Physiological, agronomic and genomic evaluation of drought stress tolerance in potato (Solanum tuberosum L.)

Resumen

La patata (Solanum tuberosum L.) es uno de los cultivos más importantes a nivel mundial y contribuye de forma importante al suministro mundial de alimentos, produciéndose más de 370 millones de toneladas. El cultivo tiene, asimismo, una gran relevancia en la seguridad alimentaria, reducción de la pobreza y mejora de la nutrición humana. Debido a los efectos del cambio climático, las condiciones tienden a ser cada vez más extremas, siendo la disponibilidad de agua uno de los factores limitantes en la producción del cultivo, por lo que es importante poder seleccionar variedades que puedan mantener el rendimiento y hacer frente a las consecuencias del cambio climático. La mejora tradicional de patata es un proceso largo, costoso y con problemas como la naturaleza heterocigota y tetraploide. Durante las últimas décadas se han desarrollado tecnologías de secuenciación de nueva generación (NGS) que cada vez son más asequibles y permiten a los mejoradores identificar alelos específicos beneficiosos que son responsables de las variaciones deseables en los cultivos. Esta tesis intenta abordar el problema del efecto del estrés hídrico como consecuencia del cambio climático en el cultivo de la patata desde distintos puntos de vista.Por un lado, se evaluó la respuesta diferencial de parámetros fisiológicos y de producción en seis variedades de patata bajo condiciones de déficit hídrico. Para ello se llevó a cabo un ensayo deinvernadero con las variedades Ágata, Agria, Kennebec, Monalisa, Santé y Zorba. Se tomaron todas las medidas en la hoja más joven completamente expandida y en 4 tiempos distintos: antes del estrés (T0), a los 17 días (T1) y a los 24 días (T2) de retirarlas el riego y 5 días después de regarlas nuevamente (R1). Los parámetros fisiológicos evaluados fueron el contenido y la fluorescencia de la clorofila, contenido relativo de agua (RWC), apertura estomática, conductividad electrolítica y potencial hídrico. Tras el periodo de sequía se cortó la parte aérea de la mitad de las plantas para obtener la biomasa. Se estimaron los parámetros de producción como como número y peso medio de tubérculos, producción, materia seca y almidón. Los parámetros más afectados por el déficit hídrico fueron la apertura estomática y el potencial hídrico. La selección indirecta basada en parámetros asociados al estrés hídrico puede ser una herramienta útil en programas de selección en patata para la identificación de variedades más tolerantes.Por otro lado, con el objetivo de comprender los mecanismos de respuesta al estrés hídrico a nivel de transcriptoma, se llevó a cabo un ensayo en el que se utilizaron las variedades Agria y Zorba para ver la diferencia de expresión de genes entre plantas control y plantas sometidas a estrés hídrico. Para ello, se secuenciaron mediante RNAseq, obteniendo alrededor de 50 millones de transcritos para cada variedad. Al comparar los transcritos significativos obtenidos de las plantas control con las de sequía de la variedad Agria, se vio que 931 genes estaban regulados ¿up¿, es decir, aumentaba su expresión, y 2077 genes estaban regulados ¿down¿, disminuyendo su expresión bajo condiciones de estrés. Cuando se compararon ambos tratamientos en las plantas de la variedad Zorba, se encontraron 735 genes regulados ¿up¿ y 923 genes regulados ¿down¿. Además, se analizaron los transcritos con el fin de averiguar sus funciones y destacar las vías metabólicas potencialmente relacionadas con la tolerancia a la sequía. Para ello se hizo una clasificación de ontología de genes (GO), las cuales describen la función molecular de los productos génicos, su rol en los procesos biológicos y su localización en componentes celulares. En este ensayo se ha visto que las principales ontologías a las que pertenecen los transcritos obtenidos pertenecen a componentes celulares, y más en concreto relacionados con la membrana y la pared celular. Estos resultados proporcionan una información valiosa relacionada con los mecanismos moleculares de tolerancia a estrés hídrico.Por último, se evaluó un panel de 144 genotipos de patata durante dos años para observar la variación biológica de varios rasgos fisiológicos (contenido de clorofila, fluorescencia de clorofila, conductancia estomática, NDVI, área y perímetro foliar) y agronómicos (rendimiento, peso y número de tubérculos, contenido de almidón, materia seca y azúcares reductores). Estas mismas variedades se genotiparon mediante el chip ¿GGP V3 Potato array¿, obteniendo un total de 31190 marcadores SNP que tras el filtrado se quedaron en 18259. Se determinó la subestructura de la población utilizando el software STRUCTURE 2.3.4 y el análisis de mapeo asociativo se realizó utilizando el paquete estadístico GwasPoly. Se detectaron SNPs asociados tanto con los rasgos fenotípicos como con los agronómicos en varios cromosomas y se asociaron con funciones genéticas conocidas. Estos resultados podrían ser útiles para diseñar marcadores y utilizarlos en futuros programas de selección asistida relacionados con la tolerancia a la sequía en patata.