Identificación de QTLs que controlan caracteres del fruto en tomate por secuenciación de grupos discrepantes

La forma del fruto es un rasgo clave en tomate (Solanum lycopersicum L.) que influye en el rendimiento, la calidad y la aceptabilidad del consumidor. Los caracteres de la forma de fruto en la dirección medio-lateral, como el grado de irregularidad, están altamente relacionadas con otros caracteres como el tamaño y el peso de fruto. A pesar de esto, hasta el momento los estudios de la morfología de fruto se han enfocado en caracteres en la dirección próximo-distal. La gran diversidad de formas de frutos que existe en el germoplasma de tomate se explica principalmente por una cantidad relativamente pequeña de genes, entre los cuales LC y FAS son los principales genes que controlan la morfología en la dirección medio-lateral. El efecto de los mismos difiere según el fondo genético, lo que sugiere la presencia de modificadores desconocidos. Las actuales tecnologías de genotipado de alto rendimiento han permitido la identificación de genes con efecto menor o modificador que interactúan con los principales reguladores de la forma del fruto del tomate, a través de la caracterización de poblaciones intraespecíficas segregantes donde el efecto de los genes principales se encuentra fijo. La metodología QTL-seq ha sido útil para descubrir nuevos QTL subyacentes a características importantes de las plantas. En base a estos antecedentes, se plantea que es posible identificar regiones genómicas no conocidas que controlan caracteres de morfología del fruto en tomate a partir de la selección de cruzamientos entre cultivares fenotípicamente discrepantes en los que no segregan los genes conocidos de forma, utilizando la metodología de QTL-seq. El objetivo de este trabajo fue identificar nuevas regiones en el genoma de tomate que controlan caracteres de morfología del fruto a partir de cruzamientos entre cultivares fenotípicamente discrepantes e idéntica constitución génica en loci de morfología conocidos. Se evaluó la diversidad fenotípica y genética para caracteres de forma de frutos en la dirección medio-lateral sobre un total de 183 materiales representativos de la diversidad presente en tomate para forma y tamaño de fruto, clase de germoplasma y origen geográfico. Se demostró que existía variabilidad genética para los caracteres de forma de frutos analizados en la dirección medio-lateral. La combinación de los alelos cultivados de LC y FAS no fue suficiente para explicar toda la variabilidad presente en el germoplasma de tomate, y la constitución alélica se correlacionó principalmente con los caracteres de tamaño de fruto y número de lóculo y en menor nivel con el grado de irregularidad. A partir de este estudio se seleccionaron cuatro cultivares de tomate: “Voyage” (V), “Old Brooks” (OB), “Yellow Stuffer” (YS) y “Heinz 1439” (H), con la misma composición alélica para los genes principales de forma y divergentes para la morfología de fruto. Dichos cultivares se diferenciaron principalmente para los caracteres de morfología en la dirección medio-lateral, donde el grado de irregularidad mostró el mayor valor de heredabilidad. Remarcablemente, el cultivar “Voyage” presentó flores con gineceos apocárpicos y frutos con carpelos no fusionados en una sutura carpelar normal, siendo un fenotipo exclusivo de este material dentro del germoplasma del tomate. El tipo de carpelo afecta fuertemente la forma externa de fruto. Por su naturaleza cualitativa, dicho carácter presenta elevada heredabilidad. El desarrollo de la sincarpia (fusión de los carpelos en un gineceo compuesto unificado) es un aspecto evolutivo clave en las angioesperamas con numerosas ventajas adaptativas, sin embargo el proceso inverso se ha encontrado previamente en distintas especies. El estudio de este carácter en tomate, resulta un enfoque novedoso con relevancia histórica, morfogénica y económica. Se desarrollaron poblaciones segregantes a partir del cruzamientos entre VxOB. Se determinó que el fenotipo tipo de carpelo normal o fusionado fue dominante sobre el no fusionado, y el tipo de herencia resultó variable, ajustándose a una segregación monogénica y epistasis doble dominante-recesiva en la población F2 analizada en una campaña agrícola y a una epistasis doble recesiva en las poblaciones F2 y retrocruzas analizadas en otra campaña. Por medio de un análisis QTL-seq se identificaron tres regiones genómicas, en los cromosoma 3, 6 y 10, que presentaron polimorfismos diferenciales entre grupos fenotípicamente extremos para el carácter tipo de carpelos. Se desarrollaron 29 marcadores moleculares de ADN para caracterizar genotípicamente las regiones genómicas identificadas. Los marcadores moleculares cubriendo las regiones de los cromosomas 3 y 10 resultaron independientes del carácter tipo de carpelos, mientras que los marcadores ubicados en la base del cromosoma 6, entre las posiciones 40,98 Mb y 44,17 Mb, se encontraron altamente asociados a dicho rasgo. Esto indica que los determinantes genéticos que controlan el tipo de carpelo se ubican en la región basal de este cromosoma. Se desarrollaron y caracterizaron dos poblaciones segregantes F2 derivadas del cruzamientos entre VxOB y YSxH, y se caracterizaron para rasgos morfológicos cuantitativos en la dirección medio-lateral. Se observó heredabilidad significativa con valores moderados a altos para la mayoría de los caracteres analizados, y el grado de irregularidad presentó el mayor valor de heredabilidad. Por medio de un enfoque de QTL-seq se identificó una región en cromosoma 8 de tomate (ld8), asociada al grado de irregularidad en las poblaciones F2 VxOB y F2 YSxH. Esta región se caracterizó utilizando un total de 29 marcadores en ambas poblaciones. La región se validó por mapeo de intervalos simple en la población F2 YSxH y representó ~17 % de la variabilidad presente para el grado de irregularidad. Otros dos QTL epistáticos ubicados en la base de los cromosomas 6 (ld6) y 11 (ld11) se identificaron y validaron en la población F2VxOB por análisis de punto único utilizando un total de 24 marcadores. Ambos QTL explicaron ~61% de la variabilidad fenotípica para el grado de irregularidad en esta población. El efecto de ld11 resultó mayor respecto al de ld6, lo que sugiere que ld6 actuaría como un modificador sobre este rasgo. Dado que los alelos cultivados del gen FAS están fijos en la población y ld11 mapeó cerca de dicho gen, se postula que ld11 es un nuevo alelo de FAS o bien un nuevo QTL estrechamente ligado. Los resultados obtenidos demuestran que fue posible identificar nuevos QTL asociados al carácter grado de irregularidad y una región genómica subyacente al tipo de carpelos, a partir del estudio de poblaciones segregantes derivadas de cruzamientos intraespecíficos entre cultivares fenotípicamente discrepantes para morfología de fruto que tenían fijos los genes de forma conocidos. De este modo, este trabajo aporta nuevas evidencias a las bases genéticas de la forma fruto en dirección medio-lateral en tomate y representa un estudio original donde se mapean los caracteres tipo de carpelos y grado de irregularidad. Investigaciones adicionales sobre estos QTL, especialmente en términos de la introgresión de QTL en un fondo genético de élite, pueden ser útiles para ayudar al mejoramiento del cultivo de tomate dirigido a la forma del fruto y obtener materiales con frutos de morfologías más uniformes, o en sentido inverso, con formas atípicas destinadas a nichos específicos de mercado.

Fruit shape at medio-lateral direction in tomato (Solanum lycopersicum L.) is a key trait that influences yield, quality, and consumer acceptability. Nevertheless, most studies have focused on proximal-distal direction. Few genes mainly explain the great diversity for fruit shape in tomato, where LC and FAS play a key role. In this study, we set out to identify new regions in the tomato genome that control fruit morphology at the medio-lateral direction, from intraspecific crosses between phenotypically discrepant cultivars carrying the same allele constitution for known shape genes. The diversity of fruit shape traits at medio-lateral direction and LC and FAS genes was evaluated for 183 tomato accessions. It was found that the combination of the mutant alleles of LC and FAS was not enough to explain all lobedness degree variability. Fruits carrying unfused carpels were only present in cultivar "Voyage". Four tomato cultivars with different fruit shapes at medio-lateral direction, named Voyage (V), Old Brooks (OB), Yellow Stuffer (YS), and Heinz 1439 (H) were selected as initial progenitors. Two intraspecific F2 populations (F2VxOB and F2YSxH), where major shape genes were fixed, were developed. A QTL-seq approach was used to identify genomic regions controlling the type of carpel in the F2 VxOB and lobedness degree in both F2. Three genomic regions in chromosomes 3, 6, and 10 were detected for type of carpels, but only the region between 40.98 Mb and 44.17 Mb of chromosome 6 was linked. The fused phenotype was dominant over unfused one, but monogenic or digenic epistasis inheritance was found in two independent experiments. For lobedness degree, a QTL chromosome 8 in both F2 (ld8) was identified, which was validated in F2YSxH by interval mapping, and accounting for ~17% of total variability. Other two epistatic QTLs located on chromosomes 6 (ld6) and 11 (ld11) were found by single-point analysis in the F2VxOB, and together accounted for 61% phenotypic variability of lobedness degree. This indicates that different alleles were present in both populations. The effect of ld11 was more significant than ld6, suggesting that the genetic determinants of lobedness degree are found at chromosome 11, and ld6 acts as a modifier. In conclusion, this study provides valuable information about new genomic regions underlying fruit traits

Fil: Apellido, Nombre. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias; Argentina

Fil: Vazquez, Dana Valeria. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias; Argentina