Introgression of Ty resistance genes from wild relative species S. chilenseinto tomato: genomic and metabolic effects

Abstract

[EN] In previous studies, the FGB lab have shown that when a fragment from Chromosome 6 of Solanum chilense (which contains Ty1-3 resistance genes) is introgressed into tomato (Solanum lycopersicum), the fruit volatile profile is affected. Our working hypothesis is that a S. chilense FAD gene located next to the Ty gene is also introgressed -causing a higher expression of FAD, which is translated into a higher synthesis in fruit of volatiles produced from double-bond Fatty Acids through the Lipoxygenase Pathway. The objective of this thesis is to analyse further the effect of this S. chilense introgression by 1) determining if the change in volatiles production is restricted to tomato fruit or affects also leaves, 2) defining the differences at the genomic level between the FAD gene from tomato and S. chilense, and 3) performing a literature review to check on the extent linkage drag has on tomato breeding.

We first analysed the VOCs present leaves of Solanum lycopersicum cv. Muchamiel and De la Pera traditional varieties, that either contain or not the Ty resistance gene introgression from S. chilense. We performed a SPME-HeadSpace Gas Chromatography-Mass Spectrometry analysis in order to capture, separate and quantify the volatiles present in our samples. We conducted a Targeted Metabolic Analysis to analyse possible differences in 15 specific compounds and an Untargeted Analysis to analyse all chromatograms¿ data. Results indicate no changes in the Fatty Acids-derived volatiles in leaves, indicating that the effect of the introgression could be restricted to fruit.

Moreover, we performed a molecular analysis of the FAD gene sequence in both tomato and S. chilense, concluding that there is a 700bp-long repetitive element present in the promoter of the FAD gene in tomato which is absent in S. chilense species. In order to assess which alterations in the promotor sequence cause the FAD gene to present a higher expression in S. chilense than in tomato, we performed a bioinformatic analysis using the PLACE database and the informatic programs Nsite-PL and NsiteM-PL from the RegSite Database. While this repetitive element disrupts a couple of regulatory domains of the promoter, additional reasons for downregulation could be the hypermethylation of the promoter region in tomato.

As this FAD gene is also required for the synthesis of Jasmonate phytohormones, aliquots of our samples are ready for future hormone analysis, since these are important for induction of defense systems in the plant. In order to assess this aspect, our samples were punctured with the zoophytophagous mirid bug Nesidiocoris tenuis and will then be compared with the control samples.

Literature review identified a number of cases in tomato breeding where introgression of disease resistance genes has an effect on other traits of the plant due to linkage drag. A review of the most cultivated tomato F1 hybrids indicated that most of them carry more than three introgressions from wild relative species and are, therefore, likely to be affected regarding other traits, either beneficially or not, which ultimately affects consumer liking.

[CA] S’ha observat en estudis realitzats anteriorment al laboratorio de FGB de l’IBMCP que, quan s’introgressa un fragment del Cromosoma 6 de l’espècie silvestre Solanum chilense (el qual conté els gens de resistència Ty1-3) en el genoma de la tomaca (Solanum lycopersicum), a més de conferir resistència, s’altera el perfil de compostos volàtils en el fruit. La nostra hipòtesi actual és que un gen FAD de S. Chilense que es localitza pròxim al gen de resistència Ty també s’introgressa amb aquest últim -generant una major expressió de FAD, i provocant finalment una major síntesi en fruit de volàtils produïts a partir d’Àcids Grassos de doble enllaç, a través de la Ruta de la Lipoxigenasa. L’objectiu d¿aquest treball és analitzar amb més profunditat l’efecte que té aquesta introgressió de S. Chilense en tomaca; primer, determinant si el canvi en la producció de volàtils està limitat al fruit o també afecta a les fulles; segon, indicant les diferències que hi ha a nivell genòmic entre el gen FAD en tomaca i en S. chilense; i, tercer, realitzant una revisió bibliogràfica per a determinar fins a quin punt l’esdeveniment de linkage drag afecta al cultiu de la tomaca. En primer lloc, vam analitzar els compostos volàtils (COVs) de fulles de Solanum lycopersicum de les varietats tradicionals Muchamiel i De la Pera, les quals presentaven o no la introgressió del gen Ty de S. chilense. Vam realitzar una anàlisi metabolòmica mitjançant el mètode de Microextracció en Fase Sòlida-Espai de cap-Cromatografia de Gases-Espectrometria de Masses per a capturar, separar i identificar els volàtils presents en les nostres mostres. Vam dur a terme una Anàlisi Metabòlica Dirigida per a determinar les possibles diferències en 15 compostos específics i una Anàlisi No dirigida per a extraure tota la informació dels cromatogrames. Els resultats mostren que no hi ha canvis en els volàtils procedents d’Àcids Grassos en les fulles de tomaca, indicant que els efectes de la introgressió es limiten únicament al fruit. A més a més, vam realitzar una anàlisi molecular de la seqüència del gen FAD en tomaca i en S. chilense, confirmant que hi ha un element repetitiu de 700 pb localitzat en el promotor d’aquest gen en tomaca i no en S. chilense. Amb l’objectiu d’avaluar quins canvis en la seqüència del promotor podrien estar implicats en que aquest gen presente una major expressió en S. chilense que en tomaca, vam portar a terme una anàlisi bioinformàtica utilitzant la base de dades PLACE i els programes Nsite-PL i NsiteM-PL de la base de dades RegSite. Vam concloure que aquest element repetitiu no sols es troba en la seqüència interrompent dos dominis de regulació del promotor, sinó que proposem a més altres motius que expliquen aquesta regulació negativa de FAD en tomaca, com podria ser la hipermetilació de la regió del promotor. Com aquest gen FAD també participa en la síntesi de jasmonat i aquesta hormona és important per a estimular els sistemas de defensa de la planta en resposta a la interacción amb diferents agents biòtics, hem preparat alíquotes de les nostres mostres per a realitzar una anàlisi d’hormones en el futur. Per a avaluar aquesta possibilitat, s’analitzaran mostres de fulles apicals les quals havien sigut picades per l’heteròpter zoofitòfag Nesidiocoris tenuis i es compararan amb les mostres control. Vam realitzar una revisió bibliogràfica sobre l’efecte de creuaments inter-específics en tomaca i vam identificar diversos casos en els que la introgressió de gens de resistència a malalties afectava també altres característiques de la planta, a causa de l’esdeveniment de linkage drag. D’altra banda, una anàlisi bibliogràfica de les F1 híbrides de tomaca més cultivades ens va demostrar que la majoria d’aquestes espècies posseeixen més de tres introgressions procedents d’espècies silvestres, i, per tant, és molt probable que també presenten altres.