Mejora Genética de la Resistencia al tomato leaf curl New Delhi virus en Cucurbitaceas

Abstract

[ES] En las últimas décadas, se ha observado un incremento en la emergencia de nuevas virosis en los cultivos del sudeste español, principal región abastecedora de frutas y hortalizas al resto de Europa. Entre las virosis emergentes más recientes en esta área de cultivo, se encuentra el tomato leaf curl New Delhi virus (ToLCNDV), un begomovirus de genoma bipartito transmitido por moscas blancas (Bemisia tabaci). En 2012 se detectó por primera vez en las provincias de Murcia y Almería, y desde entonces se está propagando por otros países de la cuenca del Mediterráneo, generando graves daños en los cultivos de cucurbitáceas, y limitando la producción, principalmente, de calabacín (Cucurbita pepo) y melón (Cucumis melo). En esta tesis doctoral se ha desarrollado un programa de mejora genética enfocado a la obtención de variedades de cucurbitáceas resistentes al aislado español del ToLCNDV(-ES). Por primera vez, hemos identificado fuentes de resistencia al ToLCNDV en el género Cucurbita y en pepino (Cucumis sativus). Todas las accesiones resistentes que describimos pertenecen a tipos silvestres o variedades locales, la mayoría originarias de la India, donde se describió por primera vez el ToLCNDV. Es posible que en esta área se haya producido un fenómeno de co-evolución entre plantas silvestres de cucurbitáceas y este begomovirus. Dos accesiones de Cucurbita moschata han mostrado un elevado nivel de resistencia, y a pesar de su cruzabilidad intermedia con C. pepo, ha sido posible la obtención de descendencia interespecífica y la transferencia parcial de la resistencia. Las accesiones resistentes identificadas se han caracterizado para determinar el tipo de herencia que regula la resistencia al ToLCNDV. Mediante el desarrollo de poblaciones segregantes de mejora y el aprovechamiento de herramientas genéticas de mapeo y cartografía hemos identificado tres QTLs que controlan la resistencia al ToLCNDV en melón, uno de efecto mayor y herencia parcialmente dominante en el cromosoma 11 y dos que modifican su efecto mediante interacciones epistáticas en los cromosomas 2 y 12. Siguiendo esta estrategia, también hemos identificado un locus de resistencia recesiva a ToLCNDV en el cromosoma 8 de C. moschata, aunque la penetración incompleta cuando se intenta transferir a C. pepo pone de manifiesto la influencia del fondo genético en el carácter. Las regiones genómicas involucradas en la resistencia de ambas especies son sinténicas y agrupan un conjunto de genes comunes no descritos previamente en la resistencia a otros virus en cucurbitáceas. Los genotipados mediante colecciones de SNPs han permitido identificar marcadores moleculares ligados a la resistencia al ToLCNDV en melón, calabaza y calabacín. Estos marcadores suponen un valioso recurso en programas de mejora, ya que permiten transferir de manera asistida las resistencias identificadas a fondos genéticos comerciales. Para profundizar en el conocimiento de los mecanismos moleculares que dan lugar a la resistencia, hemos realizado un ensayo de RNA-seq, comparando los transcriptomas de un genotipo resistente y otro susceptible de melón durante la infección con ToLCNDV. Los resultados obtenidos al analizar la expresión diferencial son compatibles con el tipo de herencia cuantitativa de la resistencia y reflejan un complejo sistema de regulación transcripcional. La infección sistémica del ToLCNDV en melón se ve influenciado por la desregulación de genes implicados en la ruta de señalización hormonal del ácido jasmónico, transportadores transmembrana, fotosíntesis y factores de transcripción. Además, hemos observado cambios en la expresión de genes implicados en la metilación del DNA, tanto en el genotipo resistente como susceptible, lo que sugiere que el silenciamiento génico mediado por RNA puede estar involucrado en la inhibición de la transcripción del genoma viral, favoreciendo la resistencia.

[EN] Different factors promote the emergence of new viruses in crops of the Southeastern Spain, the main supplier region of vegetables and fruits to the rest of European countries. A new strain of tomato leaf curl New Delhi virus (ToLCNDV) is among the most recent emergent viral diseases in this farming area, a bipartite begomovirus naturally transmitted by whiteflies (Bemisia tabaci). This strain was first detected in 2012 in the provinces of Murcia and Almeria, from where it propagated to other Mediterranean countries. ToLCNDV generates severe damages in cucurbits, decreasing yields mainly in squash (Cucurbita pepo) and melon (Cucumis melo) crops. In this doctoral thesis, a breeding program has been developed to obtain cucurbit varieties with resistance to the Spanish strain of ToLCNDV(-ES). Although cucurbit germplasm with resistance genes to this virus is poor and localized in few accessions, in this work we have identified for the first-time resistance sources to ToLCNDV in Cucurbita spp. and cucumber (Cucumis sativus). All resistant accessions here described are landraces or wild types not domesticated or with low levels of genetic manipulation. Moreover, most of these genotypes are originals from India, where ToLCNDV was first described. Likely, the occurrence of co-evolution events took place between wild cucurbits plants and this begomovirus. Despite not identifying resistance sources in squash, two Cucurbita moschata accessions have shown high resistance levels. Both species present intermediate crossability, even so the obtention of interspecific offspring and the partial transference of the resistance was possible. The resistant accessions identified in the works of this thesis and those identified by our group in previous assays, have been characterized to determine the heritage controlling ToLCNDV resistance. The development of breeding segregating populations and exploiting getenic tools for mapping and cartography, we identifed three QTLs controlling resistance to ToLCNDV in melon, one partially dominant with mayor effect in chromosome 11, and two minor modifiers in chromosomes 2 and 12. Epistatic interactions between them have been detected. Following the same strategy, we have also identified a locus with recessive heritage in chromosome 8 of C. moschata. However, when we tried to transfer it to C. pepo incomplete penetrance occurrence was observed, reflecting the influence of the genetic background on the trait. The genomic regions identified in both species are synthenic and share a common cluster of genes not described previously in cucurbits conferring resistance to other viruses. The advances in next generation sequencing technologies have offered us a huge quantity of genomic and transcriptomic information. Genotyping by SNPs collections allowed the identification of molecular markers linked to ToLCNDV resistance in melon, pumpkin and squash. These markers suppose a valuable resource in breeding programs, since can be used to assist the transference of the identified resistances to commercial genetic backgrounds. To further understand the molecular mechanism regulating the resistance, we have performed an RNA sequencing assay (RNAseq), comparing transcriptomes between a resistant and a susceptible accession of C. melo in the time course of ToLCNDV infection. The results obtained from the analysis of differential expression levels are compatible whit a complex transcriptional regulation. Deregulation of genes involved in hormonal jasmonic signaling, transmembrane transport, photosynthesis and transcription factors are involved in the ToLCNDV systemic infection through melon plants. Furthermore, in both resistant and susceptible genotypes, we observed expression changes of genes described in DNA methylation pathway. This suggests that RNA silencing mechanisms might be responsible of inhibit viral genome transcription, enhancing the resistance response.

[CA] Durant les últimes dècades, s'ha observat un increment en l'emergència de noves virosis als cultius del sud-est espanyol, principal regió proveïdora de fruites i hortalisses a la resta d'Europa. Entre les virosis emergents més recents en aquesta àrea de cultiu, es troba un nou aïllat del tomato leaf curl New Delhi virus (ToLCNDV), un begomovirus de genoma bipartit transmés per mosca blanca (Bemisia tabaci). En 2012 es va detectar per primera vegada a les províncies de Múrcia i Almeria, i des d'aleshores s'està propagant per altres països de la conca del Mediterrani, ací genera greus danys en els cultius de cucurbitàcies, i hi limita la producció, principalment de carabasseta (Cucurbita pepo) i meló (Cucumis melo). En aquesta tesi doctoral s'ha desenvolupat un programa de millora genètica enfocat a l'obtenció de varietats de cucurbitàcies resistents a l'aïllat espanyol del ToLCNDV(-ES). Hem pogut identificar per primera vegada fonts de resistència al ToLCNDV en el gènere Cucurbita i en cogombre (Cucumis sativus). Totes les accesions resistents que descrivim pertanyen a tipus silvestres o varietats locals, la major part originaris de l'Índia, on es va descriure per primera vegada el ToLCNDV. És possible que en aquesta àrea s'haja produït un fenomen de coevolució entre plantes silvestres de cucurbitàcies i aquest begomovirus. Dos accesions de Cucurbita moschata han mostrat un elevat nivell de resistència, i tot i la compatibilitat intermèdia que presenten ambdues espècies, ha sigut possible l'obtenció de descendència interespecífica i la transferència parcial de la resistència. Les accessions resistents identificades s'han caracteritzat per tal de determinar el tipus d'herència que regula la resistència al ToLCNDV. Mitjançant el desenvolupament de poblacions segregants de millora i l'aprofitament de ferramentes genètiques de mapeig i cartografia, hem identificat tres QTLs que controlen la resistència al ToLCNDV en meló, un d'efecte major i herència parcialment dominant en el cromosoma 11 i dos que modifiquen el seu efecte mitjançant interaccions epistàtiques als cromosomes 2 i 12. Seguint aquesta estratègia, també hem identificat un locus de resistència recessiva a ToLCNDV en el cromosoma 8 de C. moschata, encara que la penetració incompleta quan s'intenta transferir a C. pepo evidència la influència del fons genètic en el caràcter. Les regions genòmiques involucrades en la resistència de les dos espècies són sintèniques i agrupen un conjunt de gens comuns no descrits prèviament en la resistència a altres virus en cucurbitàcies. Els genotipats utilitzant col·leccions de SNPs han permés identificar marcadors moleculars lligats a la resistència al ToLCNDV en meló, carabassa i carabasseta. Aquests marcadors suposen un valuós recurs en programes de millora, ja que permeten transferir de forma assistida les resistències identificades a fons genètics comercials. Per tal d'aprofundir en el coneixement dels mecanismes moleculars que confereixen la resistència, hem realitzat un assaig de seqüenciació del RNA (RNA-seq), i hem comparat els transcriptomes d'un genotip resistent i altre susceptible de meló durant la infecció amb ToLCNDV. Els resultats obtinguts en analitzar l'expressió diferencial són compatibles amb el tipus d'herència quantitativa de la resistència i reflecteixen un complex sistema de regulació transcripcional. La infecció sistèmica del ToLCNDV en meló es veu influenciada per la desregulació de gens implicats en la ruta de senyalització hormonal de l'àcid jasmònic, transportadors transmembrana, fotosíntesi i factors de transcripció. A més, hem observat canvis en l'expressió de gens implicats en la metilació del DNA, tant en el genotip resistent com susceptible, el que suggereix que el silenciament gènic mediat per RNA pot estar involucrat en la inhibició de la transcripció del genoma viral, afavorint la resistència.