Towards increasing genetic variability and improving fruit quality in peach using genomic and bioinformatic tools

Abstract

El préssec és un dels fruiters més conreats al món, la producció del qual s’ha duplicat en els darrers vint anys. Per augmentar el seu consum cal millorar-ne la qualitat, un repte difícil ja que es tracta d’una fruita de curta vida postcollita. Addicionalment, el préssec te poca variabilitat genètica el que implica que les seves possibilitats de millora genètica són limitades. Altres elements que condicionen el futur del conreu del préssec son el canvi climàtic, la globalització del mercat i els canvis d’hàbits alimentaris dels consumidors. Per a encarar aquests reptes caldrà implementar noves estratègies per a explotar millor la variabilitat existent dins l’espècie i per a introduir nous gens d’altres espècies silvestres o conreades properes, que son els objectius d’aquesta tesi. Primer, vam estudiar la base genètica del caràcter de maduració lenta del fruit (SMF), la carn del qual es manté ferma més temps que la carn tova (MF) que actualment domina el mercat, el que resulta en una vida postcollita més llarga. La referència pel caràcter SMF a Espanya és la varietat de nectarina ‘Big Top’, que es va usar per a generar dues descendències F1 amb pares MF. Vam construir mapes genètics d’alta densitat amb SNPs i vam mesurar el caràcter SMF en ambdues descendències. Els dos loci de caràcters quantitatius (QTLs) trobats colocalitzaren amb dos QTLs d’època de maduració en els grups de lligament 4 (G4) i G5, explicant >20% de la variabilitat fenotípica observada cadascun. El QTL del G5 només es trobà a ‘Big Top’ i és possiblement el causant principal del seu comportament SMF. En segon lloc, assajarem una nova estratègia, que anomenàrem introgressió assistida amb marcadors (MAI), per a introduir nova variabilitat d’origen exòtic en espècies llenyoses en un curt període de temps - dues generacions després de l’híbrid - usant marcadors moleculars per a accelerar el procés. Como resultat lateral vam desenvolupar un joc de línies d’introgressió (ILs) d’ametller en el fons genètic del presseguer, una eina útil per a l’anàlisi genètica de caràcters d’herència complexa. Finalment, estudiàrem el procés de recombinació usant dades de reseqüència d’ADN dels descendents d’un encreuament entre un híbrid ametller × presseguer i el seu genitor masculí (el presseguer ‘Earlygold’), el que permeté comparar la recombinació inter i intraespecífica. Entendre quins factors controlen la formació dels entrecreuaments (COs) és essencial pel control de la introgressió d’un donant exòtic al germoplasma cultivat. Desenvolupàrem un programa bioinformàtic per a detectar SNPs i indels, genotipàrem in silico cada individu i determinàrem la posició dels COs. Un primer resultat fou una distribució heterogènia de COs al genoma, però semblant en meiosis intra i interespecífiques, encara que la recombinació interespecífica va ser molt menys freqüent que la intraespecífica. Localitzàrem les regions dels COs i en vam trobar algunes amb més COs dels esperats (hotspots), detectant motius d’ADN associats a aquestes regions. Altres esdeveniments de recombinació anomenats “noncrossovers” es van detectar a la meiosi de l’híbrid a una freqüència aproximadament cinc vegades més alta que la dels COs. Finalment, associàrem la baixa recombinació en l’híbrid amb la baixa fertilitat del seu pol·len, indicant que la diversitat de seqüència del ADN es una possible causa d’aïllament reproductiu en plantes. En conjunt, els nostres resultats proporcionen informació nova sobre l’herència de caràcters clau per a la millora del presseguer, eines per a l’anàlisi fi de caràcters d’herència complexa, una estratègia de millora per a la introgressió de gens d’interès procedents d’altres espècies i dades sobre el funcionament de la recombinació interespecífica. Al mateix temps, hem produïm informació sobre eines moleculars que permeten aplicar aquests coneixements a l’obtenció de varietats millorades.

Peach is a major fruit species, cultivated worldwide, with an outstanding adaptation to contrasting climate conditions, which world production has doubled in the last two decades. Increasing peach consumption requires enhancing fruit quality, a challenging objective for a fruit that has a short postharvest life. An important shortcoming for peach breeding is its low level of variability, narrowing the possibilities for its improvement. Other elements that may further condition peach production and breeding are climate change, the globalization of peach market and the changing eating habits of the population. Facing these challenges requires implementation of new strategies allowing a better exploitation of the variability that still exists inside the species and the introduction of new variability using other cultivated or wild relatives. In this work we aim to contribute in the development of such novel approaches. First we studied the genetic basis of the slow melting flesh (SMF) trait, characterized by the longer postharvest life of fruits, with higher firmness values after harvest than regular melting flesh (MF) peaches. SMF is present in some North American peach and nectarine cultivars, one of which (‘Big Top’), has become a reference for nectarine production in Spain. We studied two F1 populations using ‘Big Top’ as female parent, built linkage maps using the 9k peach SNP chip, and measured SMF. Quantitative trait loci (QTL) analysis allowed us to find two consistent QTLs for SMF co-localizing with maturity date QTLs in linkage group four (G4) and G5 that explained each >20% of phenotypic variability. The QTL on G5 was exclusive to ‘Big Top’, which can be the cause of its specific SMF behavior. In a second topic, we tested a new strategy, marker assisted introgression (MAI), to introduce new variability from exotic sources into cultivated perennial species in a short timeframe, using molecular markers to accelerate the process. As a side result we developed a set of introgression lines (ILs) of almond in the genetic background of peach, an optimal tool for genetic analysis of complex traits. In the final topic of this thesis we aimed to study the recombination process in wide crosses (almond × peach) in comparison with that of intraspecific crosses (peach), using resequence data of a cross between an almond × peach hybrid and its peach parent (‘Earlygold’). Understanding which factors control the occurrence of crossovers (COs) is critical to control the introgression process from an exotic donor to elite cultivated materials. We developed a bioinformatics pipeline to detect SNP and indel variants, in silico genotyped each individual, and determined the CO positions using the variants called. We found that the distribution of COs was heterogeneous in the genome, but similar in intra and interspecific meioses, and that a strong reduction of recombination occurred at the interspecific level, which we associated with DNA sequence divergence. We studied the CO regions, found some with high CO frequency (hotspots) and identified DNA motifs associated with these regions. Other recombination events such as noncrossovers (NCOs) were also detected for the hybrid meiosis about five times more frequently than COs. Finally, we associated low recombination in the hybrid with low pollen fertility, suggesting DNA sequence divergence as a possible cause for a gradual process of reproductive isolation in plants. Overall, our results supply new information on the inheritance of key commercial peach traits, tools for the fine analysis of complex characters, a breeding strategy for the enrichment of peach genome with valuable genes from other species, and data on how interspecific recombination proceeds. At the same time, we provide molecular tools to facilitate the translation of this knowledge into new and improved cultivars.