Genetic dissection of fruit quality and ripening traits in melon

Abstract

El melón (Cucumis melo L.) es un importante cultivo a nivel mundial, con una producción de 31 millones de toneladas durante el año 2016. Aunque tradicionalmente los programas de mejora genética se han focalizado en el comportamiento agronómico del cultivo, la calidad de fruto se ha convertido recientemente en un objetivo principal. La calidad del fruto es un concepto complejo, que incluye diversos caracteres relacionados con la apariencia visual del fruto y su calidad nutricional y organoléptica. Muchos de estos caracteres están asociados a la maduración de fruto, que es el proceso que sufre el fruto para transformarse en un alimento atractivo para promover la dispersión de la semilla. Los frutos son clasificados, en base a su comportamiento durante la maduración, en climatéricos, cuando la hormona vegetal etileno es sintetizada de manera autocatalítica al comienzo del proceso de maduración, y no climatéricos, para los cuales el etileno no tiene un papel importante. El principal objetivo de este trabajo ha sido estudiar las bases genéticas de la calidad y la maduración del fruto en melón. Hemos desarrollado una población de líneas puras recombinantes (RIL) a partir del cruce entre dos variedades élite, “Védrantais”, altamente climatérica, y “Piel de Sapo” (PS), no climatérica. La diversidad fenotípica en la calidad de fruto y los caracteres asociados a la maduración, incluyendo la producción de etileno, han sido estudiados en profundidad. Un mapa genético de alta densidad ha sido construido usando variantes obtenidas a través de un experimento de genotyping-by-sequencing. Un experimento de mapeo de QTLs reveló cinco genes mayores y 33 QTLs implicados en la apariencia visual del fruto (color, presencia de suturas, moteado), morfología de fruto, contenido en azúcares y peso de semilla. Un segundo experimento de mapeo de QTLs identificó 14 QTLs implicados en la producción de etileno y otros caracteres asociados a la maduración, como degradación de clorofila o formación de una capa de abscisión. Entre ellos, podemos destacar un QTL mayor, ETHQV8.1, implicado en la producción de etileno que afectó a prácticamente todos los caracteres estudiados, localizado en un intervalo de 500 kb del cromosoma VIII. Para diseccionar genéticamente la maduración del fruto, además de la mencionada población de RILs, estudiamos la línea casi isogénica (NIL) climatérica 8M35, con el fondo genético de PS y una introgresión de la accesión exótica PI 161375. 8M35 porta el QTL ETHQB3.5, delimitado en una región de 5Mb del cromosoma III. Se ha seguido una estrategia de clonaje posicional para el mapeo fino de ETHQB3.5, generando un juego diverso de subNILs. Tras múltiples evaluaciones de diferentes subNILs, determinamos que al menos dos factores genéticos diferentes deben estar implicados en el desencadenamiento de la maduración climatérica en la línea 8M35. Uno de ellos, nombrado ETHQB3.5.1, es responsable de la mayor parte del fenotipo y fue delimitado a una región de 500 kb que contiene 63 genes anotados. Finalmente, dos colecciones de introgresiones recíprocas fueron desarrolladas, utilizando “Védrantais” y PS, ambos como líneas parentales recurrente y donante, respectivamente. Se efectuaron retrocruzamientos recurrentes en las dos direcciones y se realizó una selección asistida por marcadores en cada generación, para seleccionar tanto la introgresión diana como el fondo genético deseado. Las colecciones actuales, que cubren el 95% del genoma de la línea parental donante, están formadas por 38 líneas de introgresión. Hemos realizado un fenotipado preliminar que ha permitido validar algunos de los QTLs mapeados en la población de RILs. Además, dos familias segregantes de líneas de introgresión con el fondo genético de PS se han usado para el mapeo fino de ETHQV8.1, permitiendo reducir la región a un intervalo de 150 kb que contiene 14 genes candidatos.

Melon (Cucumis melo L.) is an important crop worldwide, with a production of around 31 million tons during 2016. Although traditionally breeding programs have been focused on agronomic traits, fruit quality has become a main goal recently. Fruit quality is a complex concept, including diverse traits related to fruit appearance, nutritional and organoleptic traits. Many of these traits are associated to fruit ripening, which is the process that the fruit undergoes to become edible to promote seed dispersal. Fruits are classified according to their ripening behavior into climacteric, when the plant hormone ethylene is synthesized in an autocatalytic way at the onset of ripening, and non-climacteric, in which ethylene has not a major role. The main goal of this work was to study the genetic basis of fruit quality and fruit ripening in melon. We have developed a Recombinant Inbred Line (RIL) population from a cross between two elite cultivars, “Védrantais”, highly climacteric, and “Piel de Sapo”, non-climacteric. The phenotypic diversity in fruit quality and ripening-associated traits, including ethylene production, has been thoroughly studied. A high-density genetic map was constructed using SNPs and INDELs obtained through a genotyping-by-sequencing experiment. A first QTL mapping experiment revealed five major genes and 33 QTLs governing fruit appearance (flesh and rind color, presence of sutures, mottled rind), fruit morphology, sugar content and seed weight. A second QTL mapping experiment identified 14 QTLs modifying ethylene production and ripening-associated traits, as chlorophyll degradation and abscission layer formation. Among them, we highlight a major QTL, ETHQV8.1, involved in ethylene production that was affecting almost all the studied traits, located in a 500-kb interval in chromosome VIII. In order to genetically dissect the fruit ripening process in melon, in addition to the mentioned RIL population, we studied a climacteric near-isogenic line, 8M35, with “Piel de Sapo” background and containing an introgression from the exotic accession PI 161375. 8M35 carries a QTL, ETHQB3.5, delimited in a region of 5 Mb in chromosome III. A positional cloning strategy was followed to fine map ETHQB3.5, generating a diverse set of subNILs. After multiple evaluations of different subNILs, we determined that at least two different genetic factors should be involved in triggering climacteric ripening in 8M35. One of them, named ETHQB3.5.1, which is responsible for the major part of the variation, was delimited to a 500-kb region containing 63 annotated genes. Finally, two reciprocal introgression line (IL) collections were developed, using both “Védrantais” and “Piel de Sapo” as recurrent and donor parental lines, respectively. Recurrent backcrosses were performed in both directions and marker-assisted selection was performed in each generation to select both the target introgressions and the desired background. The current IL collections, covering approximately 95% of the donor parental genome, are formed by 38 ILs. We performed a preliminary phenotyping that allowed to validate some of the QTLs mapped in the RIL population for both fruit quality and fruit ripening traits. In addition, two segregating families of ILs with “Piel de Sapo” background were used to fine map ETHQV8.1, allowing to narrow down the region to a 150-kb interval containing 14 candidate genes. As a summary, this PhD thesis has contributed to improving our knowledge about the genetics of fruit quality and particularly fruit ripening in melon, proposing some important QTLs that will be further explored in the future. Our work suggests that climacteric behavior in melon is a complex and quantitative trait controlled by polygenic inheritance, rather than a qualitative class as described traditionally in the literature.