Genetic dissection of aroma and other fruit quality traits in cultivated strawberry

Abstract

La maduixa cultivada, Fragaria x ananassa, és un cultiu mundialment important. Les seves fruites s’ aprecien pel balanç entre la dolçor i la acidesa, i pel seu aroma característic. Malgrat que tradicionalment els programes de millora de maduixa estaven enfocats en el rendiment i la resistència a les malalties, actualment, l’interès per la qualitat de la fruita s’ha vist augmentat.

La maduixa cultivada és una espècie allo-octoploid (2n = 8x = 56) i el seu genoma és altament diploiditzat. La naturalesa poliploide augmenta la dificultat per analitzar l’herència genètica dels caràcters quantitatius. El coneixement que es té sobre l’espècie model F. vesca es pot transferir fàcilment a la maduixa cultivada, ja que el seu genoma és un dels subgenomes de les espècies octoploides.

Amb l’ objectiu de determinar l’herència de l’ aroma de la maduixa i d’altres caràcters de la qualitat de la fruita, hem estudiat amb profunditat dues poblacions de millora, una F1 i una F2. La població F1 (‘FC50xFD54’ ) s’ha obtingut amb l’ encreuament de les línies de millora ‘FC50’, seleccionada per l’ aroma a maduixa del bosc, i ‘FD54’ , seleccionada per l’ aroma afruitat. Hem construït un mapa genètic saturat per a la població ‘FC50xFD54’ amb 1495 marcadors polimòrfics, del xip IStraw35k, agrupats en 28 LGs i repartits en 3451cM. La comparació del mapa mostra una alta col·linealitat entre les posicions dels marcadors del mapa genètic del ‘FC50xFD54’ amb el mapa consens de F. x ananassa i amb els genomes diploide i octoploide de Fragaria. A més, hem millorat el mapa genètic de la població F2 (‘21AF’ ), obtinguda de l’ encreuament entre les línies d’ elit ‘Camarosa’ , seleccionada per la qualitat de la fruita i ‘Dover’ , seleccionada per ser robusta. El mapa resultant està compost per 7977 marcadors polimòrfics, agrupats en 28 LGs i cobreix una longitud de 2056cM.

La variació fenotípica de l’ acumulació dels compostos volàtils (VOCs), gust (acidesa i SSC) i caràcters d’ aparença com la forma, el color o la fermesa s’ ha estudiat detalladament en les fruites madures d’ aquestes dues poblacions en diferents collites. L’ anàlisi de la segregació i de la correlació entre aquests caràcters han permès la detecció de possibles caràcters co-regulats i l’ anàlisi de QTL han permès localitzar centenars de regions que expliquen la variació observada.

Els compostos orgànics majoritaris que contribueixen en la preferència dels consumidors són els sucres, els àcids i els VOCs. S’ han identificat un total de 58 VOCs en ‘FC50xFD54’ i s’han localitzat 19 QTLs estables. D’entre aquests, 22 QTLs amb alta estabilitat estan relacionats amb els compostos volàtils claus (KVCs) que són objectiu d’ alguns programes de millora de l’ aroma. A més, alguns d’ aquests QTLs pels KVCs han estat validats en la població ‘21AF’ . Ressaltem la detecció d’ un QTL pels terpens localitzat al LG3B, diferents QTLs per èsters als LG1A, LG4B, LG6A i LG7D, un QTL pel metil antranilat al LG7A i un altre per la γ-decalactona al LG3D.

Les anàlisis del sabor i de l’aparença han permès localitzar un total de 77 QTLs estables a la població ‘FC50xFD54’ i de 31 QTLs a la població ‘21AF’ . Ressaltem un QTL pel color intern trobat al LG1A i dos QTLs per la forma de la fruita localitzats al LG4C i LG6D. La població ‘FC50xFD54’ segrega per un allargament del coll no desitjat, mapant dos QTLs als LG3A i LG4B.

Aquesta tesi ha contribuït en la millora del coneixement genètic sobre la qualitat de la fruita, específicament l’aroma, el gust i l’ aparença. A més, els SNPs seleccionats lligats a un caràcter d’ interès podrien utilitzar-se en MAS per satisfer la demanda dels consumidors.

La fresa cultivada, Fragaria x ananassa, es un cultivo importante mundialmente. Sus frutas son apreciadas por su sabor, balance entre dulzura y acidez y por su característico aroma. Tradicionalmente, los programas de mejora de fresa han estado enfocados en la mejora del rendimiento y de la resistencia a enfermedades, pero actualmente, el interés en la calidad de la fruta se ha incrementado. La fresa cultivada es una especie allo-octoploide (2n = 8x = 56) y su genoma está altamente diploidizado. Su naturaleza poliploide dificulta el análisis de la herencia genética de los caracteres cuantitativos. El conocimiento en la especie modelo F. vesca se puede transferir fácilmente a la fresa cultivada, ya que su genoma es también uno de los subgenomas en las fresas octoploide. Con el objetivo de conocer la herencia del aroma y de otros caracteres de la calidad de la fruta, hemos estudiado en profundidad dos poblaciones de mejora, una F1 y una F2. La población F1 (‘FC50xFD54’) fue obtenida del cruzamiento entre las líneas de mejora ‘FC50’, seleccionada por su aroma a fresa del bosque, y ‘FD54’, seleccionada por su aroma afrutado. Hemos construido un mapa genético saturado para esta población con 1495 marcadores polimórficos del chip IStraw35k agrupados en 28 LGs y repartidos en 3451cM. La comparación de los mapas muestra una alta colinealidad entre las posiciones de los marcadores del mapa genético ‘FC50xFD54’ y del mapa consenso de F. x ananassa y también con los genomas diploide y octoploide de Fragaria. Además, hemos mejorado el mapa genético de la población F2 (‘21AF’), obtenida del cruzamiento entre las líneas ‘Camarosa’, seleccionada por la calidad de su fruta, y ‘Dover’, por ser robusta. El mapa resultante está compuesto por 7977 marcadores polimórficos, agrupados en 28 LGs y cubriendo 2056cM. La variación fenotípica de la acumulación de los compuestos volátiles (VOCs), gusto (acidez y SSC) y caracteres de apariencia como la forma, el color o la firmeza en las frutas maduras de las dos poblaciones ha sido estudiada detalladamente en diferentes cosechas. Los análisis de la segregación y correlación entre estos caracteres han permitido la detección de posibles caracteres co-regulados y los análisis de QTL han localizado cientos de regiones explicando la variación observada. Los compuestos orgánicos que contribuyen en la preferencia de los consumidores son los azucares, los ácidos y los VOCs. Un total de 58 VOCs fueron identificados en la población ‘FC50xFD54’ localizando 179 QTLs estables. De entre estos QTLs, 22 con alta estabilidad fueron relacionados con los compuestos volátiles clave (KVCs), objetivo de algunos programas de mejora. Además, algunos de estos QTLs para los KVCs fueron validados en la población ‘21AF’. Resaltamos la detección de un QTL para los compuestos terpenoides localizado en LG3B, diferentes QTLs para compuestos de tipo éster en LG1A, LG4B, LG6A y LG7D, un QTL para metil antranilato en LG7A y otro para γ-decalactona en LG3D. Los análisis del sabor y la apariencia han reportado un total de 77 QTLs estables en la población ‘FC50xFD54’ y 31 QTLs en la población ‘21AF’. Resaltamos un QTL para el color interno encontrado en LG1A y dos QTLs para la forma de la fruta localizados en LG4C y LG6D. La población ‘FC50xFD54’ segregaba por un carácter no deseado, el alargamiento del cuello, y el análisis de QTLs ha mapeado QTLs en LG3A y LG4B. Esta tesis ha contribuido a mejorar el conocimiento genético sobre la calidad de la fruta, específicamente el aroma, el gusto y la apariencia. Además, los SNPs seleccionados ligados a un carácter de interés podrían ser usados en la selección asistida por marcadores (MAS) para satisfacer la demanda de los consumidores.

Cultivated strawberry, Fragaria x ananassa, is an important crop cultivated worldwide. Its fruits are appreciated for their balance between sweetness and acidity and for their characteristic aroma. Although, traditionally, strawberry breeding programs were essentially focused on yield improvement and disease resistance, currently, there is also an interest in improving some fruit quality traits. Cultivated strawberry is allo-octoploide (2n = 8x = 56) and its genome is highly diploidised. Its polyploid nature increases the difficulty to analyse the genetic heritability of quantitative traits. The knowledge of the model species F. vesca can be easily transferred to cultivated strawberry, since its genome constitute one of its subgenomes. In order to elucidate the heritability of strawberry aroma and other fruit quality traits, we have studied in depth two breeding populations, an F1 and an F2. The F1 population (‘FC50xFD54’) was produced through a cross between the breeding lines ‘FC50’, selected for its wild strawberry aroma, and ‘FD54’, selected for its fruity aroma. We have constructed a saturated ‘FC50xFD54’ genetic map with 14595 polymorphic markers, from IStraw35k array, grouped in 28 LGs and spanning 3451cM. The maps comparison shows high collinearity between marker position in ‘FC50xFD54’ genetic map and the F. x ananassa consensus map and with the diploid and octoploid Fragaria genomes. Additionally, we improved the genetic map of the F2 population (‘21AF’), derived from a cross between two elite lines ‘Camarosa’, selected for its fruit quality, and ‘Dover’, selected for its robustness. The resulting map is composed of 7977 polymorphic markers grouped in 28 LGs and covers a total length of 2056cM. The phenotypic variability of ripe fruits in these two populations for volatile compounds accumulation (VOCs), taste (acidity and SSC) and appearance traits such as shape, colour and firmness has been thoroughly studied in different harvests. The analysis of segregation and the study of correlation between traits allowed the detection of possible co-regulated traits and the QTL analysis located hundreds of regions that explain the variance of these traits. The main organic compounds contributing to consumer preferences are sugars, acids and VOCs. A total of 58 different VOCs was identified in ‘FC50xFD54’ and 179 stable QTLs were localised. Of these QTLs, 22 presenting high stability were related to key volatile compounds (KVCs) which are target of some aroma breeding programs. Additionally, some of these KVC QTLs were validated in the ‘21AF’ population. We highlight the detection of a QTL for terpene compounds in LG3B, different QTLs for ester compounds in LG1A, LG4B, LG6A and LG7D, a QTL for methyl anthranilate in LG7A and another for γ-decalactone in LG3D. The analysis of taste and appearance traits reported a total of 77 stable QTLs in the ‘FC50xFD54’ population and 31 QTLs in the ‘21AF’ population. We highlight an internal colour QTL found in LG1A and two fruit shape QTLs in LG4C and LG6D. ‘FC50xFD54’ population segregated for an undesirable neck phenotype whose QTLs were mapped in LG3A and LG4B. The aim of this thesis was to increase the genetic knowledge of fruit quality, specifically aroma, taste and appearance traits. Furthermore, the selected SNPs linked to a desired trait could be applied in marker assisted selection (MAS) to satisfy the consumer demand.