Desarrollo de herramientas morfológicas y genómicas para el estudio del pepino dulce (Solanum muricatum) y especies relacionadas. Caracterización de su valor nutracéutico

Abstract

[EN] The reduction of agricultural biodiversity is a serious problem for our agriculture. Increasingly fewer species are cultivated, and these are also increasingly homogeneous. The introduction of new crops for the horticultural diversification is one of the activities that can be implemented to minimize the impact of this variability loss. In this regard, pepino (Solanum muricatum) is a crop that may be of interest to our horticulture and neighboring markets. It is a species of Andean origin, usually propagated vegetatively, and that can be grown in the Mediterranean area. The pepino is used for its juicy, sweet and aromatic fruits, which in addition presents significant amounts of beneficial compounds for health. The COMAV genebank has a collection of pepino and wild relatives accessions. At present, morphological descriptors are available for proper characterization of these materials, but it was necessary to develop phenological descriptors as the ones presented in this work. In particular, the BBCH scale developed in this thesis is a key that allow us to describe and define the various stages of phenological development in the species, displaying numerous applications. On the other hand, a correct characterization of the accessions preserved in the genebank was necessary. For this reason, and in addition to carrying out a morphological characterization, a molecular characterization using SSR markers derived from tomato was performed. In this case, the benefit of the genetic proximity between the two species allowed us to transfer the tomato markers (widely studied species) to pepino, allowing us to differentiate morphologically and molecularly the wild species from the cultivated one, and within the latter, differentiate modern and traditional types. A limitation in the study of the genetics of pepino was the small number of DNA sequences available in the databases. For this reason, we sequenced the transcriptome of a variety of pepino (Sweet Long) as well as the species that is considered the wild ancestor of the pepino, S. caripense. The sequencing and subsequent assembly of the transcriptome has allowed an initial comparative analysis between pepino and its closely related species, tomato and potato, a phylogenetic study of cultivated Solanaceae, a comparative analysis of some genes of agronomic interest, and the massive development of molecular markers. Because of the potential nutraceutical properties of the pepino fruit, we decided to perform a characterization using the previously studied collection. We have evaluated the dry matter, protein, antioxidants, pigments and minerals contents. On the other hand, considering that polyphenols are one of the most important antioxidant compounds, we conducted a study trying to elucidate the profile of polyphenols and their antioxidant activity in four pepino and one S. caripense entries. We also measured the effect of the pepino extracts on macrophage cells subjected to oxidative stress. The results obtained revealed a significant reduction in nitric oxide production, which indicates the existence of an anti-inflammatory effect. These beneficial properties of pepino are its main strength and, together with a high organoleptic quality and good promotion can encourage the introduction and development of this crop. In summary, in this thesis we have obtained relevant information about the diversity of pepino and we have studied its phenological, morphological, molecular, genomic, nutritional and nutraceutical characteristics.

[ES] La reducción en la diversidad agrícola es un problema grave en nuestra agricultura. Cada vez se cultiva un menor número de especies distintas, y estas además son cada vez más homogéneas. Una de las actividades que se pueden llevar a cabo para minimizar el impacto de esta pérdida de variabilidad es la introducción de nuevos cultivos para la diversificación hortícola. En este sentido, el pepino dulce (Solanum muricatum) es un cultivo que puede tener interés para nuestra horticultura y para los mercados vecinos. Se trata de una especie de origen andino que normalmente se propaga vegetativamente, y que se puede cultivar en el área mediterránea. El pepino dulce se aprovecha por sus frutos jugosos, dulces y muy aromáticos, además de ello presenta cantidades relevantes de compuestos beneficiosos para la salud. El banco de germoplasma del COMAV conserva una colección de entradas de pepino dulce y de especies silvestres relacionadas. En la actualidad se disponen de descriptores morfológicos para la correcta caracterización de estos materiales, pero se hacía necesario disponer descriptores fenológicos como los desarrollados en este trabajo. En particular, la escala BBCH desarrollada es una clave que permite describir y delimitar los distintos estadios de desarrollo fenológico en la especie, presentando numerosas aplicaciones. Por otro lado era necesaria una correcta caracterización de estas entradas conservadas en el banco de germoplasma, para ello y como complemento a la realización de una caracterización morfológica, se llevó a cabo una caracterización molecular empleando marcadores SSR derivados de tomate. En este caso, se sacó beneficio de la proximidad genética entre ambas especies para transferir los marcadores de tomate (especie ampliamente estudiada) a pepino dulce, permitiendo diferenciar tanto morfológicamente, como molecularmente las especies silvestres de la cultivada, y dentro de esta los tipos modernos de los tradicionales. Una limitación en el estudio de la genética del pepino dulce era el número reducido de secuencias de ADN disponibles en las bases de datos, razón por la cual se proyectó la secuenciación del transcriptoma de una variedad de pepino dulce (Sweet Long) y de una entrada de la especie que se considera el ancestro silvestre del pepino dulce S. caripense. Esta secuenciación y posterior ensamblaje del transcriptoma ha permitido realizar un estudio inicial donde se ha realizado un análisis comparativo entre pepino dulce y sus especies cercanas tomate y patata, un estudio filogenético entre Solanáceas cultivadas, un análisis comparativo de algunos genes de interés agronómico, así como el desarrollo masivo de marcadores moleculares. Debido a las potenciales propiedades nutracéuticas de los frutos de pepino dulce, se decidió realizar una caracterización de la misma en la colección de entradas estudiada anteriormente. Por un lado se ha evaluado el contenido en materia seca, proteínas, antioxidantes, pigmentos y minerales; por otro lado, teniendo en cuenta que los polifenoles son unos de los compuestos con mayor poder antioxidante, se llevó a cabo un estudio que pretendió dilucidar el perfil de polifenoles en cuatro entradas de pepino dulce y una entrada de S. caripense, así como su poder antioxidante. Como complemento a esto último se evaluó el efecto de extractos de pepino dulce sobre células de macrófagos sometidas a estrés oxidativo, observándose una reducción significativa en la producción de óxido nítrico, lo cual indica la existencia de un efecto antiinflamatorio. Estas propiedades beneficiosas del pepino dulce son su mayor virtud, y junto con una elevada calidad organoléptica y una buena promoción, pueden favorecer la introducción y desarrollo de este cultivo. En definitiva, esta tesis supone la obtención de información relevante sobre la diversidad del pepino dulce, además de un estudio en distintos aspectos, como el fenológico, morfol

[CA] La reducció en la diversitat agrícola és un problema greu en la nostra agricultura. Cada vegada es cultiva un menor nombre d'espècies diferents, i aquestes a més són cada vegada més homogènies. Una de les activitats que es poden dur a terme per a minimitzar l'impacte d'aquesta pèrdua de variabilitat és la introducció de nous cultius per a diversificació hortícola. En aquest sentit, el cogombre dolç (Solanum muricatum) és un cultiu que pot tenir interès per a la nostra horticultura i per als mercats veïns. Es tracta d'una espècie d'origen andí que normalment es propaga vegetativament, i que es pot cultivar en l'àrea mediterrània. El cogombre dolç s'aprofita pels seus fruits sucosos, dolços i molt aromàtics, a més d'això presenta quantitats rellevants de compostos beneficiosos per a la salut. El banc de germoplasma del COMAV conserva una col·lecció d'entrades de cogombre dolç i d'espècies silvestres relacionades. En l'actualitat es disposen de descriptors morfològics per a la correcta caracterització d'aquests materials, però es feia necessari disposar descriptors fenològics com els desenvolupats en aquest treball. En particular, l'escala BBCH desenvolupada és una clau que permet descriure i delimitar els diferents estadis de desenvolupament fenològic en l'espècie, presentant nombroses aplicacions. D'altra banda era necessària una correcta caracterització d'aquestes entrades conservades en el banc de germoplasma, per a això i com a complement a la realització d'una caracterització morfològica es va dur a terme una caracterització molecular emprant marcadors SSR derivats de tomaca. En aquest cas, es va traure benefici de la proximitat genètica entre ambdues espècies per a transferir els marcadors de tomaca (espècie àmpliament estudiada) a cogombre dolç, permetent diferenciar tant morfològicament, com molecularment les espècies silvestres de la cultivada, i dins d'aquesta els tipus moderns dels tradicionals. Una limitació en l'estudi de la genètica del cogombre dolç era el nombre reduït de seqüències d'ADN disponibles en les bases de dades, raó per la qual es va projectar la seqüenciació del transcriptoma d'una varietat de cogombre dolç (Sweet Long) i d'una entrada de l'espècie que es considera l'ancestre silvestre del cogombre dolç, S. caripense. Aquesta seqüenciació i posterior assemblatge del transcriptoma ha permès realitzar un estudi inicial on s'ha realitzat una anàlisi comparativa entre cogombre dolç i les seues espècies properes tomaca i creïlla, un estudi filogenètic entre solanàcies cultivades, una anàlisi comparativa d'alguns gens d'interès agronòmic, així com el desenvolupament massiu de marcadors moleculars. A causa de les potencials propietats nutracèutiques dels fruits de cogombre dolç, es va decidir realitzar una caracterització de la mateixa en la col·lecció d'entrades estudiada anteriorment. D'una banda s'ha avaluat el contingut en matèria seca, proteïnes, antioxidants, pigments i minerals; d'altra banda, tenint en compte que els polifenols són uns dels compostos amb major poder antioxidant, es va dur a terme un estudi que va pretendre dilucidar el perfil de polifenols en quatre entrades de cogombre dolç i una entrada de S. caripense, així com el seu poder antioxidant. Com a complement a això últim es va avaluar l'efecte d'extractes de cogombre dolç sobre cèl·lules de macròfags sotmeses a estrès oxidatiu, observant-se una reducció significativa en la producció d'òxid nítric, la qual cosa indica l'existència d'un efecte antiinflamatori. Aquestes propietats beneficioses del cogombre dolç són la seua major virtut, i juntament amb una elevada qualitat organolèptica i una bona promoció, poden afavorir la introducció i desenvolupament d'aquest cultiu. En definitiva, aquesta tesi suposa l'obtenció d'informació rellevant sobre la diversitat del cogombre dolç, a més d'un estudi en diferents aspectes, com el feno