Identification of QTLs and candidate genes involved in nitrogen stress response through QTL mapping in a multi-parent MAGIC tomato population

Abstract

[ES] El nitrógeno (N) es un macronutriente esencial para el crecimiento y desarrollo vegetal. El nitrato (NO3-) y el amonio (NH4+) son las dos formas principales de N absorbidas por las plantas. Sin embargo, ambas formas son escasas en los ecosistemas agrícolas. Para lograr los suficientes niveles de producción y satisfacer la demanda mundial de alimentos, más de 100 millones de toneladas de fertilizantes químicos nitrogenados son aplicados anualmente a los cultivos en todo el mundo. Sin embargo, menos de la mitad de este N aportado es absorbido por las plantas, perdiéndose el resto en el medio ambiente. Esta pérdida de N produce no solo problemas económicos, sino también graves problemas medioambientales como la acidificación del suelo, la eutrofización de las aguas o la contaminación del aire. Por lo tanto, para mantener un alto rendimiento de los cultivos y minimizar el aporte de N, un manejo eficiente de fertilizantes y la identificación de genotipos de alta eficiencia en el uso de N (NUE) son esenciales. Sin embargo, la segunda estrategia es considerada la más desafiante. NUE es un rasgo complejo, difícil de evaluar, y regulado por muchos factores genéticos y ambientales que interactúan. En este marco, el proyecto europeo SOLNUE (¿Tomato and eggplant N utilization efficiency in Mediterranean environments¿) tiene como objetivo generar conocimiento sobre la genética de la respuesta al estrés por N y desarrollar genotipos de tomate y berenjena con una NUE elevada. Este trabajo, como parte del proyecto SOLNUE, busca la identificación de loci de rasgos cuantitativos (QTLs) implicados en la respuesta al estrés por N en una población de generación avanzada por entrecruzamiento multiparental (MAGIC) de tomate previamente creada, compuesta por alrededor de 300 líneas, y ya genotipada con 1350 marcadores SNP. Esta población derivó del cruce de ocho líneas parentales de tomate cultivado con una amplia diversidad genética. a demostró su potencial para descifrar la base genética de la respuesta del tomate a diferentes estreses abióticos. Un ensayo en invernadero se está ya llevando a cabo, y dos concentraciones diferenciales de NO3- se están aplicando a las plantas: 2 mM (estrés por N) y 10 mM (control). Como NUE es un rasgo muy difícil de evaluar en un número tan grande de líneas, distintos rasgos secundarios relacionados se utilizarán para los estudios de mapeo de QTLs. Rasgos relacionados con la fenología, el vigor de la planta, la calidad de la fruta, y el contenido en N serán evaluados, y diferentes análisis estadísticos serán establecidos para la detección de QTLs involucrados en la respuesta al estrés por N (QTL por condición y para la respuesta relativa al estrés). Además, la disponibilidad de la secuencia del genoma de todos los progenitores permitirá la identificación de genes candidatos dentro de los QTL identificados. 40 QTLs con un intervalo de confianza menor a 2 Mpb fueron mapeados, 8 de ellos siendo QTLs interactivos (QTLxE). Dentro de estos QTLs interactivos, se encontraron algunos genes candidatos descritos previamente en otros cultivos como objetivos potenciales para mejorar la respuesta al estrés por bajas concentraciones de N. Los resultados aquí presentados abrirán perspectivas interesantes para el desarrollo de variedades de tomate adaptadas a un bajo suministro de N.

[EN] Nitrogen (N) is an essential macronutrient for plant growth and development. Nitrate (NO3-) and ammonium (NH4+) are the two major forms of N that are absorbed by plants. Nevertheless, both forms are in short supply in agricultural ecosystems. To achieve enough crop production levels and satisfy the global food demand, more than 100 million tons of chemical N fertilizers are applied annually to crops worldwide. However, less than half of this is absorbed by plants and converted into harvested products, the rest being lost in the environment. This loss of N produces not only economic problems, but also serious environmental problems such as soil acidification, water eutrophication, or air pollution. Therefore, to sustain high crop yield and minimize N input, an efficient fertilizer management and the identification of high N-use efficient (NUE) genotypes are requested. However, the second strategy is considered as the most challenging one. NUE is a complex trait, difficult to assess, and regulated by many interacting genetic and environmental factors. In this framework, the European SOLNUE project (¿Tomato and eggplant N utilization efficiency in Mediterranean environments¿) aims to generate knowledge about the genetic control of N stress response and develop genotypes with a high NUE using tomato and eggplant as target species. This work, as part of the SOLNUE project, aims at identifying quantitative trait loci (QTLs) involved in the N stress response using a multi-parental advanced generation inter-cross (MAGIC) tomato population, composed of about 300 lines, previously created and already genotyped with 1350 SNP markers. This segregating population derived from the cross of eight cultivated tomato parental lines covering a wide range of genetic diversity. It has already demonstrated its potential to suitably decipher the genetic basis of tomato response to different abiotic stresses. A trial has been conducted in a greenhouse applying two contrasted NO3- concentrations to the plants: 2 mM (N stress) and 10 mM (control). As NUE is a very difficult trait to assess in such a large number of lines, correlated secondary traits were used for QTL mapping studies. Phenology, plant vigor, fruit quality, and N status-related traits were recorded, and different statistical analysis were performed for the detection of QTLs involved in the N stress response (QTL per condition and for the relative stress response). In addition, the availability of the genome sequence of all the parents allowed the identification of candidate genes under the identified QTLs. 38 QTLs with a confidence interval lower than 2 Mbp were mapped, eight of them being interactive QTLs (QTLxE). Under these interactive QTLs, some candidate genes previously reported in other crops to be potential targets to improve plant N response were found. The results here presented will open interesting perspectives for the development of tomato varieties adapted to low N supply.