Resumen de Metabolomic and gene expression patterns associated with flower bud endodormancy release in stone fruit trees
- español
Las especies del género Prunus, como el almendro, melocotonero, albaricoquero, cerezo y ciruelo, son de gran relevancia en la agricultura española. En 2020, estas especies ocuparon más de 800.000 hectáreas de cultivo en todo el país, con una producción superior a los 2 millones de toneladas. En estas especies, la floración es el evento más determinante que marca el éxito de la cosecha. Para una correcta floración, las yemas florales de estas especies deben acumular una cierta cantidad de frío, dependiente de la especie y variedad, durante un periodo conocido como letargo invernal. Estas son las denominadas necesidades de frío. En este periodo el crecimiento de la planta se detiene y el metabolismo se ralentiza. Sólo tras la satisfacción de las necesidades de frío, los árboles serán capaces de salir del letargo y progresar hasta la floración. En las últimas décadas, los eventos climatológicos extremos derivados del calentamiento global, tales como las heladas tardías y la falta de frío por altas temperaturas invernales, están poniendo en riesgo el cultivo de estas especies en las zonas templadas. En esta Tesis Doctoral se pretende estudiar, desde el punto de vista fisiológico, metabólico y genético la salida del letargo invernal en tres especies del género Prunus (almendro, albaricoquero y melocotonero) como se indica a continuación. En primer lugar, se realizó un análisis metabolómico no dirigido en cuatro variedades de almendro con diferentes necesidades de frío, para identificar las principales rutas metabólicas implicadas en la salida del letargo en esta especie (Capítulo 1). Este estudio se realizó utilizando cromatografía líquida acoplada a masas (UPLC-QToF) y los metabolitos fueron identificados mediante la comparación de sus espectros de masas con las diferentes bases de datos disponibles. Respecto al estudio de las rutas implicadas en la salida del letargo, se determinó que las rutas de la biosíntesis de derivados de fenilalanina y tirosina, como la prunasina o los fenilpropanoides, así como la biosíntesis de ácido abscísico y el metabolismo redox, están profundamente implicadas en la salida del letargo invernal en yemas florales de almendro. Una vez conocidas las principales rutas implicadas en la salida del letargo con el objetivo de buscar posibles soluciones frente a la disminución del frío invernal debido al calentamiento global, se realizó una revisión de los efectos a nivel fisiológico y molecular de diferentes agroquímicos, también llamados bioestimulantes, para la promover la salida del letargo y la floración (Capítulo 2). Con la finalidad de estudiar los efectos de las heladas extremas en almendro, también derivadas de los efectos del calentamiento global, se evaluaron los daños producidos por la borrasca Filomena en variedades de almendro con diferentes necesidades de frío (Capítulo 3). Tras la borrasca se realizó un estudio de las caídas de yemas y la producción final de cada variedad y se asoció con el estado de desarrollo de las yemas florales durante la helada, observándose un avanzado desarrollo y la perdida de la producción en las variedades extra-tempranas, tempranas y tardías, pero no en las extra-tardías ni ultra-tardías que produjeron normalmente. Una vez descubiertas las principales rutas metabólicas implicadas en la salida del letargo en almendro, y averiguado cuáles eran los mejores bioestimulantes disponibles en el mercado, se aplicaron diferentes bioestimulantes en yemas de flor dormidas en albaricoquero y melocotonero (Anexos I y II), con el objetivo de desarrollar nuevos y más eficientes biostimulantes naturales no tóxicos para el hombre ni para el medio ambiente. Además, en estos estudios, pudimos encontrar nuevos biomarcadores para determinar la época de ruptura del letargo invernal. Si bien se habían realizado anteriormente estudios metabolómicos y genéticos en especies de Prunus, ninguno de ellos había validado los metabolitos más significativos, aplicándolos en campo y en el laboratorio a yemas de flor dormidas, como prueba piloto para el futuro desarrollo de nuevos bioestimulantes para modular la ruptura del letargo de una manera natural en estas especies. Finalmente, con todos estos experimentos no solo descubrimos nuevas rutas metabólicas implicadas en este proceso como la de los fenilpropanoides, flavonoides y ácido abscísico, si no que se demostró que los fosfolípidos poseen una función clave en la promoción de la salida del letargo, pudiendo ser la base para la creación de un bioestimulante natural que sea capaz de adelantar de forma más eficaz la salida del letargo y la floración en estas especies. Esto será clave para mantener la producción de estos frutales no sólo en España sino en el resto de zonas de clima templado.
- English
Prunus species, like almond, peach, apricot, sweet cherry, and plum, hold significant importance in Spanish agriculture. In the year 2020, these species covered over 800,000 hectares of cultivated land across the country with a production over 2 million tons. For these species, flowering is the most critical event that determines the success of the harvest. To achieve proper flowering, flower buds must accumulate a specific amount of chill, which depends on the species and cultivars, during a period known as endodormancy. These are the chill requirements. In this period, the plant growth comes to a halt, and its metabolism slows down. Only after the fulfillment of the chilling requirements, trees will be able to release from endodormancy and progress towards flowering. However, in recent decades, extreme climatological events resulting from global warming, such as late frosts and insufficient cold due to higher winter temperatures, are posing a threat to the cultivation of these species in temperate regions. In this PhD thesis, I aim to study the endodormancy release of three Prunus species (almond, apricot and peach) from the physiological, metabolic and genetic point of view. Firstly, we performed a non-targeted metabolomic analysis on four almond cultivars with different chilling requirements with the aim of identifying the main metabolic pathways involved in the endodormancy release of this species (Chapter 1). This study was carried out using liquid chromatography coupled with mass spectrometry (UPLC-QToF), and the metabolites were identified by comparing their mass spectra with various available databases. Regarding the study of the pathways involved in endodormancy release, it was determined that the biosynthesis of phenylalanine and tyrosine derivatives, such as prunasin or phenylpropanoids, as well as, the biosynthesis of abscisic acid and redox metabolism, are deeply implicated in endodormancy release in almond flower buds. Once the main pathways involved in endodormancy release were identified, aiming to discover possible solutions to counter the decrease of chill caused by global warming, a review was conducted about the physiological and molecular effects of various agrochemicals, also known as biostimulants, to promote dormancy release and flowering (Chapter 2). In order to study the effects of extreme frosts on almond trees, mainly caused by global warming, the damages caused by the Filomena storm were evaluated in almond cultivars with different chilling requirements (Chapter 3). After the storm, we studied the bud drop and the final production of each cultivar, associating it with the developmental stage of flower buds during the frost. An advanced developmental stage and loss of production were observed in the extra-early, early and late cultivars, but not in the extra-late or ultra-late ones, which yielded normally. Once the main metabolic pathways involved in dormancy release in almond trees were discovered, and the best available biostimulants in the market were identified, several biostimulants were applied to dormant flower buds in apricot and peach trees (Annexes I and II), aiming to develop new and more efficient natural non-toxic biostimulants for both humans and the environment. Additionally, in these studies, new biomarkers were found to determine endodormancy release. Previous metabolomic and genetic studies had been conducted on Prunus species. However, none of them had ever validated the most significant metabolites by applying them in the field and laboratory to endodormant flower buds as a pilot test for the future development of new biostimulants that modulate dormancy release in these species. Finally, with all these experiments, not only we discovered new metabolic pathways involved in this process, such as phenylpropanoids, flavonoids, and abscisic acid, but also demonstrated that phospholipids play a key role in promoting dormancy release. This finding could serve as a first step for creating a natural biostimulant capable of advancing dormancy release and flowering more effectively in these species. This will be essential to maintain the production of these fruit trees not only in Spain but also in other temperate climate zones.
