Nuevos biomarcadores "-Omics" para patatas resistentes a la enfermedad y tolerantes a la sequía

Abstract

[ES] La patata es uno de los cultivos alimenticios más importantes a nivel mundial, que ocupa el cuarto lugar en la producción y el tercero en el consumo a nivel mundial. Debido a la falta de diversidad genética, los cultivos de patata son vulnerables al estrés biótico y abiótico. Las variedades actuales de patatas se ven afectadas por numerosas enfermedades y también son susceptibles al estrés hídrico. Este estudio se centra en cuatro enfermedades de la patata (tizón tardío, tizón temprano, tizón tuberculoso y pierna negra) como estrés biótico y sequía como estrés abiótico. La selección directa para la resistencia a la enfermedad y la tolerancia a la sequía a través de rasgos fenotípicos visibles es un proceso complejo, laborioso y lento. Además, puede ser una tarea especialmente difícil decidir qué características medir. En contraste, la selección asistida por marcadores es más barata, más rápida y menos propensa a la variación ambiental. La patata cultivada en Europa es un tetraploide que tiene una base genética estrecha con un alto grado de heterogeneidad y depresión endogámica que limita el uso de marcadores de ADN en su mejora. Los marcadores moleculares, como son los marcadores de transcripción, proporcionan una ventaja para superar las limitaciones de los marcadores de ADN, especialmente para los rasgos multigénicos. Este estudio tiene como objetivo verificar nuevos biomarcadores de transcripción putativos para patatas resistentes a la enfermedad y tolerantes a la sequía. Para la parte resistente a enfermedades, se diseñaron 30 pares de cebadores para cuatro enfermedades diferentes. Estos marcadores putativos se seleccionaron en seis líneas de progenie diferentes de padres tetraploides (Desiree y SW93-1015) que representan fenotipos resistentes, susceptibles y medios para cada rasgo de las enfermedades. Los genes candidatos para cada rasgo se seleccionaron a partir de datos de RNA-Seq previamente analizados de líneas de progenie derivadas de los mismos padres en un evento de progenie individual. Los datos se normalizaron a tres genes de referencia y se calculó la expresión genética relativa para cada marcador de transcripción putativo. El análisis de expresión identificó dos marcadores de transcripciones contra el tizón tardío, uno contra el tizón temprano y dos contra la pierna negra que podrían funcionar como biomarcadores. Para las patatas tolerantes a la sequía, se fenotiparon un total de 16 genotipos para siete rasgos diferentes relacionados con el crecimiento y el contenido hídrico. Este trabajo se realizó en las instalaciones de National Plant Phenotyping , en la Universidad de Helsinki, Finlandia e instalaciones de Biotron, Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas, Suecia. Las plantas se cultivaron durante 21 días al 80% de la capacidad de campo (FC) en el tratamiento control y la mitad (40% de FC) en el tratamiento de sequía. Basado en la reducción porcentual en el contenido hídrico, se seleccionaron 6 genotipos para seleccionar marcadores de transcripción ya publicados para tolerantes a la sequía. Solo tres de estos marcadores se correlacionaron negativamente con la reducción porcentual en el contenido hídrico relativo; sin embargo, la correlación no fue significativa. Para obtener resultados más precisos, el estudio de identificación de marcadores de transcripción para enfermedades resistentes y tolerantes a la sequía también requiere más experimentación y datos de líneas de progenie adicionales para confirmar mejor el funcionamiento de estos marcadores. Por lo tanto, el presente estudio ofrece una base para futuras investigaciones sobre la aplicación de uevos biomarcadores "-Omics en el estudio de las plantas.

[EN] Potato is one of the most important food crop worldwide which ranks 4th in the production and 3rd in most consumed crop globally. Due to lack of genetic diversity, potato crops are vulnerable to biotic and abiotic stress. Current potatoes varieties are affected by numerous diseases and are also susceptible to water stress. This study focused on four potato diseases (late blight, early blight, tuber blight and black leg) as biotic stress and drought as abiotic stress. Direct selection for disease resistant and drought tolerance through visible phenotypic traits is complex, laborious and time consuming process. Moreover, it can be difficult task to decide which trait to measure, especially. In contrast, marker assisted selection is cheaper, faster and less prone to environmental variation. The cultivated potato in Europe is a tetraploid having narrow genetic base with high degree of heterogeneity and inbreeding depression which limits the use of DNA markers in potato breeding. Molecular markers such as transcripts markers provide an advantage to overcome these limitations of DNA markers, especially for multigenic traits. This study aims to verify putative new transcript biomarkers for disease resistant and drought tolerant potatoes. For disease resistant part, 30 primer pairs were designed for four different diseases. These putative markers were screened in 6 different progeny lines of tetraploid parents (Desiree and SW93-1015) representing resistant, susceptible and average phenotype for each disease trait. The candidate genes for each trait were selected from previously analyzed RNA-Seq data of progeny lines derived from the same parents in an individual progeny event. The data was normalized to 3 reference genes and relative gene expression was calculated for each putative transcript marker. The expression analysis showed 2 transcripts markers against late blight, 1 against early blight and 2 against black leg could function as biomarkers.

For drought tolerant potatoes, a total of 16 genotypes were phenotyped for 7 different traits related to growth and water content in National Plant Phenotyping facility, University of Helsinki, Finland and Biotron facility, Swedish University of Agricultural Sciences, Sweden. Plants were exposed to 80% of field capacity (FC) for the control and half (40% of FC) to drought for 21 days. Based on percentage reduction in relative water content, 6 genotypes were selected to screen with already published transcript markers for drought tolerant. Only 3 of these markers were negatively correlated with percentage reduction in relative water content, however the correlation was not significant. In order to conclude a valid and more precise results, this study of identifying transcripts markers for disease resistant and drought tolerant also require more experimentation and data from additional progeny lines to better confirm functioning of these transcripts marker. Hence, this whole study on New Omics Biomarkers for Disease resistant and Drought Tolerant Potatoes give hints to explore more in future research for their application in plant science to study many crucial and complex traits.