Introgresión de Hordeum chilense en trigo para la mejora del contenido de pigmentos carotenoides en grano

• Autores: Maria Gabriella Matera
• Directores de la Tesis: Sergio Gustavo Atienza Peñas (dir. tes.), Dori Cabrera Caballero (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2017
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Teresa Millán (presid.), Eva Maria Madrid Herrero (secret.), Elena Benavente Bárzana (voc.)
• Materias:
  • Ciencias agrarias
    • Horticultura
      • Hibridación
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Helvia
• Resumen
  • español

    El uso de especies silvestres en programas de mejora de trigo ha proporcionado a los mejoradores un conjunto de genes útiles para desarrollar nuevas variedades con características agronómicas o de calidad superiores. El color del endospermo de los granos de trigo está principalmente determinado por la acumulación de pigmentos carotenoides y es un importante criterio de calidad en trigo. El tritórdeo es un anfiploide fértil originado a partir de la cruza entre Hordeum chilense y trigo duro y muestra un alto contenido de pigmentos amarillos en grano debido a la contribución de los genes provenientes de H. chilense, principalmente del cromosoma 7Hch. El gen Fitoeno sintasa 1 (Psy1) codifica la enzima involucrada en el primer paso de la biosíntesis de carotenoides Este gen se ha sido localizado en el brazo corto del cromosoma 7Hch y tiene potencial para la mejora de trigo. Sin embargo, se necesita mayor información para conocer el potencial real del gen Psy-1 de H. chilense en la mejora de trigo y para ello se requiere el desarrollo de líneas de introgresión de esta especie en el fondo genético de trigo. En los capítulos I y IV se muestra la obtención y la caracterización citogenética y molecular de un grupo de líneas de introgresión de H. chilense en trigo harinero, involucrando específicamente al cromosoma 7Hch. En total, hemos desarrollado siete líneas estables y otras tres líneas en condición de hemicigosis, siendo todas ellas líneas fértiles. Todas las líneas fueron fértiles. Se describen diferentes reordenamientos estructurales del cromosoma 7Hch, incluyendo translocaciones centroméricas, adiciones telosómicas, una deleción y un isocromoma. Se confirma la presencia del gen Psy1 en aquellas líneas que llevan el brazo corto del cromosoma 7Hch. Además, el mapeo comparativo con el cromosoma 7H de cebada ha permitido identificar una inversión en la porción distal de ambos brazos del cromosoma 7Hch, incluyendo el gen Psy1. En el capítulo II se evalúa si la inversión mencionada anteriormente se limita a un genotipo específico. Se llevan a cabo estudios de mapeo físico del gen Psy1 en dos accesiones de H. chilense mediante el procedimiento de hibridación in situ de genes de copia única usando marcaje directo. Los resultados sugieren que el gen Psy-1 está localizado en el brazo corto del cromosoma 7Hch en ambas accesiones, comprobando que la ruptura de la colinealidad no es exclusiva de una accesión. En el capítulo III se examina el efecto del cromosoma 7Hch o parte de él en el contenido de pigmento amarillo del grano de trigo. Se muestra que aquellas líneas que llevan el gen Psy1 de H. chilense exhibieron mayor concentración de carotenoides y luteína que trigo harinero. Además, se determina que los cromosomas 7Hch y 7D están involucrados en la esterificación de la luteína y se sugiere que las enzimas codificadas por estos cromosomas tienen actividad complementaria. Asimismo, se comprueba que el brazo largo 7Hch también contribuye en el contenido de carotenoides pero sólo en presencia del brazo corto de este cromosoma. En el capítulo V se evalúa la incidencia de diferentes regímenes de temperatura durante el desarrollo del grano en la acumulación de carotenoides y el perfil de esterificación de la luteína incluyendo la selectividad de ácidos grasos (palmítico o linoleico) y la posición en la que lo esterifican (regioselectividad, posiciones 3 o 3’). Nuestros resultados muestran que los ésteres de luteína son más estables in vivo que los carotenoides libres y que las enzimas codificadas por los cromosomas 7D y 7Hch son complementarias ya que difieren tanto en el ácido graso usado en la esterificación (palmítico y linoleico, respectivamente), como en la posición en la que lo esterifican (regioselectividad, posiciones 3 y 3’, respectivamente). Además se determina que el incremento de la temperatura favorece la acumulación de los ésteres de luteína con ácido linoleico así como la síntesis de regioisómeros en la posición 3’. En el capítulo VI se examina cuando los ésteres de luteína comienzan a formarse. Se muestra un análisis detallado de la acumulación de pigmentos durante el desarrollo de grano. Este análisis confirma que los ésteres de luteína no se producen hasta las etapas finales del llenado de grano. Además, se sugiere que la presencia simultánea de ambos 7D y 7Hch resulta en la formación más temprana de ésteres de luteína. En el capítulo VII se muestra la caracterización de la composición de carotenoides y el perfil de luteína en una colección de H. chilense. Los resultados muestran un amplio rango de variación en el contenido de carotenoides y en la proporción de ésteres de luteína, lo cual indica que esta población es un panel de diversidad adecuado para estudios genéticos. Además, se determina que la preferencia de H. chilense hacia la utilización del ácido palmítico en la esterificación de la luteína es específico al genotipo y no al genoma. Esta tesis profundiza en el estudio del papel de los genes de H. chilense en la producción de carotenoides y sus ésteres en grano de trigo. La introgresión del cromosoma 7Hch en fondo genético de trigo incrementa el contenido de carotenoides, de ahí que las líneas de introgresión desarrolladas en esta tesis constituyan un buen material de partida para la mejora de este carácter. Por otro lado, esta tesis ha evidenciado el papel importante de los cromosomas 7D y 7Hch en la formación de ésteres de luteína y el efecto modulador de la temperatura durante el desarrollo del grano tanto en el contenido de carotenoides como en el perfil de ésteres. Por último, esta tesis ha avanzado en el estudio de la formación de ésteres durante el desarrollo del grano y ha caracterizado la diversidad existente en H. chilense para el perfil de carotenoides (y sus ésteres) en grano.

  • English

    The use of wild relatives in breeding programs of cultivated species provides plant breeders with a pool of useful genes to develop new varieties with better agronomic performance or quality characteristics. Alien resources have been widely used in both bread and durum breeding programs. Endosperm color of wheat grains, which is mainly due to carotenoid accumulation, is an important quality criterion in wheat breeding programs. Tritordeum (the fertile amphiploid between Hordeum chilense and durum wheat) shows high yellow pigment content (YPC) in grain due to the contribution of the genes from H. chilense, mainly from chromosome 7Hch. The phytoene synthase 1 (Psy1) gene codes for the enzyme involved in the first step of carotenoid biosynthesis. This gene is located on the short arm of 7Hch and it has potential for wheat breeding. However, knowledge about the real potential of Psy-1 from H. chilense in wheat breeding requires the development of introgression lines of this species into wheat background. Chapter I and IV show the obtention and cytological and molecular characterization of a set of common wheat-H. chilense introgression lines involving chromosome 7Hch. In total, we have developed seven stable lines and another three lines in hemizygous conditions. All the lines were fertile. Different structural rearrangements of chromosome 7Hch were described, including centromeric translocations, telosomic addition, deletion and isochromosome. The presence of Psy1-Hch gene in those lines carrying short arm of 7Hch was confirmed. In addition, the comparative mapping with chromosome 7H from common barley allowed identifying the collinearity break in the distal portion of both arms of 7Hch chromosome, including Psy1 gene. Chapter II evaluates the possibility that the inversion mentioned above is limited to a specific genotype. We carry out studies of physical mapping of Psy-1 gene in two H. chilense accessions by Single Copy FISH (Fluorescent in situ Hybridization) using direct labeling procedure. Our results suggest that Psy-1 gene is located on the short arm of 7Hch chromosome in both accessions, showing that the collinearity break is not exclusive of one accession. Chapter III examines the effect of 7Hch chromosome or part of it on the YPC in wheat grain. We shows that those lines carrying Psy-1 gene from H. chilense exhibited higher carotenoid and lutein concentration than bread wheat. In addition, we determine that 7Hch and 7D chromosomes were involved in lutein esterification and it has suggested that the enzymes codified by these chromosomes have complementary activity. Besides, we corroborate that the long arm of 7Hch also contributed to the carotenoid content in grain but only in presence of 7HchS. The incidence of temperature regime during grain development on carotenoid accumulation and lutein esterification profile including fatty acid selectivity (palmitic vs. linoleic) and regioselectivity (esterification at positions 3 vs. 3’) was assessed in chapter V. Our results show that lutein esters are more stable in vivo than free carotenoids and the enzymes codified by 7Hch and 7D chromosomes are complementary since they differed in the fatty acid (palmitic and linoleic, respectively) used in the esterification, as well as in the position in which they esterified (regioselectivity 3 and 3', respectively). In addition, we determine that high temperatures promoted the accumulation of lutein esters with linoleic acid as well the synthesis of regioisomers at 3' position. Chapter VI examines when the lutein esters begin to form. A detailed analysis of pigment accumulation during grain development is shown. This analysis confirms that not lutein esters are produced until the final stages of grain filling. In addition, we suggest that simultaneous presences of both 7D and 7Hch chromosomes results in earlier formation of lutein esters. Chapter VII shows the characterization for carotenoid composition and lutein profile in a H. chilense collection. The results show a wide range of variation for carotenoid content and lutein ester proportions, which indicates this collection is a suitable diversity panel for genetic studies. In addition, we determine that the esterification preference of H. chilense towards palmitic acid is not genome specific but genotype-specific. This thesis delves into the study of the role of genes from H. chilense on the carotenoid synthesis and its esters in wheat grain. The introgression lines developed in this thesis constitutes a good donor material for the improving of carotenoid content since the introgression of chromosome 7Hch into wheat background increases the carotenoid content. Besides, this thesis has evidence the important role of both 7D and 7Hch chromosomes on lutein esters formation and the modulating effect of temperature during grain development on carotenoid content as well as ester profile. Finally, this thesis has advanced in the study of lutein formation during grain development and it has characterized the existent diversity in H. chilense for carotenoid profile (and its esters) in grain.