GENES AND GENOMIC REGIONS RELATED TO THE PRODUCTION OF VOLATILE COMPOUNDS IN THE TOMATO FRUIT

Abstract

[EN] Fruits both produce and emit volatile chemical compounds. These are short-chained low polarity molecules involved in many processes, and they are responsible of our perception of fruit aroma and of most of their flavour. This thesis is focused on the study of volatile compounds in the tomato fruit, which is one of the most important horticultural worldwide and is a model system for the study of fruit development and ripening. Some of the analytical methods more frequently used for the analysis of tomato fruit volatiles were systematically compared. Results revealed that the observed volatile profile is highly dependent on the precise analytical method used, both for sample processing and for the technique used for volatile acquisition. It was concluded that the method of election for the comparison of large sets of samples from a multi-omics approach consists on flash freezing the biological material with liquid nitrogen at the selected ripening stage and the use of headspace solid phase microextraction coupled to gas chromatography and mass spectrometry for the subsequent analysis. This method was implemented and was used for the determination of volatile compounds in selected NILs harbouring QTLs for characters related to flavour and aroma introgressed in different genetic backgrounds. The results allowed the association of several of the organoleptic characters previously identified with modified levels of several volatiles. It was also observed that the genetic background has a major effect on the production of such metabolites. Correlation analysis between the levels of volatiles and primary metabolites led to the conclusion that the production of volatile compounds is generally not determined by the levels of their precursors. Its regulation is most likely to be due to downstream processes such as the availability of either precursors or intermediate metabolites, the variability in specific processes leading to the concersion of precursors into volatiles, or to other still unknown regulatory mechanisms. Volatile compounds were also studied in a RIL population derived from a cross between Solanum pimpinellifolium accession TO-937, the closest species to cultivated, which produces red fruits, and S. lycopersicum cv. 'Moneymaker', a tomato variety for the fresh market. This allowed the identification of 102 QTLs for 39 different volatile compounds, 76 of which had not been previously described. All these QTLs were mapped along the 12 tomato chromosomes by means of the SOLCAP SNPs molecular market map. Most of the QTLs identified were subsequently evaluated on introgression lines (ILs) generated from the same original genotypes. It was observed that almost half of the QTLs previously identified retained their effect after introgression in the 'Moneymaker' genetic background. Additionally, 12 new QTLs were identified in this IL population. Based on the existing knowledge about the effect of volatile compounds on our perception of flavour and aroma and also on their ability to maintain their effect after introgression in the cultivated tomato, some of the QTLs identified are good candidates to be used in tomato flavour breeding programs. Eventually, the comparison of the localization in the genome of the QTLs identified in the different populations studied with those already described in the literature revealed a very low degree of co-localization between the different QTLs. This implies that there exists a wide range of variability in the wild species related to tomato available for breeding tomato flavour and aroma.

[ES] Los frutos producen y emiten compuestos químicos volátiles. Estos son moléculas en general poco polares y de cadena corta que cumplen diversas funciones, y son las responsables de que percibamos el aroma y buena parte del sabor de los frutos. Esta tesis está centrada en el estudio de los volátiles del fruto del tomate, que es uno de los cultivos hortícolas más importantes y un sistema modelo para el estudio del desarrollo y maduración del fruto. Se compararon de forma sistemática los métodos analíticos más comúnmente utilizados para el análisis de volátiles en fruto de tomate, y se observó que el perfil de volátiles detectado está fuertemente condicionado por el método analítico utilizado, tanto por el proceso de preparación de la muestra como por la técnica de adquisición de los volátiles. Finalmente se concluyó que la técnica más adecuada para la comparación de grandes grupos de muestras desde una aproximación multi-ómica consiste en congelar con nitrógeno líquido el material vegetal una vez alcanzado el momento idóneo de recolección, y su análisis posterior mediante microextracción en fase sólida (SPME) acoplada a cromatografía de gases y espectrometría de masas. Se puso a punto esta técnica y se utilizó para la determinación de los compuestos volátiles en varias líneas NILs portadoras de QTLs de caracteres relacionados con el sabor y el aroma en distintos fondos genéticos. Los resultados permitieron asociar varios de los caracteres organolépticos identificados con alteraciones en los niveles de algunos volátiles. Igualmente se observó que el fondo genético tiene un efecto importante sobre la producción de estos metabolitos. Los análisis de correlación entre los niveles de volátiles y metabolitos primarios permitieron concluir que la producción de compuestos volátiles, en general, no está determinada por los niveles de sus precursores, sino que su regulación debe encontrarse más bien en procesos posteriores, tales como la disponibilidad de los precursores o de metabolitos intermedios, variabilidad en procesos específicos relacionados con la conversión de los precursores en volátiles, o algún otro mecanismo regulador aún desconocido. También se estudiaron los volátiles en una población de RILs derivada de un cruce entre Solanum pimpinellifolium entrada TO-937, la especie más próxima al tomate cultivado, la cual produce frutos rojos, y S. lycopersicum cv. "Moneymaker", una variedad de tomate para el mercado en fresco. Esto permitió identificar 102 QTLs para 39 volátiles diferentes, 76 de las cuales no se habían descrito previamente, las cuales se mapearon a lo largo de los 12 cromosomas del tomate utilizando el mapa de marcadores moleculares de SNPs SOLCAP. Posteriormente se evaluaron la mayoría de las QTLs identificadas mediante la determinación de los volátiles en líneas ILs generadas a partir de los mismos materiales. Se observó que casi la mitad de estas QTLs mantuvieron su efecto al ser introgresadas en el fondo genético "Moneymaker", al tiempo que 12 nuevas QTLs se identificaron en esta población de ILs. Algunas de las QTLs identificadas, en base al conocimiento existente sobre el efecto de los compuestos volátiles en nuestra percepción del sabor y el aroma, y en base a su capacidad para mantener su efecto tras su introgresión en el tomate cultivado, resultan ser candidatos prometedores para su utilización en la mejora genética del sabor del tomate. Finalmente, el análisis de la localización en el genoma de las QTLs analizadas en las distintas poblaciones objeto de estudio en esta tesis, junto con las descritas en la bibliografía disponible, puso de relieve el bajo grado de co-localización existente entre las distintas QTLs, lo cual implica que en las especies silvestres relacionadas con el tomate existe un amplio rango de variabilidad genética susceptible de ser utilizado para la mejora de su sabor y su aroma.

[CA] Els fruits produixen i emitixen compostos químics volàtils. Estos són molècules en general de baixa polarita i cadena curta que tenen diverses funcions, i són les responsables de la nostra percepció de l'aroma i de bona part del sabor dels fruits. Esta tesi està centrada a l'estudi dels volàtils del fruit de la tomata, que és un dels cultius hortícoles més importants i un sistema model per a l'estudi del desenvolupament i la maduració del fruit. Es van comparar de forma sistemática els mètodes analítics més habituals per a l'anàlisi de volàtils en fruits de tomata, i es va observar que el perfil de volàtils detectat està fortament condicionat per el mètode analític utilitzat, tant per el procés de preparació de la mostra com per la técnica d'adquisició dels volàtils. Es va concluir que la t`cnica més adequada per a la comparació de grans grups de mostres desde una aproximació multi-òmica consistix en congelar en nitrògen líquid el material vegetal en el momento idoni de recolecció, i analitzar-lo posteriorment per microextracció en fase sòlida (SPME) acoplada a cromatografía de gasos i espectrometría de masses. Es va posar a punt esta técnica i es va utilitzar per a la determinació dels composteos volàtils en varies línies NILs portadores de QTLs de caràcters relacionats en el sabor i l'aroma en fons genètics diversos. Els resultats van permetre associar alguns dels caràcters organolèptics identificats en alteracions en els nivells d'alguns compostos volàtils. També es va observar que el fons genètic té un efecte important sobre la producción d'estos metabolits. Els anàlisi de correlació entre els nivells de volàtils i els metabolits primaris ens van permetre concluir que la producción de compostos volàtils, en general, no està determinada per els nivells dels seus precursors. La seua regulació és deguda a procesos posteriors, com la disponibilitat dels precursors o de metabolits intermediaris, la variabilitat en processos específics relacionats en la conversió dels precursors en volàtils, o en algún altre mecanisme regulador encara desconegut. També es van estudiar els volàtils en una población de RILs rerivada d'un creuament entre Solanum pimpinellifolium entrada TO-937, la espècie silvestre més próxima a la tomatera cultivada i que produix fruits rojos, i S. lycopersicum cv. Moneymaker, una varietat de tomata per al mercat en fresc. Açò va permetre l'identificació de 102 QTLs de 39 volàtils diferents, 76 de les quals no s'havien descrit prèviament, i que es van mapejar al llarg dels 12 cromosomes de la tomatera mitjançant el mapa de marcadors moleculars de SNPs SOLCAP. Posteriorment es van evaluar la majoria de les QTLs identificades mitjançant la determinació dels volàtils en línies ILs generades a partir dels mateixos materials. Es va observar que quasi la meitat de estes QTLs van mantindre el seu efecte al ser introgressades en el fons genètic "Moneymaker". Adicionalment, 12 noves QTLs es van identificar en esta población d'ILs. Algunes de les QTLs identificades, en base al coneiximent existent respecte a l'efecte dels volàtils en la nostra percepció del sabor i l'aroma, i tenin en cónter la seua capacitat de mantindre el seu efecte al ser introgressats en la tomata cultivada, són candidats prometedors per a ser utilitzats en la millora genética del sabor de les tomates. Finalment, l'anàlisi de la localització en el genoma de les QTLs analitzades en les distintes poblacions objecte d'aquesta tesi, junt a les descrites en la bibliografía disponible, va evidenciar que existix una baixa freqüència de co-localització entre les distintes QTLs. Açò implica que existix molta variabilitat genética en les espècies silvestres relacionades en la tomatera, que pot ser utilitzada per a la millora del sabor i l'aroma dels seus fruits.