Estudio de caracteres florales reproductivos y de la dehiscencia de la vaina en leguminosas
- Autores: David Aguilar Benítez
- Directores de la Tesis: Ana M. Torres Romero (dir. tes.), Teresa Millan Valenzuela (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Dori Cabrera Caballero (presid.), Juan José Ferreira Fernández (secret.), Ignacio Solís Martel (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Agraria, Alimentaria, Forestal y del Desarrollo Rural Sostenible por la Universidad de Córdoba y la Universidad de Sevilla
- Materias:
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- Resumen
1. introducción o motivación de la tesis Las leguminosas desempeñan un papel central en la agricultura y contribuyen a una producción más sostenible al romper ciclos de enfermedades y plagas y reducir la dependencia de fertilizantes químicos, gracias a su capacidad única de fijar el nitrógeno atmosférico (Udvardi y Poole 2013). Dentro de este grupo encontramos cultivos tradicionales como guisante, judía, lenteja, garbanzo y habas. Éstas últimas son la tercera y quinta leguminosa grano más cultivadas en el mundo, respectivamente (MAPA 2019). En la búsqueda de mejores características, el ser humano ha ido seleccionando plantas mediante la mejora convencional, un proceso largo y costoso. Actualmente el desarrollo de potentes herramientas genómicas permite buscar e identificar genes implicados en el control de caracteres de interés para su uso en mejora asistida por marcadores (en inglés, MAS) (Francia et al. 2005; Webb et al. 2016; Gutierrez y Torres 2019; Gutierrez et al. 2020). Los objetivos de esta tesis son los siguientes: ➔ Identificación y mapeo de genes candidatos de la ruta general de dehiscencia en garbanzo y habas, y análisis de su posible relación con la dehiscencia de la vaina.
➔ Identificación y mapeo de genes candidatos relacionados con la fecha de floración en habas.
➔ Estudio y mapeo de caracteres relacionados con la autofertilidad en habas.
2. contenido de la investigación En los capítulos I y II se ha realizado un exhaustivo estudio fenotípico de la dehiscencia de la vaina en garbanzos y habas. Empleamos la estrategia de genes candidatos de especies modelo y leguminosas relacionadas para identificar ortólogos y saturar los mapas genéticos de ambas especies. Finalmente, los datos fenotípicos obtenidos se emplearon para realizar un análisis de QTLs que reveló la herencia poligénica o cuantitativa del carácter y su localización en los respectivos cromosomas. Ambos trabajos fueron pioneros, mostrando la conservación de genes entre distintas leguminosas y apuntando hacia mecanismos y rutas homólogas en el control de la dehiscencia. Los análisis histológicos evidenciaron una mayor complejidad en el patrón de lignificación de las vainas de habas (Aguilar-Benitez et al. 2020a,b). En el capítulo III, aplicamos la estrategia de genes candidatos para identificar QTLs y genes ortólogos reguladores de la fecha de floración en habas. Se trata de un carácter de gran interés ya que permite optimizar el rendimiento de un cultivo evitando la exposición a estreses. Se han detectado varios QTLs sinténicos con otras leguminosas, mostrando el alto grado de conservación de la ruta reguladora del carácter, siendo el más importante el situado en el cromosoma V, donde se agrupan distintos genes implicados en la floración. Los resultados apuntan, además, a una posible regulación epigenética del carácter (Aguilar-Benitez et al. 2021). Por último, en el capítulo IV, se ha realizado un meticuloso estudio de la genética del carácter autofertilidad, importante para el éxito reproductivo de un cultivo dado el descenso de polinizadores por el uso abusivo de insecticidas o la falta de sincronía en las visitas por el calentamiento global. Este carácter se define como la capacidad de las flores para autofecundarse en ausencia de polinizadores o de una perturbación mecánica. En nuestro estudio se ha diseccionado el carácter en diferentes características de la flor y el polen, asociados al cuajado de vainas y semillas. Los resultados mostraron diferencias en las medidas morfológicas y de cantidad de polen entre los parentales utilizados y una clara asociación de la cantidad de polen viable y el ángulo estilo-ovario con la autofertilidad. Del mismo modo, se encontró un gran número de QTLs co-localizando en seis regiones genómicas, las cuales se encuentran flanqueadas por genes funcionalmente relacionados con las medidas de cantidad de polen y cuajado de vainas y semillas.
3. conclusión 1. Se ha realizado el primer estudio para identificar genes implicados en la dehiscencia del garbanzo y PDH1, FUL, ALC y AP2, ubicados en los cromosomas 6, 7 y 8 mostraron una clara correlación con el carácter. La función combinada de estos genes junto a otros reguladores dirige la compleja ruta de la dehiscencia en este cultivo.
2. Se ha caracterizado un estado intermedio de la dehiscencia (denominado vaina fisurada) que se relaciona con PDH1 y con otros dos QTLs en los cromosomas 2 y 3. Dichos QTLs explicaban el mayor porcentaje de la variación fenotípica en cada uno de los cromosomas.
3. Veintinueve de los 37 genes relacionados con dehiscencia descritos en Medicago truncatula, Pisum sativum y Cicer arietinum mostraron sintenia en habas, co-localizando en los respectivos cromosomas homólogos.
4. Los QTLs de dehiscencia detectados en habas, aunque no fueron estables entre años, mostraron sintenia con QTLs descritos en otras leguminosas, indicando la existencia de una ruta genética común.
5. Los análisis histológicos muestran mayor lignificación en la zona de sutura de la vaina en la línea indehiscente Vf6, similar a lo descrito en Glycine max, Brassica napus y Phaseolus vulgaris.
6. La lignificación de las células del esclerénquima en las paredes de la vaina tuvo un patrón similar al de algunas Brassicas, con presencia de un anillo de células muy lignificadas en la línea indehiscente Vf6, ausente en la dehiscente Vf27. Esta observación es contraria a la descrita en leguminosas como judía y soja, donde la pared en la vaina de líneas indehiscentes carece totalmente de lignina.
7. El estudio de la fecha de floración reveló que 22 de los 25 genes candidatos de Arabidopsis y Cicer, mapeados en habas fueron sinténicos con otras leguminosas cercanas, aunque ninguno de ellos co-localizó con los QTLs para fecha de floración descritos.
8. El análisis de QTLs para floración detectó 12 QTLs significativos, destacando el cromosoma V por presentar un mayor número de QTLs estables y consistentes entre años y ambientes, y por mostrar clara sintenia con otras especies y por su cercanía a los genes FT.
9. Los marcadores asociados a QTLs para fecha de floración en habas sugieren una posible regulación a nivel epigenético del carácter.
10. La autofertilidad en habas es un carácter cuantitativo influenciado por una gran cantidad de factores, pese a ello, los porcentajes de cuajado de vainas y de formación de semillas obtenidos en el estudio reflejan un mayor éxito reproductivo del parental autofertil Vf27 frente a la línea Vf6.
11. La línea autoesteril Vf6 presentó una mayor cantidad de polen que Vf27 aunque más del 70% de su polen era no viable.
12. Las pruebas de receptividad del estigma mostraron que en Vf6 el extremo permanecía sin teñir incluso en antesis, mientras que en Vf27 era receptivo antes de antesis y sin manipulación. Este hecho facilita la sincronía con la disponibilidad de polen y favorece la autofecundación.
13. El ángulo estilo-ovario es más cerrado en Vf6 que en Vf27, apoyando la hipótesis del bloqueo de la cavidad ventral de la quilla al paso del polen propio en las líneas autoestériles. La mayor apertura en la línea autofertil Vf27 favorecería la llegada del polen propio al estigma.
14. El análisis de QTLs para autofertilidad ha detectado 19 QTLs significativos relacionados con el cuajado de vainas y semillas, la cantidad y tamaño del polen y medidas morfológicas florales, co-localizando en seis regiones genómicas, una en cada cromosoma de la especie. El QTL para el ángulo estigma-ovario es el que explica un mayor porcentaje de la variación fenotípica. Los marcadores flanqueantes de dichos QTLs se corresponden con genes candidatos funcionales relacionados con la morfogénesis, gametogénesis y el desarrollo del polen.
4. bibliografía Aguilar-Benitez D, Rubio J, Millán T, Gil J, Die JV, Castro P. 2020a. Genetic analysis reveals PDH1 as a candidate gene for control of pod dehiscence in chickpea. Mol. Breeding. 40(4):40 Aguilar-Benitez D, Casimiro-Soriguer I, Torres AM. 2020b. First approach to pod dehiscence in faba bean: genetic and histological analyses. Sci. Rep. 10(1):17678 Aguilar-Benitez D, Casimiro-Soriguer I, Torres AM. 2021. Linkage mapping and QTL analysis of flowering time in faba bean. Sci Rep MAPA. 2019. In MAPA 2019. https://www.mapa.gob.es/. Accessed 20 Jan 2021 Francia E, Tacconi G, Crosatti C, Barabaschi D, Bulgarelli D, et al. 2005. Marker assisted selection in crop plants. Plant Cell Tiss. Organ Cult. 82(3):317–42 Gutierrez N, Torres AM. 2019. Characterization and diagnostic marker for TTG1 regulating tannin and anthocyanin biosynthesis in faba bean. Sci. Rep. 9(1):16174 Gutierrez N, Avila CM, Torres AM. 2020. The bHLH transcription factor VfTT8 underlies zt2, the locus determining zero tannin content in faba bean (Vicia faba L.). Sci. Rep. 10(1):14299 Udvardi M, Poole PS. 2013. Transport and metabolism in legume-rhizobia symbioses. Annu. Rev. Plant Biol. 64:781–805 Webb A, Cottage A, Wood T, Khamassi K, Hobbs D, et al. 2016. A SNP-based consensus genetic map for synteny-based trait targeting in faba bean (Vicia faba L.). Plant Biotechnol. J. 14(1):177–85
