Genetic dissection of ETHQV8.1, a QTL related with climacteric fruit ripening in melon

Abstract

La maduració dels fruits es un procés essencial de les plantes cultivades, permetent la dispersió de les llavors. A més, té una importància econòmica deguda als seus efectes en la vida útil dels fruits i el malbaratament d’aliments. Existeixen dos tipus de maduració: la climatèrica, amb un pic d’etilè produït durant la maduració, acoplat a un augment a la respiració cel·lular; i la no climatèrica, sense la producció d’aquest pic d’etilè ni augment a la respiració. El tomàquet és l’organisme model per estudiar la maduració climatèrica, mentre que la maduixa ho és pels estudis de la maduració no climatèrica. El meló (Cucumis melo L.), a més de ser un cultiu important econòmicament, posseeix varietats climatèriques i no climatèriques dins la mateixa espècie, fent-lo un candidat perfecte pels estudis genètics i genòmics sobre la maduració dels fruits. Per estudiar aquest procés, hem desenvolupat dues poblacions recíproques de línies d’introgressió (ILs), amb una elevada cobertura del genoma y segregant per a trets relacionats amb la maduració, utilitzant com a pares la varietat climatèrica ‘Védrantais’ (Ved) i la no climatèrica ‘Piel de Sapo’ (PS). Amb ambdues poblacions hem validat ETHQV8.1, un QTL descrit anteriorment que altera la maduració, a més d’altres QTLs que afecten la maduració i al morfologia dels fruits. Utilitzant la població d’ILs amb fons genètic Ved, hem dut a terme un mapeig fi d’ETHQV8.1 fins a una regió de 3.6 Kbp que conté un únic gen anotat, ‘ethylene responsive transcription factor 024’ (CmERF024). Analitzant la seva expressió a les poblacions d’ILs i emprant la tècnica CRISPR/Cas9 d’edició gènica (desenvolupada recentment a meló), hem identificat CmERF024 com a gen causal d’ETHQV8.1. Quan CmERF024 s’expressa, produeix una resposta climatèrica, i quan s’expressa poc o no s’expressa, el climateri es més suau, afectant, aparentment, l’accessibilitat i l’estructura de la cromatina mitjançant el control transcripcional d’histones. Per aprofundir en el rol d’ETHQV8.1, hem piramidat aquest QTL amb altres identificats com a reguladors de la maduració en fons genètic Ved (MAK10.1) i PS (ETHQB3.5 i ETHQV6.3). La interacció epistàtica d’aquests QTLs controla la maduració al meló, cobrint un ampli espectre de comportaments en ambdós fons. Els resultats obtinguts suggereixen que un petit nombre de QTLs es suficient per regular caràcters quantitatius, essent una eina potent per a la millora del meló. Finalment, hem volgut explorar les relacions entre la producció d’etilè, la respiració cel·lular i el metabolisme primari obtenint el perfil metabòlic de Ved, PS i les ILs cobrint ETHQV8.1. Els resultats posen de manifest que ETHQV8.1 és capaç d’alterar el metabolisme primari i la respiració, a més del perfil de producció d’etilè, suggerint una relació entre aquests processos. A més, alguns metabòlits semblen especialment rellevants pel procés de maduració, com el citrat; i altres poden ser objectius interessants per a programes de millora, com el GABA. En resum, aquesta tesi doctoral ha estat focalitzada en l’estudi d’ETHQV8.1, un QTL relacionat amb la maduració climatèrica del meló. Combinant la millora assistida per marcadors amb noves eines de millora, hem identificat CmERF024 com a gen causal d’ETHQV8.1, capaç de retardar significativament la maduració i potencialment allargant la vida útil del meló. També hem analitzat el seu paper en el metabolisme i les seves interaccions amb altres QTLs, proporcionant nous coneixements i eines aplicables a la millora genètica del meló.

La maduración del fruto es un proceso esencial en las plantas de cultivo, ya que permite la dispersión de las semillas. Además tiene importancia económica debido a sus efectos en la vida útil de los frutos y el desperdicio de comida. Hay dos tipos de maduración: climatérica, que produce un pico de producción de etileno durante la maduración acoplado a un aumento en la respiración celular; y no climatérica, que no produce ese pico de etileno ni el aumento en la respiración durante el proceso. El tomate es el organismo modelo en estudios de maduración climatérica, mientras la fresa es el modelo para frutos no climatéricos. El melón (Cucumis melo L.), aparte de ser un cultivo importante económicamente, posee variedades climatéricas y no climatéricas dentro de la misma especie, haciéndolo un perfecto candidato para estudios genéticos y genómicos sobre la maduración de frutos. Para estudiar este proceso, hemos desarrollado dos poblaciones recíprocas de líneas de introgresión (IL) con una alta cobertura del genoma y segregando para rasgos relacionados con la maduración, utilizando la variedad climatérica ‘Védrantais’ (Ved) y la no climatérica ‘Piel de Sapo’ (PS) como parentales. En ambas poblaciones hemos validado ETHQV8.1, un QTL descrito anteriormente alterando la maduración, además de otros QTLs afectando la maduración y la morfología del fruto. Utilizando la población de ILs en fondo genético Ved, hemos realizado un mapeo fino de ETHQV8.1 acortando el QTL hasta una región de 3.6 Kbp que contiene únicamente un gen anotado, ‘ethylene responsive transcription factor 024’ (CmERF024). Estudiando su expresión en las poblaciones de ILs, y utilizando la técnica CRISPR/Cas9 de edición genómica (recientemente desarrollada para melón), hemos identificado CmERF024 como el gen causal de ETHQV8.1. Cuando CmERF024 se expresa, produce una respuesta climatérica, y cuanto se expresa poco o no se expresa, más suave es el climaterio, afectando aparentemente a la estructura de la cromatina y la accesibilidad del ADN. Para profundizar en el rol de ETHQV8.1, hemos piramidado este QTL con otros tres QTLs que han sido identificados como reguladores de la maduración en fondo genético Ved (MAK10.1) y PS (ETHQB3.5 y ETHQV6.3). La interacción epistática entre estos QTLs controla la maduración en melón, cubriendo un amplio espectro de comportamientos en fondo genético climatérico y no climatérico. Los resultados obtenidos sugieren que un pequeño número de QTLs es suficiente para regular rasgos cuantitativos, siendo una herramienta potente para la mejora genética del melón. Finalmente, hemos querido explorar las relaciones entre la producción de etileno, la respiración celular y el metabolismo primario realizando un perfilado metabólico de Ved, PS y las ILs cubriendo ETHQV8.1. Los resultados muestran que ETHQV8.1 es capaz de alterar el metabolismo primario y la respiración, aparte del perfil de producción de etileno, sugiriendo una relación entre estos procesos. Además, algunos metabolitos parecen especialmente relevantes en el proceso de maduración, como el citrato; y otros pueden ser objetivos interesantes en programas de mejora, como el GABA. En resumen, esta tesis doctoral se ha centrado en el estudio de ETHQV8.1, un QTL relacionado con la maduración climatérica en melón. Combinando la mejora asistida por marcadores con nuevas técnicas de mejora, hemos identificado CmERF024 como el gen causal, capaz de retrasar significativamente la maduración y potencialmente extendiendo la vida útil del melón. También hemos analizado su papel en el metabolismo y sus interacciones con otros QTLs, proporcionando nuevos conocimientos y herramientas para la mejora del melón.

Fruit ripening is an essential process in crop plants, as it allows seed dispersion. Also, it has an economic importance due to its effect in fruit shelf-life and food waste. In flesh fruits there are two types of ripening: climacteric, with a characteristic peak of ethylene at the onset of ripening, coupled to an increase in cellular respiration; and non-climacteric, without ethylene peak production nor increase in respiration during the process. Tomato is considered the model fruit for climacteric ripening research, while strawberry is the model crop for non-climacteric ripening studies. Melon (Cucumis melo L.), apart from being an economically important crop worldwide, has the advantage of covering both climacteric and non-climacteric behaviors in the same species, making it a suitable candidate for genetic and genomic studies regarding fruit ripening. To study this trait, we have developed two reciprocal introgression line (IL) populations with a high coverage of the donor genome, and segregating for ripening behavior, using as parental lines the climacteric ‘Védrantais’ (Ved) and the non-climacteric ‘Piel de Sapo’ (PS). In both IL populations, a previously reported QTL, ETHQV8.1, has been validated altering ripening behavior, as well as other QTLs controlling ripening and fruit morphology traits. Starting from the IL population with Ved genetic background, we have fine-mapped ETHQV8.1 to a 3.6 Kbp region containing a single annotated gene, ethylene responsive transcription factor 024 (CmERF024). Studying its expression in both IL populations and using the CRIPSR/Cas9 technique recently developed in melon, we reported CmERF024 as the causal gene of ETHQV8.1. When highly expressed, CmERF024 induced a climacteric response, milder when the gene was less or not expressed, apparently affecting chromatin structure and DNA accessibility. To further investigate the role of ETHQV8.1, we have stacked this QTL with three previously reported QTLs affecting ripening in both Ved (MAK10.1) and PS (ETHQB3.5 and ETHQV6.3) genetic backgrounds. The epistatic interactions between these QTLs controled climacteric fruit ripening in melon, covering a broad spectrum of behaviors both in climacteric and non-climacteric genetic backgrounds. These results suggest that a small set of QTLs is sufficient to shape quantitative traits, proving powerful knowledge for applying in plant breeding. Finally, to explore the relationships among ethylene production, respiration rate and primary metabolism, we have performed a metabolic profiling of Ved and PS, together with the ILs covering ETHQV8.1. The results showed that ETHQV8.1 is able to alter primary metabolism, ethylene production and cellular respiration, suggesting a crosstalk between the three processes. Also, some metabolites seemed especially relevant for the process, as citrate, and others may be interesting targets for melon plant breeding programs, as GABA. As a summary, this PhD thesis has been focused on dissecting ETHQV8.1, a QTL related with climacteric ripening in melon. Combining molecular breeding with new breeding techniques we have validated the causal gene, CmERF024, which can delay significantly fruit ripening and potentially extend shelf-life. We have also analyzed its role in plant metabolism and its interactions with other known QTLs, providing a useful knowledge for melon breeding.