Resumen de Identificación y caracterización de genes implicados en la floración y el estolonado en fresa (Fragaria x ananassa Duch.)
A lo largo de su desarrollo las plantas sufren sucesivas transiciones en respuesta a factores ambientales y endógenos (Albani y Coupland, 2010). La primera transición es el paso del estado juvenil al estado adulto, donde se adquiere la competencia para responder a los inductores florales, consiguiendo florecer y reproducirse. Esta transición es un momento crítico en la vida de las plantas, siendo imprescindible que la planta tenga la madurez suficiente para producir y mantener los órganos reproductores. Durante la transición a la fase reproductora el SAM cambia (Albani y Coupland, 2010). En las plantas anuales, este cambio es irreversible, mientras que la mayoría de las especies perennes, como la fresa, utilizan diferentes estrategias para tener sucesivos eventos de crecimiento vegetativo y reproductor a lo largo de su vida (Battey y Tooke, 2002; Grillo et al., 2009).
La floración es clave para el éxito reproductivo de las plantas y juega un papel determinante en su adaptación y distribución geográfica. Además, debe producirse en un momento favorable de luz y temperatura, que permita el correcto desarrollo de flores y frutos; a la vez que la dispersión de las semillas (Albani y Coupland, 2010). Por ello es uno de los cambios del desarrollo mejor regulado y extensamente estudiado en la especie modelo Arabidopsis thaliana, con cientos de genes implicados (Kardailsky et al., 1999; Yamaguchi et al., 2005; Yoo et al., 2005; Abe et al., 2005; Wigge et al., 2005; Lee et al., 2008; Turk et al., 2008; Kim et al., 2009; Fornara y Coupland, 2009; Mutasa-Göttgens y Hedden, 2009; Andrés y Coupland, 2012; Blümel et al., 2015). Cada señal, ya sea endógena o exógena, afecta de una manera distinta a la floración, pero en última instancia, todas las rutas convergen, alterando la expresión de un reducido grupo de genes llamados integradores florales (FPIs): FLOWERING LOCUS T (FT; Kardailsky et al., 1999), TWIN SISTER OF FT (TSF; Yamaguchi et al., 2005), SUPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1 (SOC1; Yoo et al., 2005) y AGAMOUS-LIKE24 (AGL24; Lee et al., 2008). Estos FPIs integran todas las señales y estímulos que recibe la planta, activando o inhibiendo (según el caso) la expresión de los genes que controlan la identidad del meristemo, llamados FMIs: LEAFY (LFY; Lee et al., 2008), FRUITFULL (FUL; Melser et al., 2008) y APETALA1 (AP1; Abe et al., 2005, Wigge et al., 2005). En A. thaliana, se han descrito diversas rutas metabólicas que intervienen en la floración: ruta dependiente del fotoperiodo y calidad de la luz (Turk et al., 2008; Andrés y Coupland, 2012), vernalización (Kim et al., 2009; Andrés y Coupland, 2012), vía autónoma (Fornara y Coupland, 2009) y la ruta dependiente de giberelinas (Mutasa-Göttgens y Hedden, 2009).
La fresa (F. × ananassa), es uno de los cultivos frutícolas con mayor importancia económica en el mundo. España se encuentra situado en el quinto puesto mundial en producción de fresas y es el primer exportador mundial. El 90% de la producción fresera española se concentra en la provincia de Huelva (Núñez, 2008). Lo que hace a Huelva tan competitiva es su temprana entrada en producción, que permite a las cooperativas y productores copar los mercados centroeuropeos, antes que los productores locales, con fruta a precios elevados y con alta rentabilidad. Por esta razón, el adelanto de la producción, así como la posibilidad de extenderla a verano y otoño, es uno de los objetivos principales para los productores y la industria fresera. Tradicionalmente en Huelva, la precocidad se conseguía gracias a cultivares de día corto (SD) y a la utilización de una industria auxiliar, los viveros de altura, que permitían asegurar la entrada en producción en la segunda quincena de Diciembre (López-Aranda, 2008). Pero con estas prácticas agronómicas se ha tocado techo y los mejoradores son incapaces de adelantar más la producción. Por ello, en la actualidad existe un especial interés en la mejora y utilización de variedades de fresa de floración perpetua (EB o PF) que permitirían extender el periodo productivo a la vez que trasladar parte de la producción a fechas donde tradicionalmente la producción fresera es muy baja. Sin embargo, los mecanismos moleculares que controlan la floración en fresa están poco estudiados. En relación con esto último, planteamos uno de los objetivos de este trabajo: “Determinar el papel que juegan cinco genes seleccionados (FaCO, FaFD, FaFD2, FaSOC1 y FaAGL6) en la inducción y regulación de la floración en la fresa cultivada (Fragaria × ananassa). Para llevar a cabo este objetivo se usaron diversas metodologías y se confeccionaron múltiples experimentos. Lo primero que se realizo fue la identificación y caracterización de los ortólogos en la fresa para estos cinco genes y la posterior determinación de los niveles de expresión de cada uno de ellos en los distintos órganos de la planta. También se evaluó la expresión de cada gen tanto en SD como LD en cuatro cultivares que difieren en su tipo de floración, en aquellos órganos más relevantes para la floración (principalmente hoja y corona). Por último se evaluó el efecto de la sobre-expresión de FaCO, FaSOC1, FaFD2 y FaAGL6 sobre la inducción floral, en particular, y la morfología de la planta, en general, mediante la obtención de plantas transgénicas (F. × ananassa cv. Camarosa) que expresan los distintos genes bajo el control del promotor constitutivo 35S.
La expresión FaCO se encuentra regulada claramente por el ritmo circadiano, con una oscilación diurna cuyo pico de expresión se produce al final del periodo de oscuridad (amanecer), similar a la presentada por su ortólogo en la fresa silvestre FvCO (Rantanen et al., 2014), y otros homólogos como GmCOL1a y b, VvCO y StCOL1, en soja, vid y patata, respectivamente (Almada et al., 2009; González-Schain et al., 2012; Wu et al., 2014; Abelenda et al., 2016). Este patrón contrasta con el descrito en A. thaliana para AtCO, donde el pico de expresión se produce durante la tarde en LD (Suarez-López et al., 2001; Valverde et al., 2004). La sobre-expresión de FaCO afecta negativamente al crecimiento vegetativo y la reproducción asexual de la fresa cultivada mientras que no se ha observado una influencia clara de este gen sobre el control fotoperiódico de la floración.
Hemos identificado dos genes con similitud a FLOWERING LOCUS D pertenecientes a la familia bZIP, nombrados como FaFD y FaFD2. Los patrones de expresión de ambos genes son diferentes. La expresión de FaFD se localizada específicamente en corona, mientras que la expresión de FaFD2 es alta en hoja, corona y raíz. La sobre-expresión de FaFD2 adelanta la floración, por lo que este gen puede representar una herramienta útil para generar fresas más precoces, aunque la sobre-expresión no extendió la floración en condiciones no inductoras (LD).
Hemos caracterizado el gen FaSOC1 de F. × ananassa y demostrado una función equivalente a su ortólogo FvSOC1 de F. vesca (Mouhu et al., 2013). La expresión de FaSOC1 es mayor en condiciones no inductoras de floración (LD) en todos los cultivares analizados, tanto en hoja, raíz como en corona. La sobre-expresión constitutiva de FaSOC1 retrasa la floración, promueve el estolonado y la elongación de peciolos e inflorescencias, afecta a la morfología floral y dificulta la correcta maduración de los frutos. La función de SOC1 en la regulación de la floración en Fragaria es por tanto antagónica a la mostrada por el ortólogo en A. thaliana (Yoo et al., 2005; Lee y Lee, 2010; Immink et al., 2012).
La expresión del gen FaAGL6 en F. × ananassa se limita a la flor y al fruto verde. Lo que sugiere un papel homeótico de este gen en el desarrollo floral. La sobre-expresión constitutiva de este gen no afectó la floración en el cultivar ‘Camarosa’.
Por otra parte la fresa cultivada posee la capacidad de reproducirse asexualmente a partir de estolones. La reproducción por estolonado permite la multiplicación vegetativa y la conservación de las características varietales propias de cada cultivar. Por ello es de enorme utilidad para la industria viverística, encargada de multiplicar y suministrar las plantas a los productores (Simpson y Sharp, 1988). Esto unido a la creciente importancia adquirida por la variedades de floración perpetua, que presentan una capacidad menor para estolonar (Heide y Sønsteby, 2007), hace al estolonado un carácter muy importante en los programas de mejora actuales.
En la fresa diploide F. vesca, el estolonado es controlado por un locus dominante denominado RUNNERING (R). La existencia del locus R y su posición en el LG II ha sido comprobada en diversos trabajos (Sargent et al., 2004, 2006 y 2009; Iwata et al., 2012). En los cultivares de floración estacional, la floración y el estolonado son antagónicos, los días largos y las altas temperaturas promueven el crecimiento vegetativo y la formación de estolones, mientras que condiciones de SD favorecen la formación de coronas secundarias y la floración (e inhiben el estolonado) (Heide 1977; Battey et al., 1998; Konsin et al., 2001; Hytönen et al., 2004; Heide y Sønsteby, 2007; Hytönen et al., 2009; Hytönen y Elomaa, 2011). Sin embargo, en los cultivares reflorecientes o de floración perpetua, ambos procesos se solapan en el tiempo y compiten por los mismos meristemos (Battey et al., 1998). En la fresa diploide, el alelo dominante del gen SEASONAL FLOWERING LOCUS (SFL) que controla la floración estacional se hereda independientemente del alelo dominante en el locus R (Albani et al., 2004; Sargent et al., 2004). Es decir, ambos caracteres están controlados por genes no ligados. Sin embargo, estudios recientes en la especie cultivada, F. × ananassa, han mostrado un control genético de ambos caracteres diferente (Gaston et al., 2013; Castro et al., 2015; Sooriyapathirana et al., 2015, Perrote et al., 2016). Estos resultados sugieren que el control de estos caracteres es poligénico, controlado por un gen mayor y modulada su función por varios genes más. Estos genes aún no han sido identificados ni caracterizados, por lo que se necesitan más estudios para profundizar en el control genético y el mecanismo molecular detrás del estolonado en la fresa cultivada, segundo de los objetivos de esta tesis. Para la consecución de este importante objetivo analizamos la segregación del carácter del estolonado en la población ‘Endurance’ × ‘Parker’ segregante para dicho carácter, así como en autofecundaciones de los parentales de dicha población; a la vez que identificábamos marcadores moleculares (AFLPs, SSR y SNP) ligados al estolonado. Para completar el estudio mediante marcadores moleculares se procedió a la identificación de genes diferencialmente expresados entre líneas F2 de la población estolonantes y no estolonantes, mediante la cuantificación del transcriptoma de la corona usando RNA-seq.
Gracias a las estrategias seguidas hemos identificado un marcador AFLP ligado al carácter del estolonado, aunque ello no nos ha permitido localizar el grupo de ligamiento en el que se encuentran el locus responsable. El defecto en el estolonado observado en la población ‘Endurance’ × ‘Parker’ procede del cultivar ‘Endurance’ el cual, al ser capaz de estolonar normalmente pero transmitir el defecto39 a aproximadamente un 25% de su descendencia F2, debe presentar un genotipo heterocigoto (‘Rr’). El análisis de expresión diferencial por RNA-seq, sobre los grupos contrastantes para el carácter del estolonado, ha mostrado una mayor expresión de genes relacionados con la biosíntesis y el metabolismo del etileno y las giberelinas en las plantas estolonantes.
