Development and exploitation of MAGIC experimental populations in eggplant and tomato genetics and breeding

Abstract

[ES] La familia Solanaceae incluye cultivos de gran importancia económica mundial como la berenjena (Solanum melongena L.) y el tomate (S. lycopersicum L.). Aunque ambos cultivos muestran tendencias positivas en producción, rendimiento y consumo, actualmente se encuentran bajo la amenaza constante de múltiples estreses abióticos y bióticos, debido al estrechamiento y uniformidad genética de las variedades comerciales modernas de alto rendimiento. Como consecuencia de los procesos de domesticación y de los programas de mejora, habitualmente se ha producido una importante pérdida de variabilidad genética en las especies cultivadas, lo que conlleva un aumento del riesgo de pérdidas de rendimiento frente a las amenazas y una disminución de las fuentes de variabilidad para la mejora del cultivo. Por ello, en la presente tesis doctoral, se propone el aprovechamiento del potencial oculto de los parentales silvestres mediante la construcción de poblaciones experimentales interespecíficas Multi-parent Advanced Generation InterCross (MAGIC) que combinen germoplasma cultivado, semidomesticado y silvestre para contribuir en el rescate de parte de la variabilidad perdida en berenjena y tomate y la identificación de genes candidatos y polimorfismos causales que controlen caracteres cuantitativos de interés. En el primer capítulo de esta tesis, nos propusimos presentar la primera población MAGIC de berenjena desarrollada hasta el momento, a partir de siete accesiones de berenjena común de diferentes orígenes y una accesión de la especie silvestre S. incanum. Los ocho parentales utilizados para la construcción de esta población mostraron una amplia diversidad genética según los datos de resecuenciación genómica, fenotípica, de fruto, agronómica y de caracteres de resistencia al estrés. Esta población interespecífica fue fenotipada para diferentes caracteres y genotipada mediante la plataforma de Single Primer Enrichment Technology (SPET). Los resultados se utilizaron para la elucidación de los genes responsables de los diferentes patrones de pigmentación del fruto, incluyendo la biosíntesis de antocianinas y clorofilas uniformes, y la malla verde irregular del fruto. Comprender los mecanismos por los que se sintetizan los pigmentos de los frutos podría ser de gran utilidad para impulsar futuros programas de mejora centrados no sólo en la demanda específica de diversificación de frutos por parte de los consumidores, sino también en el desarrollo de nuevas variedades que presenten una mayor calidad nutricional y resistencia para hacer frente a los retos medioambientales que se avecinan. Esto es posible gracias a la relación de los pigmentos con las propiedades antioxidantes, la fotosíntesis y la biología del estrés de las plantas, entre otras. En el segundo capítulo de esta tesis, se abordó el desarrollo de una población MAGIC de tomate utilizando cuatro accesiones de la especie silvestre más cercana semidomesticada S. lycopersicum var. cerasiforme, y cuatro accesiones de S. pimpinellifolium, el ancestro del tomate cultivado. Estas especies se han utilizado poco en la mejora genética del tomate y no se ha explotado todo su potencial a pesar de su gran diversidad genética, su amplia variabilidad climática y ecológica y su proximidad al tomate cultivado. Las poblaciones MAGIC anteriores se desarrollaron combinando accesiones de tomate común de tipo cherry y de fruto más grande. Sin embargo, los resultados indican que estos ocho parentales no representan la variabilidad genética andina de S. l. var. cerasiforme perdida durante el proceso de domesticación y, por lo tanto, la población propuesta es complementaria a la ya desarrollada. La población interespecífica final también se genotipó mediante un panel SPET y se realizó una prueba de concepto para comprobar el potencial de la población fenotipándola para tamaño de fruto, pigmentación de la planta, morfología de la hoja y precocidad.

[CA] La família Solanaceae inclou cultius de gran importància econòmica mundial com l'albergina (Solanum melongena L.) i la tomaca (S. lycopersicum L.). Encara que tots dos cultius mostren tendències positives en producció, rendiment i consum, actualment es troben sota l'amenaça constant de múltiples estressos abiòtics i biòtics, a causa de l'estrenyiment i uniformitat genètica de les varietats comercials modernes d'alt rendiment. A conseqüència dels processos de domesticació i dels programes de millora, habitualment s'ha produït una important pèrdua de variabilitat genètica en les espècies cultivades, la qual cosa comporta un augment del risc de pèrdues de rendiment enfront de les amenaces i una disminució de les fonts de variabilitat per a la millora del cultiu. Per això, en la present tesi doctoral, es proposa l'aprofitament del potencial ocult dels parentals silvestres mitjançant la construcció de poblacions experimentals interespecífiques Multi-parent Advanced Generation InterCross (MAGIC) que combinen germoplasma cultivat, semidomesticat i silvestre per a contribuir en el rescat de part de la variabilitat perduda en albergina i tomaca i la identificació de gens candidats i polimorfismes causals que controlen caràcters quantitatius d'interès. En el primer capítol d'aquesta tesi, ens vam proposar presentar la primera població MAGIC d'albergina desenvolupada fins ara, a partir de set accessions d'albergínia comuna de diferents orígens i una accessió de l'espècie silvestre S. incanum. Els huit parentals utilitzats per a la construcció d'aquesta població van mostrar una àmplia diversitat genètica segons les dades de reseqüenciació genòmica, fenotípica, de fruit, agronòmica i de caràcters de resistència a l'estrès. Aquesta població interespecífica va ser fenotipada per a diferents caràcters i genotipada mitjançant la plataforma de Single Primer Enrichment Technology (SPET). Els resultats es van utilitzar per a l'elucidació dels gens responsables dels diferents patrons de pigmentació del fruit, incloent-hi la biosíntesi d'antocianines i clorofil·les uniformes, i la malla verda irregular del fruit. Comprendre els mecanismes pels quals se sintetitzen els pigments dels fruits podria ser de gran utilitat per a impulsar futurs programes de millora centrats no sols en la demanda específica de diversificació de fruits per part dels consumidors, sinó també en el desenvolupament de noves varietats que presenten una major qualitat nutricional i resistència per a fer front als reptes mediambientals que s'aveïnen. Això és possible gràcies a la relació dels pigments amb les propietats antioxidants, la fotosíntesi i la biologia de l'estrès de les plantes, entre altres. En el segon capítol d'aquesta tesi, es va abordar el desenvolupament d'una població MAGIC de tomaca utilitzant quatre accessions de l'espècie silvestre més pròxima semidomesticada S. lycopersicum var. cerasiforme, i quatre accessions de S. pimpinellifolium, l'ancestre de la tomaca cultivada. Aquestes espècies s'han utilitzat poc en la millora genètica de la tomaca i no s'ha explotat tot el seu potencial malgrat la seua gran diversitat genètica, la seua àmplia variabilitat climàtica i ecològica i la seua proximitat a la tomaca cultivada. Les poblacions MAGIC anteriors es van desenvolupar combinant accessions de tomaca comuna de tipus cherry i de fruit més gran. No obstant això, els resultats indiquen que aquests huit parentals no representen la variabilitat genètica andina de S. l. var. cerasiforme perduda durant el procés de domesticació i, per tant, la població proposada és complementària a la ja desenvolupada. La població interespecífica final també es va genotipar mitjançant un panell SPET i es va realitzar una prova de concepte per a comprovar el potencial de la població fenotipant-la per a grandària de fruit, pigmentació de la planta, morfologia de la fulla i precocitat.

[EN] The Solanaceae family includes crops of global economic importance such as eggplant (Solanum melongena L.) and tomato (S. lycopersicum L.). Although both crops show positive trends in production, yield, and consumption, they are currently under constant threat from multiple abiotic and biotic stresses, due to the genetic narrowing and uniformity of modern high-yielding commercial varieties. As a consequence of domestication processes and plant breeding programs, usually there has been a significant loss of genetic variability in cultivated species, leading to an increased risk of yield losses when facing threats and a decrease in sources of variability for crop improvement. Therefore, in the present doctoral thesis, it is proposed the leverage of the hidden potential of the wild relatives by constructing inter-specific Multi-parent Advanced Generation InterCross (MAGIC) experimental populations combining cultivated, semi-domesticated, and wild germplasm to contribute to rescuing some of the lost variability in eggplant and tomato and the identification of candidate genes and causative polymorphisms controlling interesting quantitative traits. In the first chapter of this thesis, we aimed to present the first eggplant MAGIC population so far, developed from seven accessions of common eggplant from different origins and one wild species S. incanum accession. The eight founders used for the construction of this population showed a wide genetic diversity according to genome resequencing data, phenotypic, fruit, agronomic and stress resistance traits. This inter-specific population was phenotyped for different traits and genotyped through the single primer enriched technology (SPET) platform. Results were used for the elucidation of the genes responsible for different fruit pigmentation patterns including the biosynthesis of uniform anthocyanins and chlorophylls, and the irregular fruit green netting. Understanding the mechanisms by which fruit pigments are synthesized could be extremely useful to foster future breeding programs focused not only on specific consumers' demand for fruit diversification but also on the development of novel varieties exhibiting enhanced nutritional quality and resilience to tackle the forthcoming environmental challenges. This could be possible thanks to the relationship of pigments with antioxidant properties, photosynthesis, and the stress biology of plants, among others. In the second chapter of this thesis, we addressed the development of a tomato MAGIC population using four accessions of the semi-domesticated closest wild relative S. lycopersicum var. cerasiforme, and four accessions of the S. pimpinellifolium, which is the ancestor of the cultivated tomato. These species have been little used in breeding and their full potential has not been exploited despite their high genetic diversity, their wide climatic and ecological variability and their closeness to the cultivated tomato. Previous MAGIC populations have been developed combining cherry type and larger fruit accessions of common tomato. However, the results indicate that these eight founders do not represent the Andean genetic variability of S. l. var. cerasiforme lost during the domestication process and therefore, the proposed population is complementary to that already developed. The final inter-specific population was also genotyped through a SPET panel and a proof-of-concept for testing the potential of the population was conducted by phenotyping it for fruit size, plant pigmentation, leaf morphology, and earliness traits.