GENETICS AND GENOMICS OF CULTIVATED EGGPLANTS AND WILD RELATIVES

Abstract

Alimentar a la futura población en crecimiento en un contexto de cambio climático exige nuevos enfoques y herramientas de mejora genética para desarrollar nuevas variedades de cultivos que sean resilientes y eficientes en el uso de los recursos. Entre las hortalizas, la berenjena (Solanum melongena) es reconocida como un cultivo importante y como tal está incluida en el Anexo 1 del Tratado Internacional sobre los Recursos Fitogenéticos para la Alimentación y la Agricultura, que incluye 34 cultivos considerados como los más relevantes para la humanidad. Antes del inicio de esta tesis, se disponía de pocas herramientas genéticas y genómicas para la mejora genética de la berenjena, las cuales se revisan en un capítulo introductorio. Asimismo, hemos reconocido la importancia de los parientes silvestres de la berenjena, que apenas se han utilizado en la mejora genética de la misma. A este respecto, para hacer un uso más eficiente de los parientes silvestres en la mejora genética, propusimos un enfoque ambicioso, llamado "introgressiomics", que consiste en un desarrollo sistemático y masivo de materiales que lleven introgresiones de parientes silvestres (CWR), los cuales generalmente son una fuente inexplorada e desaprovechada de variación genética. Los trabajos realizados en esta tesis están relacionados con la aplicación de este enfoque a la berenjena. En este marco, los objetivos generales de la tesis son el desarrollo de la información y herramientas genéticas y genómicas en el acervo genético de la berenjena, utilizando un enfoque multidisciplinario y multifacético para la mejora genética en el desarrollo de nuevas variedades mejoradas y resistentes usando especies relacionadas como fuente de variación. Concretamente, en el primer capítulo de esta tesis, secuenciamos el transcriptoma de dos especies relacionadas con la berenjena, la silvestre Solanum incanum y la especie cultivada africana S. aethiopicum, que tienen un gran interés en la mejora genética de la berenjena. Los transcriptomas se ensamblaron en 83,905 y 87,084 unigenes para S. incanum y S. aethiopicum respectivamente, los cuales fueron extensivamente anotados estructuralmente y funcionalmente. La busqueda de variantes alélicas identificó decenas de miles de polimorfismos intraespecíficos e interespecíficos, así como alrededor de un millar de SSRs en cada especie. En el segundo capítulo, un subconjunto de esos marcadores (11 SSRs y 35 SNPs) se analizaron para confirmar su utilidad para la huella genética, la evaluación de la diversidad y el establecimiento de relaciones entre las berenjenas cultivadas (común, escarlata y gboma). Observamos que los SSRs y los SNPs proporcionaron resultados diferentes en el establecimiento de las relaciones, lo que sugiere que cada tipo de marcador muestreó diferentes niveles de variación genética. Sin embargo, aunque ambos marcadores proporcionaron un nivel similar de información, los SNPs parecen proporcionar una mejor resolución que los SSRs para materiales filogenéticamente más distantes. En el tercer capítulo, para ampliar la estimación de la diversidad genética y las relaciones genéticas entre y dentro de las especies silvestres y cultivadas pertenecientes al complejo berenjena, realizamos un genotipado masivo, mediante un enfoque de genotipado por secuenciación, de 76 accesiones pertenecientes a 17 especies del acervo genético primario, secundario y terciario de la berenjena común. De los 75,399 sitios polimórficos identificados, 12,859 se asociaron a regiones CDS y se usaron para establecer una evaluación exhaustiva y detallada de la diversidad alélica natural y las relaciones genéticas en el acervo genético de la berenjena utilizando tres enfoques diferentes (estructura jerárquica de la población, dendrograma basado en UPGMA y análisis de PCoA). En el cuatro capítulo, desarrollamos un mapa genético interespecífico entre S. incanum y S. melongena, vinculado a otros

Feeding the future burgeoning population in a climate change scenario demands new breeding approaches and tools to develop new resource-efficient and resilient crop varieties. Among vegetable crops, eggplant (Solanum melongena) is recognized as an important food crop and as such is included in the Annex 1 of the International Treaty on Plant Genetic Resources for Food and Agriculture, which includes 34 crops considered as most relevant for mankind. Before the start of this thesis, few genetic and genomic tools and resources for eggplant breeding, which are reviewed in an introductory chapter, were available. We have recognized the importance of wild eggplant relatives, which have been barely used in eggplant breeding. In this respect, in order to make a more efficient use of wild relatives in plant breeding, we proposed an ambitious approach, called "introgressiomics", consisting of a systematic and massive development of materials carrying introgressions from crop wild relatives (CWRs), which usually are an unexplored and unexploited source of genetic variation for breeding traits. The works done in this thesis are related to the application of the introgressiomics approach to eggplant. In this framework, the general objectives of the thesis are the development of genetic and genomic information and tools in eggplant genepool, using a multidisciplinary and multi-pronged approach to assist eggplant breeding in the development of new improved and resilient varieties using eggplant relatives as a source of variation. Specifically, in the first chapter of this thesis, we sequenced the transcriptome of two eggplant related species, the wild Solanum incanum and the cultivated S. aethiopicum, that have a great interest in eggplant breeding. The transcriptomes were assembled in 83,905 and 87,084 unigenes for S. incanum and S. aethiopicum respectively, which were extensively structurally and functionally annotated. The variant call analysis identified tens of thousands intraspecific and interspecific polymorphisms, as well as around a thousand of SSRs in each species. In the second chapter, a subset of those markers (11 SSRs and 35 SNPs) was tested for confirming their usefulness for genetic fingerprinting, diversity evaluation and the establishment of relationships in cultivated eggplant (common, scarlet and gboma) genepools. We observed that SSRs and SNPs provided different results in the establishment of the relationships, suggesting that each marker type sampled different levels of genetic variation. However, although both markers provided a similar level of information, SNPs seem to provide a better resolution than SSRs for materials phylogenetically more distant. In the third chapter, in order to broaden the estimation of the genetic diversity and genetic relationships among and within wild and cultivated species belonging to eggplant complexes, we performed a massive genotyping, by a genotype-by-sequencing approach, of 76 accessions belonging to 17 species from the primary, secondary and tertiary genepool of common eggplant. Out of 75,399 polymorphic sites identified, 12,859 were associated to CDS regions and used to establish an exhaustive and detailed evaluation of the natural allelic diversity and genetic relationships in eggplant genepool using three different approaches (hierarchical population structure, UPGMA-based dendrogram, and PCoA analysis). In the four chapter, we developed an interspecific genetic map between S. incanum and S. melongena, linked to four previous eggplant maps and to one tomato map. A total of 243 molecular markers were successfully mapped consisting of 42 COSII, 99 SSRs, 88 AFLPs, 9 CAPS, 4 SNPs and one morphological polymorphic markers encompassed 1085 cM distributed in 12 linkage groups. Based on the syntheny with tomato, the candidate genes involved in the core chlorogenic acid synthesis pathway in eggplant (PAL, C4H, 4CL, HCT, C3¿H, HQT), five polyphenol oxidase genes (PPO1, PPO2, PPO3, PP

Alimentar la futura població en creixement en un context de canvi climàtic exigeix nous enfocaments i eines de millora genètica per desenvolupar noves varietats de cultius que siguin resilients i eficients en l'ús dels recursos. Entre les hortalisses, l'albergínia (Solanum melongena) és reconeguda com un cultiu important i com a tal està inclosa en l'Annex 1 del Tractat Internacional sobre els Recursos Fitogenètics per a l'Alimentació i l'Agricultura, que inclou 34 cultius considerats com els més rellevants per a la humanitat. Abans de l'inici d'aquesta tesi, es disposava de poques eines genètiques i genòmiques per a la millora genètica de l'albergínia, les quals es revisen en un capítol introductori. Així mateix, hem reconegut la importància dels parents silvestres de l'albergínia, que tot just s'han utilitzat en la millora genètica de la mateixa. Referent a això, per fer un ús més eficient dels parents silvestres a la millora genètica, vam proposar un enfocament ambiciós, anomenat "introgressiomics", que consisteix en un desenvolupament sistemàtic i massiu de materials que portin introgresions de parents silvestres (CWR), els quals generalment són una font inexplorada i desaprofitada de variació genètica. Els treballs realitzats en aquesta tesi estan relacionats amb l'aplicació d'aquest enfocament a l'albergínia. En aquest marc, els objectius generals de la tesi són el desenvolupament de la informació i eines genètiques i genòmiques en el patrimoni genètic de l'albergínia, utilitzant un enfocament multidisciplinari i multifacètic per a la millora genètica en el desenvolupament de noves varietats millorades i resistents emprent spècies relacionades com a font de variació. Concretament, en el primer capítol d'aquesta tesi, seqüenciem el transcriptoma de dues espècies relacionades amb l'albergínia, la silvestre Solanum incanum i l'espècie cultivada africana S. aethiopicum, que tenen un gran interès en la millora genètica de l'albergínia. Els transcriptomes s'ensamblaren en 83,905 i 87,084 unigenes per S. incanum i S. aethiopicum respectivament, els quals van ser extensivament anotats estructuralment i funcionalment. La recerca de variants al·lèliques va identificar desenes de milers de polimorfismes intraespecífics i interespecífics, així com al voltant d'un miler de SSRs en cada espècie. En el segon capítol, un subconjunt d'aquests marcadors (11 SSRs i 35 SNPs) es van analitzar per confirmar la seva utilitat per l'empremta genètica, l'avaluació de la diversitat i l'establiment de relacions entre les albergínies conreades (comú, escarlata i gboma). Observem que els SSRs i els SNPs van proporcionar resultats diferents en l'establiment de les relacions, el que suggereix que cada tipus de marcador va mostrejar diferents nivells de variació genètica. No obstant això, encara que tots dos marcadors van proporcionar un nivell similar d'informació, els SNPs semblen proporcionar una millor resolució que els SSRs per materials filogenèticament més distants. En el tercer capítol, per a ampliar l'estimació de la diversitat genètica i les relacions genètiques entre i dins de les espècies silvestres i conreades pertanyents al complex albergínia, vam realitzar un genotipat massiu, mitjançant un enfocament de genotipat per seqüenciació, de 76 accessions pertanyents a 17 espècies del patrimoni genètic primari, secundari i terciari de l'albergínia comuna. Dels 75,399 llocs polimòrfics identificats, 12,859 es van associar a regions CDS i es van usar per a establir una avaluació exhaustiva i detallada de la diversitat al·lèlica natural i les relacions genètiques en el patrimoni genètic de l'albergínia utilitzant tres enfocaments diferents (estructura jeràrquica de la població, dendrograma basat en UPGMA i anàlisi de PCoA). En el quart capítol, desenvolupem un mapa genètic interespecífic entre S. incanum i S. melongena, vinculat a altres quatre mapes anterior