadores de ADN (SSRs y SNPs), construcción de mapas de ligamiento genético, identificación de QTLs asociados a caracteres de interés y localización de posibles genes candidatos. El material vegetal utilizado consistió en tres poblaciones segregantes de albaricoquero: ‘Z701-1’× ‘Palsteyn’ (‘Z×P’), ‘Bergeron’ × ‘Currot’ (‘B×C’) y ‘Goldrich’ × ‘Currot’ (‘G×C’) con 160, 187 y 200 descendientes respectivamente. La caracterización fenotípica nos ha permitido la evaluación de fecha de floración, fecha de maduración, ciclo de desarrollo del fruto, peso del fruto, peso del hueso, calibre, color del fruto, firmeza, contenido en sólidos solubles y acidez. Los resultados muestran una gran variabilidad y segregación en cada población, así como evidentes diferencias interanuales. Los histogramas de frecuencias revelan en general una distribución normal de los descendientes en la mayoría de los caracteres evaluados, lo que confirma el carácter poligénico y herencia cuantitativa para todos ellos. Sin embargo, fecha de floración y maduración llegan a mostrar distribuciones bi-modales o tri-modales debido a las diferencias climáticas inter-anuales. Se observa la presencia de valores transgresivos en los descendientes debido a la influencia del fondo genético de los parentales, así como de herencia intermedia. La mayoría de los caracteres evaluados muestran además una buena correlación entre años. En la población ‘Z701-1’ × ‘Palsteyn’ se construyeron los mapas de ligamiento genético a partir de 160 descendientes, utilizando un total de 42 SSRs. Los mapas de ‘Z701-1’ y ‘Palsteyn’ cubren una extensión de 336,2 cM y 363,1 cM respectivamente. En el análisis de QTLs se identificaron QTLs significativos para los principales caracteres fenológicos y de la calidad del fruto en albaricoque. Los resultados mostraron la gran influencia del grupo de ligamiento (LG) 4 para fecha de maduración y ciclo de desarrollo del fruto. La presente tesis abordó un estudio de mejora en la eficiencia de la metodología para el desarrollo y análisis de SNPs, combinando la secuenciación masiva de ARN (RNA-Seq) y la técnica SNPlex mediante la plataforma SEQUENOM. Se diseñaron 136 SNPs procedentes del RNA-Seq de los genotipos ‘Rojo Pasión’ y ‘Z506-7’ siendo aplicados un total de 101 SNP para el genotipado de diferentes variedades de albaricoquero. A partir de los resultados del análisis de variaciones de nucleótidos, podemos decir que este enfoque proporciona alta flexibilidad, reproducibilidad y precisión en los ensayos, suponiendo una herramienta sólida para detectar diversidad de nucleótidos en regiones codificantes y no codificantes del genoma de Prunus. El genotipado con SNPs permitió asimismo establecer las relaciones fenéticas y distancias genéticas entre diferentes cultivares de albaricoquero con diversos orígenes. Finalmente se elaboraron los mapas de ligamiento genético de las poblaciones ‘B×C’ y ‘G×C’, utilizando un total de 130 y 166 descendientes respectivamente. Los mapas fueron construidos combinando marcadores tipo SSR y SNP, siendo mapeados 87 marcadores en la población ‘B×C’ y 89 en ‘G×C’, y cubriendo una extensión del genoma de 394,9 y 414,3 cM en los mapas de ‘Bergeron’ y ‘Currot’ respectivamente, mientras que en ‘Goldrich’ y ‘Currot’ fue de 353,5 y 422,3 cM respectivamente. El análisis de QTLs identificó diferentes QTLs ligados a los principales caracteres fenológicos y de la calidad del fruto en albaricoque. Los QTLs de mayor relevancia por su significación se dan en el LG 4, considerando este grupo de vital importancia para el control de fecha de maduración, ciclo de desarrollo del fruto y contenido en sólidos solubles. En el caso del color de piel y pulpa fueron identificados importantes QTLs al final del LG 3 de ‘Goldrich’.

Summary The objective of this thesis has been to carry out a phenotypic characterization of apricot by studying the inheritance of the major traits related to phenology and fruit quality. In addition, a genotypic characterization using DNA markers (SSRs and SNPs) has been performed to develop genetic linkage maps for QTL detection and identification of potential candidate genes and markers. The plant material used comes from three segregating populations of apricot: ‘Z701-1’× ‘Palsteyn’ (‘Z×P’), ‘Bergeron’ × ‘Currot’ (‘B×C’) and ‘Goldrich’ × ‘Currot’ (‘G×C’) with 160, 187 and 200 seedlings respectively. The phenotipyc characterization has allowed us to evaluate blooming date, ripening time, fruit development period, fruit weight, stone weight, fruit diameter, fruit colour, firmness, soluble solids and acidity. Results show a great variability and segregation in each population as well as the obvious differences between years. The histograms frequencies usually reveal in the three populations a normal distribution in the majority of the traits which confirms the polygenic character and quantitative inheritance for all of them. Nevertheless, blooming and ripening date showed bi-modal or tri-modal distribution due to inter-annual climatic conditions. We should also note the presence of many transgressive trait values, probably due to the influence of the genetic background of the parents as well as intermediate inheritance of seedlings. We can affirm that there was good correlation between years for all traits evaluated. In the population ‘Z701-1’ × ‘Palsteyn’ was constructed a genetic linkage maps assaying 160 seedlings with 42 SSR markers. ‘Z701-1’ and ‘Palsteyn’ maps covered a genome extension of 336.2 and 363.1 cM respectively. We subsequently carried out QTL analysis to identify significant QTLs for the most important phenological and fruit quality traits in apricot. Results show without any doubt the great influence of LG 4 on fruit quality traits, especially in the case of ripening time and fruit development period. The study has also been focused on improving the development and analysis of single nucleotide polymorphisms (SNPs) via an efficient and flexible method combining high throughput sequencing (RNA-Seq) and SNPlex technology using the SEQUENOM platform. 136 SNP markers were designed from the RNA-Seq genotypes 'Rojo Pasion' and 'Z506-7' being analyzed a total of 101 SNPs for genotyping of different apricot varieties. From the results of variations in nucleotide sequences (SNPs) we can say that this is an approach that provides high flexibility, reproducibility and accuracy and that it can be considered a robust tool for detecting nucleotide diversity in coding and non-coding regions of the Prunus genome. Moreover, logical phenetic relationships and genetic distance were shown among apricot cultivars tested according to the origin of each one. Finally, genetic linkage maps of populations ‘B×C’ and ‘G×C’ were realized using a total of 130 and 166 seedlings, respectively. Maps were constructed combining SSR and SNP markers, making it possible to map a total of 87 markers in the ‘B×C’ population and 89 markers in ‘G×C’. ‘Bergeron’ and ‘Currot’ covered a genome extension of 394.9 and 414.3 cM, while ‘Goldrich’ and ‘Currot’ covered 353.5 and 422.3 cM, respectively. In the phenotype and genotype integrated analysis, different QTLs were detected for the most important phenological and fruit quality traits. The most significant QTLs are localized in LG 4, showing that this group is of vital importance to ripening time, fruit development period and soluble solids content in both apricot populations. Regarding skin and flesh colour, the most important QTLs were detected at the end of LG 3 of ‘Goldrich’.