Resumen de Implicación de los genes de biosintesis y señalización de etileno en la determinación sexual y el cuajado y desarrollo partenocárpico del fruto de calabacín (curcubita pepo l.)
En las especies monoicas de la familia Cucurbitaceae, la expresión sexual está regulada por etileno. Esta fitohormona controla el aborto del desarrollo de estambres en melón y pepino por medio de CmACS7 y CsACS2, dos genes que se expresan específicamente en los carpelos de las flores femeninas. Las mutaciones de falta de función de estos dos genes producen una conversión de flores femeninas en bisexuales y de plantas monoicas en andromonoicas. Aunque la inhibición de la biosíntesis de etileno también induce la producción de flores bisexuales en calabacín, se desconocen los mecanismos moleculares que regulan el aborto de los estambres en las flores femeninas de esta especie. Nuestro grupo ha identificado y caracterizado dos líneas puras de C. pepo, Bolognese (Bog) y Vegetable spaghetti (Veg), contrastantes para la transición sexual y el porcentaje de flores femeninas por planta. En este trabajo demostramos que estas dos líneas, aunque monoicas, generan una F2 que segrega 13:3 para monoecia: andromonoecia. Se trata de una andromonoecia parcial (o monoecia inestable) que se manifiesta por la conversión de algunas flores femeninas en bisexuales cuando las plantas se cultivan a temperaturas elevadas. Este tipo de andromonoecia también se ha identificado en otro materiales de C. pepo, incluyendo los híbridos F1 Cavili, Argo y Parthenon, y varios cultivares tradicionales de los bancos de germoplasma COMAV y BSUAL en la Universidad Politécnica de Valencia y la Universidad de Almería, respectivamente. Para estudiar si la andromonoecia parcial de C. pepo está también asociada con la biosíntesis de etileno, hemos clonado y caracterizado dos genes ACS de calabacín (CpACS27A y CpACS27B) que muestran un alto grado de identidad con CmACS7 y CsACS2. CpACS27B es un pseudogen sin expresión en los tejidos analizados, pero la estructura molecular y la expresión específica de CpACS27A en los carpelos de las flores femeninas y bisexuales, demuestran que este gen es el ortólogo de CmACS7 y CsACS2 en Cucurbita. La secuenciación de CpACS27A en las líneas Bog y Veg nos ha permitido detectar una mutación con cambio de sentido en el alelo Bog, que resulta en una sustitución del residuo conservado de serina en la posición 176 por una alanina. Esta mutación la hemos detectado también en 5 cultivares tradicionales parcialmente andromonoicos, y aunque no cosegrega perfectamente con el fenotipo andromonoico en la F2 BogxVeg, está presente en todas las plantas andromonoicas de esta generación segregante. Estos resultados indican que esta mutación puede ser necesaria, aunque no suficiente, para impedir el aborto de los estambres en las flores femeninas. La expresión específica de CpACS27A en los estadios más tempranos del desarrollo de las flores femeninas, y su menor expresión en las flores bisexuales, también apuntan a este gen como responsable del aborto de los estambres en las flores femeninas de C. pepo. Otros genes implicados en la biosíntesis y señalización de etileno se expresan en estadios más tardíos del desarrollo de las flores femeninas, pero su expresión también disminuye en las flores bisexuales, lo que relaciona a estos genes con otros caracteres asociados con la andromonoecia, a saber el retraso en la maduración y apertura de la corola, y el crecimiento partenocárpicos de los frutos.
El desarrollo partenocárpico de los frutos en las flores bisexuales de las variedades parcialmente andromonoicas sugería que el etileno no solo estaba implicado en la determinación del sexo durante los estadios más tempranos del desarrollo de la flor, sino podría también jugar un papel destacado en el cuajado y crecimiento temprano del fruto, procesos que se producen después la polinización y fertilización. Para estudiar este aspecto hemos comparado la producción de etileno y la expresión de los genes de la ruta de biosíntesis y señalización de etileno en ovarios/frutos polinizados y no polinizados de dos cultivares, uno de ellos partenocárpico y parcialmente andromonoico (Cavili) y el otro no partenocárpico (Tosca). Los resultados demuestran que a los 3 DPA los frutos no polinizados de la variedad no-partenocárpica producen un pico de etileno, concomitante con la inducción de los genes de biosíntesis y señalización de etileno, y con el aborto y senescencia del fruto. Esta inducción de etileno, sin embargo, está ausente en los frutos polinizados de ambas variedades y en los frutos no polinizados de la variedad partenocárpica, lo que indica que el cuajado y crecimiento temprano del fruto de calabacín requiere de niveles bajos de etileno en el ovario/fruto durante los días posteriores a la antesis. El desarrollo de frutos partenocárpicos en la generación F2 de Cavili cosegrega con una baja producción de etileno en los frutos no polinizados a los 3 DPA. Además, mientras que los tratamientos con etefón reducen el porcentaje de flores bisexuales partenocárpicas de Cavili, la inhibición de la biosíntesis y la respuesta, por tratamientos con AVG y STS, induce el desarrollo de flores bisexuales partenocárpicas no sólo en Cavili, sino también en Tosca. Todos estos resultados demuestran que el etileno está implicado directamente en el cuajado y desarrollo temprano del fruto de calabacín. Los bajos niveles de etileno que requiere el fruto para iniciar su crecimiento pueden estar regulados por auxinas, pues hemos demostrado que los tratamientos con auxinas y TIBA no solo inducen el crecimiento del fruto en esta especie, sino que también inhiben la producción de etileno y la expresión de los genes de biosíntesis y respuesta a etileno en el fruto durante los días posteriores a la antesis.
La mejora de variedades comerciales partenocárpicas podría ser una solución sostenible para los cultivos de calabacín en invernadero. En la temporada de invierno, la polinización natural está muy limitada, pues bajo estas condiciones desfavorables se reduce no solo el número de flores masculinas por planta sino también la actividad de los insectos polinizadores. En la actualidad este problema se soluciona induciendo el cuajado y crecimiento del fruto mediante la aplicación de auxinas sintéticas. La partenocarpia natural es, sin embargo, una solución mucho más sostenible y respetuosa con el medio ambiente, habiéndose convertido en un carácter prioritario en los actuales programas de mejora de calabacín. En esta tesis doctoral hemos explorado las accesiones de fruto alargado de C. pepo spp. pepo en los bancos de germoplasma españoles para identificar nuevas fuentes de partenocarpia en calabacín. En un primer ensayo con 45 cultivares tradicionales y 3 cultivares híbridos comerciales (Cavili, Parthenon y Argo), el nivel de partenocarpia de cada cultivar se determinó utilizando una escala del 1 al 5, que se basó en el número de frutos partenocárpicos que alcanzaban el tamaño comercial. A partir de este primer ensayo se seleccionaron 17 cultivares, que se volvieron a evaluar para determinar las tasas de crecimiento de sus frutos partenocárpicos. Junto a los híbridos comerciales se han identificado un conjunto de cultivares tradicionales partenocárpicos, CpCAL112, V-185, PI261610, CM-37 y E-27, cuyos frutos alcanzan el tamaño comercial antes de los 7 DPA. Además, dos de estos cultivares, CpCAL112 y PI261610, tienen una partenocarpia que no está asociada a la conversión de flores femeninas en bisexuales o a la andromonoecia, un carácter indeseable en las producciones de calabacín en invernadero, pues favorece la podredumbre de la fruta durante su transporte y conservación poscosecha. Estos cultivares constituyen, por tanto, nuevas fuentes de partenocarpia para la mejora genética de calabacín en cultivos de invernadero. Independientemente de su relación con la andromonoecia, los frutos no polinizados de todas las variedades partenocárpicas estudiadas produjeron poco etileno en los días posteriores a la antesis. De hecho hemos detectado una correlación inversa entre el potencial partenocárpico de la variedad y la producción de etileno a los 3 DPA. Estos resultados confirman los resultados previos en Cavili, y demuestran que el crecimiento partenocárpico del fruto de calabacín requiere niveles bajos de etileno durante los días posteriores a la antesis. Este parámetro puede ser, por tanto, un marcador adecuado para identificar y seleccionar materiales partenocárpicos en los programas de mejora genética de calabacín.
