Estudio morfométrico, histológico y genómico de la variabilidad natural del tamaño y la forma de la manzana

Abstract

La mida i la forma de la poma són característiques sensorials que influeixen en les decisions dels consumidors. Mentre que els milloradors busquen pomes que tinguin forma "bonica", la caracterització del cultivars requereix una descripció més precisa del concepte de forma. Els examinadors de varietats i germoplasma utilitzen pautes i esquemes acordats per assignar pomes en classes. Independentment del marge d'error acceptable a causa de la subjectivitat en les assignacions, aquests descriptors són de menor utilitat per a estudis genètics. En aquest treball, vam fer una anàlisi morfomètrica de pomes avaluant ~13,000 imatges 2D de seccions de 364 genotips d' Apple REFPOP, utilitzant el program Tomato Analyzer (TA). L'anàlisi de dades va permetre una caracterització en profunditat de la morfologia de la poma. Una anàlisi de Random Forest va establir FSII com el paràmetre més rellevant per determinar la forma de la fruita, seguit pel FST. Les dades morfomètriques es van utilitzar en dos models GWAS (FarmCPU i BLINK) que van identificar 59 SNP associats amb la mida i la forma de la poma. La construcció d'haploblocs als SNP més rellevants van servir per proposar gens candidats. Es van realitzar avaluacions histològiques en fruits de tres cultivars amb diferent forma (plànol, rodó i oblong) als 0, 61 i 98 dies després de l'antesi (DAA). Les dades de RNA-seq van servir per identificar gens expressats diferencialment (DEG) al llarg del desenvolupament (TC-DEA) i entre cultivars. Alguns eren fitohormones rellevants per al desenvolupament del fruit. L'anàlisi GWAS i TC-DEA va identificar el gen MdOFP4 com a fort candidat per a la forma de la fruita. Un polimorfisme en el promotor del gen podria ser la causa de que no s'expressi en el cultivar SKO, produint la forma oblonga.

El tamaño y la forma de la manzana son características sensoriales que influyen en las decisiones de los consumidores. Mientras que los mejoradores buscan manzanas de forma "bonita", la caracterización del cultivares requiere una descripción más precisa del concepto de forma. Los examinadores de variedades y germoplasma utilizan pautas y esquemas acordados para asignar manzanas a clases. Independientemente del margen de error asumible debido a la subjetividad en las asignaciones, estos descriptores son de menor utilidad para estudios genéticos. En este trabajo, hicimos un análisis morfométrico de frutos de manzana evaluando ~13,000 imágenes 2D de secciones de 364 genotipos de AppleREFPOP, utilizando el software Tomato Analyzer. El análisis de datos permitió una caracterización en profundidad de la morfología de la manzana. Un análisis de Random Forest estableció FSII como el parámetro más relevante para determinar la forma de la fruta, seguido por el FST. Los datos morfométricos se utilizaron en dos modelos GWAS (FarmCPU y BLINK) que identificaron 59 SNP asociados con el tamaño y la forma de la manzana. La construcción de haplobloques en los los SNP más relevantes sirvieron para proponer genes candidatos. Se realizaron evaluaciones histológicas en frutos de tres cultivares con diferente forma (plano, redondo y oblongo) a los 0, 61 y 98 días después de la antesis (DAA). Los datos de RNA-seq sirvieron para identificar genes expresados diferencialmente (DEG) a lo largo del desarrollo (TC-DEA) y entre cultivares. Algunos eran fitohormonas relevantes para el desarrollo del fruto. El análisis GWAS y TC-DEA identificó el gen MdOFP4 como un fuerte candidato para la forma de la fruta. Un polimorfismo en el promotor del gen podría ser la causa de que no se exprese en el cultivar SKO, produciendo la forma oblonga.

Apple size and shape are sensory traits that influence in the consumers purchase decisions. While breeders breed for "nice" shape apples, cultivar characterization requires a more precise description of the shape concept. Variety and cultivar evaluators use agreed guidelines and sketches to assign apples into classes. Regardless of the allowable margin of error due to subjectivity in the assignments, these descriptors are of less use for genetic studies. In this work, we did a morphometric analysis of apple fruits evaluating ~13,000 2D images of sections of 364 genotypes of the Apple REFPOP, using Tomato Analyzer software. Data analysis allowed for an in-depth characterization of apple morphology. A Random Forest analysis stablished FSII (ration between height and width) as the most relevant trait determining the fruit shape, followed by the FST (indicator of conicity). Morphometric data were used in two GWAS models (FarmCPU and BLINK) that found 59 SNPs associated with fruit size and shape traits. The haploblocks containing the most relevant SNPs served to propose candidate genes. Histological evaluations of fruits of three cultivars with contrasting shape (flat, round and oblate) at 0, 61 and 98 days after anthesis (DAA). RNA-seq data served to identify differentially expressed genes (DEG) along development (TC-DEA) and between cultivars. Some were phytohormones with a role in fruit development. GWAS and TC-DEA analysis identified the gene MdOFP4 as a strong candidate for fruit shape. A polymorphism in the promoter of the gene could be the reason of its null expression in the cultivar SKO, producing the oblate shape.