Breeding Melons for Resistance to Viral and Fungal Diseases. Exploiting the Multi-Resistant Accession TGR-1551

Abstract

[ES] Las cucurbitáceas son la segunda familia de hortícolas más importante a nivel mundial, solo por detrás de las solanáceas. Tradicionalmente su cultivo se ha llevado a cabo en las zonas templadas del planeta. Sin embargo, las condiciones de cambio climático, el comercio internacional y los modelos de agricultura intensiva favorecen la aparición de nuevas virosis y enfermedades fúngicas en zonas donde antes no estaban presentes. En este sentido, resulta esencial el monitoreo periódico de las principales zonas productoras, para así poder detectar los virus y hongos emergentes en cada territorio y adaptar los programas de mejora a los objetivos específicos de cada zona. En el caso concreto del melón (Cucumis melo) existe una gran variabilidad intraespecífica que puede servir como fuente de alelos de resistencia frente a estos patógenos. Sin embargo, las fuentes de resistencia suelen encontrarse dentro del germoplasma silvestre, normalmente originario de África o Asia, y en el que el nivel de domesticación es reducido. Para un mejor aprovechamiento de las accesiones resistentes, resulta necesario un estudio del control genético de los caracteres de interés, que permita localizar las regiones asociadas a la resistencia y diseñar marcadores moleculares asociadas a las mismas. Esto facilita los programas de mejora orientados a la introgresión de las resistencias manteniendo el fondo genético de las variedades de interés En la presente tesis doctoral, durante las campañas de verano de 2019 y 2020, se ha llevado a cabo un estudio de la incidencia y diversidad genética de 9 especies virales potencialmente limitantes para el cultivo de cucurbitáceas en el sur este español. Se ha podido observar que los virus transmitidos por pulgones son prevalentes frente a los transmitidos por mosca blanca. Dentro del primer grupo destacó la presencia de watermelon mosaic virus (WMV), cucurbits aphid borne yellows virus (CABYV) y cucumber mosaic virus (CMV), ya que fueron detectados en todas las zonas y cultivos estudiados, apareciendo frecuentemente en infecciones mixtas. Moroccan watermelon mosaic virus (MWMV) y tomato leaf curl New Delhi virus (ToLCNDV) también fueron detectados en algunas zonas, pero con porcentajes de infección más bajos y normalmente en infecciones mixtas con WMV. Los análisis filogenéticos de los distintos aislados encontrados ha permitido la identificación de 7 nuevos perfiles moleculares de WMV y de aislados recombinantes de CMV, lo que es consistente con los resultados obtenidos en otros países y pone de manifiesto la gran variabilidad de estos patógenos. Las accesiones silvestres de melón recogidas en distintos bancos de germoplasma son un valioso recurso para los programas de mejora genética frente a estreses bióticos. La accesión africana TGR-1551 ha sido descrita previamente como resistente a WMV, CYSDV (cucurbit yellow stunting disorder virus), CABYV y el hongo Podosphaera xanthii (Px, razas 1, 2 y 5) agente causal del oídio en melón. Además, es tolerante a la mosca blanca (Bemisia tabaci) y portadora del gen Vat (virus aphid transmission), el cual limita la transmisión de virus por pulgón. Por lo tanto, esta accesión constituye una buena fuente de alelos de resistencia y, al poder utilizar un único parental donante, su uso acortaría los programas de mejora. En el marco de la presente tesis doctoral, mediante el desarrollo de poblaciones segregantes de mapeo y el aprovechamiento de las tecnologías de genotipado masivo se han podido cartografiar los QTLs asociados a la resistencia a CYSDV derivados de esta entrada. En el caso de la resistencia a CYSDV, se han detectado dos QTL en el cromosoma 5. El primero de ellos es de efecto mayor y herencia dominante, estando asociado al desarrollo de síntomas. El segundo QTL, de efecto menor y también de herencia dominante, no confiere resistencia por sí mismo y está asociado a la carga viral durante la infección. Siguiendo una estrategia similar se han podido cartografiar y estrecha

[CA] Les cucurbitàcies són la segona família d'hortícoles més important a nivell mundial, només per darrere de les solanàcies. Tradicionalment el seu cultiu s'ha dut a terme a les zones temperades del planeta. No obstant això, les condicions de canvi climàtic, el comerç internacional i els models d'agricultura intensiva afavoreixen l'aparició de noves virosis i malalties fúngiques en zones on abans no estaven presents. En aquest sentit, resulta essencial el monitoratge periòdic de les principals zones productores, per a d'aquesta manera, poder detectar els virus i fongs emergents en cada territori i adaptar els programes de millora als objectius específics de cada zona. En el cas concret del meló (Cucumis melo) existeix una gran variabilitat intraespecífica que pot servir com a font d'al·lels de resistència enfront d'aquests patògens. No obstant això, les fonts de resistència solen trobar-se dins del germoplasma silvestre, normalment originari d'Àfrica o Àsia, i en el qual el nivell de domesticació és reduït. Per a un millor aprofitament de les accessions resistents, resulta necessari un estudi del control genètic dels caràcters d'interés, que permeta localitzar les regions associades a la resistència i dissenyar marcadors moleculars associats a aquestes. Això facilita els programes de millora orientats a la introgressió de les resistències mantenint el fons genètic de les varietats d'interés. En la present tesi doctoral, durant les campanyes d'estiu de 2019 i 2020, s'ha dut a terme un estudi de la incidència i diversitat genètica de nou espècies virals potencialment limitants per al cultiu de cucurbitàcies en el sud-est espanyol. S'ha pogut observar que els virus transmesos per pugons són prevalents enfront dels transmesos per mosca blanca. Dins del primer grup va destacar la presència de watermelon mosaic virus (WMV), cucurbits aphid born yellows virus (CABYV) i cucumber mosaic virus (CMV), ja que van ser detectats en totes les zones i cultius estudiats, apareixent sovint en infeccions mixtes. Moroccan watermelon mosaic virus (MWMV) i tomatoleaf curl New Delhi virus (ToLCNDV) també van ser detectats en algunes zones, però amb percentatges d'infecció més baixos i normalment en infeccions mixtes amb WMV. Les anàlisis filogenètiques dels diferents aïllats trobats ha permés la identificació de set nous perfils moleculars de WMV i d'aïllats recombinants de CMV, la qual cosa és consistent amb els resultats obtinguts en altres països i posa de manifest la gran variabilitat d'aquests patògens. Les accessions silvestres de meló recollides en diferents bancs de germoplasma són un valuós recurs per als programes de millora genètica enfront d'estressos biòtics. L'accessió africana *TGR-1551 ha sigut descrita prèviament com a resistent a WMV, CYSDV (cucurbit yellow stunting disorder virus), CABYV i el fong Podosphaera xanthii (Px, races 1, 2 i 5) agent causal de l'oïdi en meló. A més, és tolerant a la mosca blanca (Bemisia tabaci) i portadora del gen Vat (virus aphid transmission), el qual limita la transmissió de virus per pugó. Per tant, aquesta accessió constitueix una bona font d'al·lels de resistència i, en poder utilitzar un únic parental donant, el seu ús acurtaria els programes de millora. En el marc de la present tesi doctoral, mitjançant el desenvolupament de poblacions segregants de mapatge i l'aprofitament de les tecnologies de genotipat massiu s'ha pogut cartografiar els QTLs associats a la resistència a CYSDV derivats d'aquesta entrada. En el cas de la resistència a CYSDV, s'han detectat dues QTL en el cromosoma cinc. El primer d'ells és d'efecte major i herència dominant, estant associat al desenvolupament de símptomes. El segon QTL, d'efecte menor i també d'herència dominant, no confereix resistència per si mateix i està associat a la càrrega viral durant la infecció. Seguint una estratègia similar s'han pogut cartografiar i estrényer els *QTLs de resistència enfront de Px. En aquest cas es tracta d'una epistàsia dominant-re

[EN] Cucurbits represent the second most important horticultural family worldwide, second only the Solanaceae family. Traditionally, their cultivation has been concentrated in temperate regions across the globe. However, climate change conditions, international trade, and intensive agricultural practices are contributing to the emergence of new viral and fungal diseases in regions where they were previously absent. In this regard, it is crucial to regularly monitor major production areas to detect emerging viruses and fungi specific to each region. This monitoring allows for the adaptation of breeding programs to the unique goals of each area. In the case of melon (Cucumis melo), it exists significant intraspecific variability that can serve as a source of resistance alleles against these pathogens. However, sources of resistance are often found within wild germplasm, typically originating from Africa or Asia, and characterized by limited domestication. To better utilize these resistant accessions, a study of the genetic control of desirable traits is necessary. This study aims to locate regions associated with resistance and design molecular markers linked to these regions. Such an approach streamlines breeding programs focused on introgressing resistance traits while preserving the genetic background of the desired varieties. During the summer campaigns of 2019 and 2020, this doctoral thesis conducted a study on the incidence and genetic diversity of nine viral species potentially affecting cucurbit cultivation in southeastern Spain. It was observed that viruses transmitted by aphids were more prevalent than those transmitted by whiteflies. Within the first group, the presence of watermelon mosaic virus (WMV), cucurbits aphid borne yellows virus (CABYV), and cucumber mosaic virus (CMV) stood out, as they were detected in all the studied areas and crops, often in mixed infections. Moroccan watermelon mosaic virus (MWMV) and tomato leaf curl New Delhi virus (ToLCNDV) were also detected in some areas but with lower infection percentages, typically in mixed infections with WMV. Phylogenetic analyses of the found isolates have identified seven new molecular profiles of WMV and recombinant CMV isolates, which is consistent with results from other countries, highlighting the extensive variability of these pathogens. Wild melon accessions preserved in various germplasm banks represent a valuable resource for breeding programs against biotic stresses. The African accession TGR-1551 has been previously described as resistant to WMV, CYSDV (cucurbit yellow stunting disorder virus), CABYV, and the fungus Podosphaera xanthii (Px, races 1, 2, and 5), which causes powdery mildew in melons. Additionally, it is tolerant to whiteflies (Bemisia tabaci) and carries the Vat gene (Virus Aphid Transmission), limiting virus transmission by aphids. Therefore, this accession constitutes as an excellent source of resistance alleles, and its use, as a single donor parent, can expedite breeding programs. Within the scope of this doctoral thesis, through the development of segregating mapping populations and the utilization of high-throughput genotyping technologies, the QTLs associated with CYSDV resistance from this accession have been mapped. In the case of CYSDV resistance, two QTLs have been detected on chromosome 5. The first of these, with major effects and dominant inheritance, is associated with symptom development. The second QTL, with minor effects and also dominant inheritance, does not confer resistance by itself and is linked to viral load during infection. A similar strategy was employed to map and narrow down the QTLs for resistance against Px. In this case, it involves a dominant-recessive epistasis, with the recessive gene located on chromosome 12 and the dominant gene on chromosome 5, specifically in the same region where the major CYSDV resistance QTL is located. Regarding resistance against WMV, previous studies conducted by the research