Investigación y potenciales aplicaciones

Identificación de poligenes asociados a atributos de calidad de fruto mediante líneas casi isogénicas

Juan Pablo Fernández Trujillo, Juan Antonio Martínez, Maria C. Bueso, Antonio Alarcón, Noelia Dos-Santos y Javier M. Obando-Ulloa (Equipo multidisciplinar de Investigación en Calidad Postcosecha orientada a Mejora Genética y Biotecnología - Universidad Politécnica de Cartagena)16/03/2011

16 de marzo de 2011

En estos últimos siete años hemos estudiado las diferencias de calidad de fruto en base a una colección de líneas casi isogénicas (NILs, near-isogenic lines) de melón (Cucumis melo L.) obtenidas a través del cruce del cultivar español 'Piel de Sapo' (PS) y la accesión exótica coreana 'Shongwan Charmi' [SC (PI 161375)] con el fin de identificar los loci de caracteres cuantitativos (QTL, quantitative trait loci) relacionados con los caracteres de calidad de fruto de mayor importancia para el consumidor. Este trabajo resume algunos de los principales resultados fruto de dos tesis doctorales una ya terminada (J. Obando) y otra en desarrollo (N. Dos-Santos).

Ensayo sobre campo de junio de 2008.

El análisis de calidad de los frutos de las NILs de forma sistemática (Dos-Santos et al., 2007; Fernández-Trujillo et al., 2005 y 2009) ha permitido detectar diferencias con respecto del PS en cuanto al peso, forma, aspecto del fruto, textura, sabor (contenido de azúcares, ácidos orgánicos y compuestos aromáticos volátiles), calidad nutricional (contenido de vitamina C) y evaluación sensorial (dulzor, sabor, acidez, amargor, valoración global del fruto) (Tijskens et al., 2009; Moreno et al., 2008; Obando-Ulloa et al., 2009; Obando et al., 2008), lo que indica una alta respuesta a la selección, debido a su alto valor de heredabilidad en sentido estricto, lo cual a su vez permitió identificar 109 QTLs asociados a una mejora en los atributos de calidad en cosecha y postcosecha de fruto, mientras que otros 146 QTLs tuvieron un efecto contrario.

Ningún estudio anterior había permitido identificar tal número de QTLs asociados a la calidad de fruto en melón, y en la mayoría de casos raramente se habían mapeado QTLs asociados a estos atributos de calidad ni en melón ni en frutos de interés comercial ni en su estado senescente (Obando-Ulloa et al., 2009).

Parental del melón coreano 'Shongwhan charmi' entrada PI 161375 (a la izq.); y parental del melón 'Piel de Sapo' (a la derecha).

El estudio con la colección de NILs ha permitido también la aplicación de modelos estadísticos multivariantes (Fernández-Trujillo et al., 2005b y 2009), así como nuevos modelos de varianza biológica aplicada a textura y pérdida de peso (Tijskens et al., 2009 y 2010).

Desde el punto de vista del mejoramiento genético y de la comercialización en fresco, los QTLs que presentaron un efecto sobre la luminosidad del color de la piel y la pulpa, el zumo extraíble, el área de la sección longitudinal del fruto entero y el escriturado de la piel contribuirían a desarrollar nuevas líneas para satisfacer la creciente demanda de frutos de mejor calidad y con un alto valor nutricional por parte de los consumidores (Obando- Ulloa et al., 2009; Obando et al., 2008). Por otro lado, desde el punto de vista de la industria de elaboración de zumos, bebidas o licores o del procesamiento de la pulpa, incluyendo el procesamiento en fresco, los QTLs relacionados con el zumo extraíble por sí solo o en combinación con los caracteres morfológicos mencionados anteriormente serán importantes dependiendo del uso en particular.

Los QTLs que incrementan el área de la pulpa o disminuyen la matriz del fruto podrían ser útiles para desarrollar frutos destinados al procesamiento mecanizado y a producir variedades para la industria del puré cremogenado

En cambio, los QTLs que incrementan el área de la pulpa o disminuyen la matriz del fruto podrían ser útiles para desarrollar frutos destinados al procesamiento mecanizado y a producir variedades para la industria del puré cremogenado y el hecho de desarrollar una variedad con mayor proporción de pulpa mejoraría la productividad del procesamiento en fresco o de las conservas. A esto también ayudarán los QTLs relacionados con la forma y el peso que están sirviendo para mejorar la forma redondeada de las variedades comerciales de melón con el fin de modificar su aptitud para el transporte, el procesado, la aceptación por el consumidor, etc (Obando et al., 2008). Algunos de estos QTLs además se ha visto que tienen una notable interacción con el ambiente, siendo por ejemplo los cultivados en el Campo de Cartagena aquellos que presentan ciertos atributos de calidad interna (sólidos solubles) mayor con relación a los cultivados en otros lugares (Eduardo et al., 2007).

Por otra parte, el mapeo de los QTLs permitió identificar uno de ellos en el grupo de ligamiento III, el cual parece estar relacionado con el comportamiento climatérico, con efectos posiblemente pleiotrópicos sobre la producción de los compuestos aromáticos volátiles (Obando-Ulloa et al., 2008) y de la sensibilidad al daño por frío (Fernández-Trujillo et al., 2007), lo cual es de gran utilidad para los fisiólogos de postcosecha para una mejor comprensión tanto del comportamiento climatérico como del comportamiento en almacenamiento refrigerado, la síntesis de aromas y el vínculo entre éstos y la emisión de etileno. Nunca antes se había podido identificar una línea climatérica a partir de dos parentales no climatéricos. En la tesis doctoral del Dr. Javier Obando, dirigida por el Prof. J.P. Fernández-Trujillo y que obtuvo la máxima calificación, se estudiaron líneas y sublíneas con estas características (Obando-Ulloa et al., 2010; 2008). Además, este hallazgo permitiría desarrollar cultivares no-climatéricos con comportamiento similar, pero aromáticos, los cuales podrían usarse en la industria del procesamiento en fresco de una forma más eficiente en vez de mezclar cultivares con distinto comportamiento climatérico, como hasta ahora se hace en la industria.

Ensayo de dureza de fruto entero de una línea casi isogénica (SC3-5-12).

El mapeo de los QTLs permitió identificar uno de los atributos de calidad interna en el grupo de ligamiento III, con efectos posiblemente pleiotrópicos sobre la producción de los compuestos aromáticos volátiles y de la sensibilidad al daño por frío

Por primera vez se ha podido mapear QTLs asociados a la presencia de alteraciones fisiológicas en precosecha, en la cosecha y postcosecha (conservación refrigerada), así como ha permitido la identificación de alteraciones nuevas como el necrosamiento interno de la placenta de melón y los QTLs asociados a la misma. También se han identificado QTLs asociados a la vitrescencia de melón, uno de sus principales problemas de calidad interna, así como a la susceptibilidad a ciertas alteraciones fúngicas y fisiológicas de importancia comercial (Fernández-Trujillo et al., 2007 y 2008; Martínez et al., 2009). En este sentido el QTL del climaterio parece inducir también mayor susceptibilidad a la escaldadura, un tipo de daño por frío común en melón refrigerado.

Estos trabajos también han establecido el primer perfil aromático de los melones tipo 'Piel de sapo', así como su vinculación con otros cultivares comerciales y algún híbrido de este mismo tipo y su relación con la senescencia del fruto (Obando-Ulloa, 2008, 2009 y 2010). En este estudio se han mapeado por primera vez algunos QTLs asociados a ciertos componentes aromáticos de este tipo de melón.

Por último, se ha probado la utilidad de este sistema modelo de NILs para estudios de fisiología y calidad postcosecha y para el mapeo de otros genes en el futuro. Por ejemplo para demostrar la presencia de componentes dependientes e independientes de la acción del etileno durante la maduración del melón.

Detalle de sobremaduración interna. Línea casi isogénica climatérica SC3-5ab. Aspecto interno.

Los QTLs identificados dan más flexibilidad a las compañías de mejoramiento, en cooperación con la industria, para desarrollar cultivares para propósitos específicos, basándose en los intereses de los consumidores o para diferenciar productos en un nicho de mercado específico

En general, los QTLs identificados dan más flexibilidad a las compañías de mejoramiento, en cooperación con la industria, para desarrollar cultivares para propósitos específicos, basándose en los intereses de los consumidores o para diferenciar productos en un nicho de mercado específico. También las NILs se ha visto que son una potente herramienta como sistema modelo de cara a estudios de horticultura, postcosecha, etc (Obando et al., 2007).

Por último cabe mencionar que resultado de estas investigaciones ha derivado la tesis doctoral de Javier Obando, que recibió el premio extraordinario de doctorado 2010 de la Universidad Politécnica de Cartagena, siendo la de mayor puntuación dentro de su área y de todas las otras áreas presentadas. Esta tesis también ocupa un lugar de privilegio por número de publicaciones dentro de la joven pero fructífera historia de las investigaciones agroalimentarias en nuestra universidad.

Ahuecado en una línea casi isogénica de melón.

Agradecimientos

Esta investigación no hubiera sido posible sin nuestros colaboradores en el IRTA (Jordi García-Mas, Ibán Eduardo, Eduard Moreno, Antonio Monforte), la UNEX (Jorge Ruiz), la Universidad Católica de Lovaina (Jeroen Lammertyn, Bart Nicolai), la Universidad de Wageningen (Rob Schouten, Pol Tijskens) y en otros centros españoles y extranjeros. La financiación fue concedida por el Ministerio de Educación y Ciencia (AGL2003-09175-C02-02), Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN AGL2010-20858), la Consejería de Educación y Cultura de la Región de Murcia (BIO-AGR06/02-0011) y por la Fundación Séneca de la Región de Murcia (proyectos 00620/PI/04, 05676/PI/07, 11784/PI/09).

Agradecemos la asistencia técnica en laboratorio de Ana Belén Pérez, Manuela Selma, Claudia Miranda, Mohammad-Mahdi Jowkar, Mohammad-Kazem Souri y María José Ferrer. Agradecemos al CIFEA-Torre Pacheco (Consejería de Agricultura, Región de Murcia) el manejo del cultivo del melón; al SAIT-UPCT la asistencia técnica en ciertos análisis y a los consumidores su participación en las pruebas sensoriales. Las semillas de la línea parental de melón PS fueron facilitadas por Semillas Fitó S.A. (Barcelona) y las del cultivar 'Nicolás' por Syngenta Seeds S.A. (Torre Pacheco, Murcia). La empresa Plásticos del Segura S.L. facilitó los liners plásticos. Javier Obando agradece al Ministerio de Asuntos Exteriores su beca MAE-AECI y Noelia Dos-Santos su beca FPU-MEC (AP2006-01565).

Bibliografía

- Dos-Santos, N., Obando, J., Ostos, I., Melgarejo, L.M., Moreno, E., Monforte, A.J., Fernández-Trujillo, J.P. 2007. Optimización de la extracción de ácidos orgánicos en pulpa liofilizada de melón y análisis por cromatografía líquida de alta eficiencia. Actas del Cuarto Congreso Virtual Iberoamericano sobre Gestión de Calidad en Laboratorios. Congreso IV IBEROLAB. Rabasseda, J. Martín de la Hinojosa, M.I. (coord.), Madrid. Ministerio de Cultura, Pesca y Alimentación, pp. 203-211. http://www.iberolab.org/opencms/export/sites/Iberolab/comunicaciones/Comunicaciones/documentos_comunicaciones/Requisitos_Tecnicos_0039.pdf

- Eduardo, I., Arús, P., Monforte, A.J., Fernández-Trujillo, J.P., Obando, J., Martínez, J.A., Alarcón, A., Álvarez, J.M., van der Knaap, E. 2007. Estimating the genetic architecture of fruit quality traits in melon (Cucumis melo L.) using a genomic library of near-isogenic lines. J. Amer. Soc. Hort. Sci. 132: 80-89.

- Fernández-Trujillo, J.P., Obando, J., Martínez, J.A., Alarcón, A., Eduardo, I., Arús P., Monforte, A.J. 2005a. Gestión de la calidad de experimentos con frutos de una colección de líneas casi isogénicas de melón. Actas del Tercer Congreso Virtual Iberoamericano sobre Gestión de Calidad en Laboratorios. Congreso III IBEROLAB. Atienza, J., Rabasseda, J. (Coord.), Madrid, pp. 149-158. www.iberolab.org.

- Fernández-Trujillo, J.P., Obando, J., Martínez, J.A., Alarcón, A., Eduardo, I., Monforte, A.J., Arús, P. 2005b. Statistical multivariate analysis of melon shape: A case study using near isogenic lines. Acta Hort. 674: 537-544.

- Fernández-Trujillo, J.P., Obando, J., Martínez, J.A., Alarcón, A.L., Eduardo, I., Arús, P., Monforte, A.J. 2007. Mapping fruit susceptibility to postharvest physiological disorders and decay using a collection of near-isogenic lines of melon. J. Amer. Soc. Hort. Sci. 132: 739-748.

- Fernández-Trujillo, J.P., Obando-Ulloa, J.M., Martínez, J.A., Moreno, E., García-Mas, J., Monforte, A.J. 2008. Climacteric or non-climacteric behavior in melon fruit 2. Linking climacteric pattern and main postharvest disorders and decay in a set of near-isogenic lines. Postharvest Biol. Technol. 50: 125-134. http://dx.doi.org/10.1016/j.postharvbio.2008.04.007

- Fernández-Trujillo, J.P., Obando-Ulloa, J.M., Monforte, A.J., Sanmartín, P., Kessler, M., Bueso, M.C. 2009. Métodos estadísticos multivariantes aplicables a estudios de calidad postcosecha del fruto de melón. Actas del Quinto Congreso Virtual Iberoamericano sobre Gestión de Calidad en Laboratorios. Congreso V IBEROLAB. Alsina, I., Martín de la Hinojosa, M.I., Hooghuis, H. (Coord.), Madrid, Min. Med. Amb. Medio Rural y Marino, pp. 13-21. http://www.iberolab.org/opencms/export/sites/IberolabV/comunicaciones/Comunicaciones/documentos_comunicaciones/Requisitos_Tecnicos_0003.pdf

- Martínez, J.A., Jowkar, M.M., Obando-Ulloa, J.M., Moreno, E., Varó, P., Monforte, A.J., Fernández-Trujillo, J.P. 2009. Uncommon disorders and decay in near-isogenic lines of melon and reference cultivars. Hort. Bras. (Brasilia) 27(4): 506-515. http://dx.doi.org/10.1590/S0102-05362009000400017

- Moreno, E., Obando, J., Dos-Santos, N., Fernández-Trujillo, J.P., Monforte, A.J., García-Mas, J. 2008. Candidate genes and QTLs for fruit ripening and softening in melon. Theor. Appl. Genet. 116: 589-602. http://dx.doi.org/10.1007/s00122-007-0694-y

- Obando, J., Fernández-Trujillo, J.P., Martínez, J.A., Alarcón, A.L., Eduardo, I., Arús, P., Monforte, A.J. 2008. Identification of melon fruit quality quantitative trait loci using near-isogenic lines. J. Amer. Soc. Hort. Sci. 133: 139-151.

- Obando, J., Moreno, E., Eduardo, I., Dos-Santos, N., Martínez, J.A., Alarcón, A.L., Arús, P., García-Mas, J., Monforte, A.J., Fernández-Trujillo, J.P. 2007. Aplicaciones pre y postcosecha de una colección de líneas casi isogénicas de melón. Acta Hort 48: 736-739. http://www.sech07.uclm.es/gestion/pdf/6A03.pdf

- Obando Ulloa, J.M. 2008. Identificación de quantitative trait loci (QTLs) responsables de atributos de calidad de fruto en líneas casi isogénicas de melón. Tesis doctoral. UPCT, Cartagena. Inédita.

- Obando-Ulloa, J.M., Moreno, E., García-Mas, J., Nicolai, B., Lammertyn, J., Monforte, A.J., Fernández-Trujillo, J.P. 2008. Climacteric or non-climacteric behavior in melon fruit 1. Aroma volatiles. Postharvest Biol. Technol. 49: 27-37. http://dx.doi.org/10.1016/j.postharvbio.2007.11.004

- Obando-Ulloa, J.M., Eduardo, I., Monforte, A.J., Fernández-Trujillo, J.P. 2009. Identification of QTLs related to sugar and organic acid composition in melon using near-isogenic lines. Sci. Hort. 121: 425-433. http://dx.doi.org/10.1016/j.scienta.2009.02.023

- Obando-Ulloa, J.M., Nicolai, B., Lammertyn, J., Bueso, M.C., Monforte, A.J., Fernández-Trujillo, J.P. 2009. Aroma volatiles associated with the senescence of climacteric or non-climacteric melon fruit. Postharvest Biol. Technol. 52: 146-155. http://dx.doi.org/10.1016/j.postharvbio.2008.11.007

- Obando-Ulloa, J.M., Jowkar, M.M., Moreno, E., Souri, M.K., Martínez, J.A., Bueso, M.C., Monforte, A.J., Fernández-Trujillo, J.P. 2009. Discrimination of senescent fruit of climacteric and non-climacteric near-isogenic lines of melon by quality traits. J. Sci. Food Agric. 89: 1743-1753. http://dx.doi.org/10.1002/jsfa.3651

- Obando-Ulloa, J.M., Ruiz, J., Monforte, A.J., Fernández-Trujillo, J.P. 2010. Aroma profile of a collection of near-isogenic lines of melon. Food Chem. 118: 815-822. http://dx.doi.org/10.1016/j.foodchem.2009.05.068

- Tijskens, L.M.M., Dos-Santos, N., Jowkar, M.M., Obando, J., Moreno, E., Schouten, R.E., Monforte, A.J., Fernández-Trujillo, J.P. 2009. Postharvest fruit firmness behaviour of near-isogenic lines of melon. Postharvest Biol. Technol. 51: 320-326. http://dx.doi.org/10.1016/j.postharvbio.2008.06.001

- Tijskens, L.M.M., Jacob, S., Schouten, R.E., Fernández-Trujillo, J.P., Dos-Santos, N., Vangdal, E., Pagán, E., Pérez Pastor, A. 2010. Water loss in horticultural products. Modelling data analysis and theoretical considerations. Acta Hort. 858: 465-471.