Cartografía de QTL asociados a la tolerancia a estrés hídrico en frijol común (Phaseolus vulgaris L.)

Phaseolus vulgaris L. (frijol común o judía) es una leguminosa de gran demanda para la nutrición humana y un producto agrícola muy importante. Sin embargo, la producción de frijol se ve limitada por presiones ambientales como la sequía. En México, el 85% de la cosecha de frijol se produce en la temporada de primavera-verano, principalmente en las regiones del altiplano semiárido con una precipitación anual entre 250 y 400 mm. A pesar del implemento de tecnología en el campo, los factores naturales impiden al agricultor llegar a los rendimientos deseados. El Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), como instituto de investigación gubernamental en México, tiene como objetivo la mejora de cultivos estratégicos, uno de ellos, P. vulgaris. Los estudios en relación a la sequía se enfocan especialmente en la selección de genotipos tolerantes, los cuales son sometidos en condiciones de estrés y monitoreando parámetros como el rendimiento y peso de semilla, además de algunos indicadores tales como índice de cosecha. El resultado de estos trabajos ha sido la obtención de variedades con mayor tolerancia a la sequía, tales como Pinto Villa y Pinto Saltillo. En los últimos años se ha avanzado notablemente en el conocimiento de las bases moleculares en las respuestas de las plantas al estrés. De acuerdo a diversos estudios se ha demostrado que las plantas bajo estrés por sequía experimentan cambios en la expresión de genes involucrados en la señalización, regulación de la transcripción y la traducción, transporte de agua y la función directa en la protección celular. También se ha observado que el déficit de agua es causado por las temperaturas extremas y la alta concentración de sales, por lo que al nivel molecular, las respuestas al estrés tienen puntos de especificidad y puntos de entrecruzamiento. La sequía puede generar estreses secundarios, tales como el nutricional, oxidativo y osmótico. Sin embargo, es necesario identificar y caracterizar muchos de los componentes involucrados en las respuestas al déficit hídrico, la caracterización de estos genes permitirá tener una mejor comprensión de los mecanismos bioquímicos y fisiológicos involucrados en la tolerancia al estrés. Actualmente, con el apoyo de la biología molecular se han identificado algunos genes que otorgan ventajas para la adaptación a ambientes desfavorables. Por lo que el objetivo del presente trabajo es identificar marcadores genéticos asociados a rasgos fenotípicos con énfasis a la tolerancia a estrés hídrico en P. vulgaris. Una vez establecidos los marcadores asociados al estrés hídrico, es factible considerar su uso para la selección asistida por marcadores en líneas o variedades de frijol de interés para los mejoradores. Se evaluaron 282 familias F3:5 derivadas de la cruza entre los cultivares Pinto Villa y Pinto Saltillo. Las familias se sembraron bajo un diseño simple de látice 17x17, el experimento se llevo acabo en el ciclo primavera-verano del 2010 y 2011, y otoñoinvierno de 2010 en el Campo Experimental Bajío del INIFAP con dos repeticiones para cada tratamiento de humedad (riego completo y sequía terminal). En todos los genotipos se realizó el fenotipado (variables fenotípicas) y el genotipado a través de marcadores moleculares. Los análisis estadísticos se basaron en el análisis de componentes principales (Eigen Analysis Selection Index Method, ESIM), la asociación entre marcadores SNP y el fenotipado (paquete SNPassoc para R) y el análisis de varianza (ANOVA). Los valores ESIM mostraron que las variables de Rendimiento, Días a floración, Días a madurez fisiológica e Índice de cosecha fueron sobresalientes en sequía terminal, por lo que se sugieren tomarse en consideración para los estudios de sequía en P. vulgaris como monitores de evaluación a la resistencia. Se identificaron nueve familias sobresalieron por sus valores ESIM (PV/PS6, 22, 131, 137, 149, 154, 201, 236 y 273), además de presentar valores superiores para el rendimiento en comparación con los parentales. Estos genotipos son candidatos interesantes para realizar estudios de identificación de loci asociados con la respuesta al estrés, y como potenciales parentales en el desarrollo de nuevas variedades de frijol. En los análisis de asociación SNPassoc se identificaron 83 SNPs significativos (p<0,0003) asociados a los rasgos fenotípicos, obteniendo un total de 222 asociaciones, de las cuales predomina el modelo genético de codominancia para las variables Días a floración, Periodo reproductivo y Biomasa total. Treinta y siete SNPs se identificaron a diferentes funciones biológicas a través del análisis de anotación funcional, de los cuales 12 SNPs (9, 18, 28, 39, 61, 69, 80, 106, 115, 128, 136 y 142) sobresalen por su asociación al fenotipado, y cuya anotación funcional indica que se encuentran en genes relacionados a la tolerancia a la sequía, tales como la actividad kinasa, actividad metabólica del almidón, carbohidratos y prolina, respuesta al estrés oxidativo, así como en los genes LEA y posibles factores de transcripción. En el caso de los análisis ANOVA, se identificaron 72 asociaciones entre los SNPs y las variables fenotípicas (F< 3,94E-04). Las 72 asociaciones corresponden a 30 SNPs y 7 variables fenotípicas, de las que predomina Peso de 100 semillas y Periodo reproductivo. Para los rasgos de Rendimiento, Índice de cosecha y Días a madurez fisiológica se presentaron asociaciones con seis SNPs (17, 34, 37, 50, 93 y 107), de los cuales, a los SNP37 y SNP107 fueron identificados a la anotación biológica de protein binding. Por otro lado, los SNP106 y SNP128 asociados al Periodo reproductivo, son genes con actividad kinasa y actividad metabólica del almidón, respectivamente. Para los marcadores tipo AFLP, se identificaron 271 asociaciones (F<2,34E-04). Las asociaciones corresponden a 86 AFLPs con todas las variables fenotípicas evaluadas, de las que predomina peso de 100 semillas, Días a floración y Periodo reproductivo. Debido a que los en los AFLPs no es posible determinar su anotación biológica, se proponen como marcadores potenciales relacionados a la resistencia a la sequía en frijol. Los AFLPs candidatos requieren más estudios tales como la secuenciación de los alelos respectivos, así como la identificación de éstas secuencias en el genoma de referencia y su anotación biológica, entre otros análisis, de esta manera podríamos establecer aquellos marcadores candidatos a la validación para la selección asistida. El presente trabajo propone tanto genotipos como marcadores genéticos, que deben ser validados para ser utilizados en el programa de mejoramiento de P. vulgaris, con el objetivo de desarrollar nuevas líneas o variedades tolerantes a la sequía. ABSTRACT Phaseolus vulgaris L. (common bean or judia) is a legume of great demand for human consumption and an important agricultural product. However, the common bean production is limited by environmental stresses, such as drought. In Mexico, 85% of the common bean crop is produced in the spring-summer season mainly in semiarid highland regions with a rainfall between 250 and 400 mm per year. In spite of the improvement of crop technology, the natural factors hamper getting an optimal yield. The National Institute for Forestry, Agriculture and Livestock (INIFAP) is a government research institute from Mexico, whose main objective is the genetic breeding of strategic crops, like P. vulgaris L. The drought tolerance studies particularly focus on the selection of bean tolerant genotypes, which are subjected to stress conditions, by means of monitoring parameters such as yield and seed weight, plus some agronomic indicators such as harvest index. The results of these works have led to obtain cultivars with higher drought tolerance such as Pinto Villa and Pinto Saltillo. Significant achievements have been recently made in understanding the molecular basis of stress plant responses. Several studies have shown that plants under drought stress present changes in gene expression related to cell signalling, transcriptional and translational regulation, water transport and cell protection. In addition, it has been observed that the extreme temperatures and high salt concentrations can cause a water deficiency so, at the molecular level, stress responses have specific and crossover points. The drought can cause secondary stresses, such as nutritional, oxidative and osmotic stress. It is required the identification of more components involved in the response to water deficit, the characterization of these genes will allow a better understanding of the biochemical and physiological mechanisms involved in stress tolerance. Currently, with the support of molecular biology techniques, some genes that confer an advantage for the crop adaptation to unfavourable environments have been identified. The objective of this study is to identify genetic markers associated with phenotypic traits with emphasis on water stress tolerance in P. vulgaris. The establishment of molecular markers linked to drought tolerance would make possible their use for marker-assisted selection in bean breeding programs. Two hundred and eighty two F3:5 families derived from a cross between the drought resistant cultivars Pinto Villa and Pinto Saltillo were evaluated. The families were sowed under a 17x17 simple lattice design. The experiment was conducted between spring-summer seasons in 2010 and 2011, and autumn-winter seasons in 2010 at the Bajio Experimental Station of INIFAP with two treatments (full irrigation and terminal drought). All families were phenotyped and genotyped using molecular markers. Statistical analysis was based on principal component analysis (Eigen Analysis Selection Index Method, ESIM), association analysis between SNP markers and phenotype (SNPassoc package R) and analysis of variance (ANOVA). The ESIM values showed that seed yield, days to flowering, days to physiological maturity and harvest index were outstanding traits in terminal drought treatment, so they could be considered as suitable parameters for drought-tolerance evaluation in P. vulgaris. Nine outstanding families for the ESIM values were identified (PV/PS6, 22, 131, 137, 149, 154, 201, 236 and 273), in addition, these families showed higher values for seed yield compared to the parental cultivars. These families are promising candidates for studies focused on the identification of loci associated to the stress response, and as potential parental cultivars for the development of new varieties of common bean. In the SNPassoc analysis, 83 SNPs were found significantly associated (p<0.0003) with phenotypic traits, obtaining a total of 222 associations, most of which involved the traits days to flowering, reproductive period and total biomass under a codominant genetic model. The functional annotation analysis showed 37 SNPs with different biological functions, 12 of them (9, 18, 28, 39, 61, 69, 80, 106, 115, 128, 136 and 142) stand out by their association to phenotype. The functional annotation suggested a connection with genes related to drought tolerance, such as kinase activity, starch, carbohydrates and proline metabolic processes, responses to oxidative stress, as well as LEA genes and putative transcription factors. In the ANOVA analysis, 72 associations between SNPs and phenotypic traits (F<3.94E- 04) were identified. All of these associations corresponded to 30 SNPs markers and seven phenotypic traits. Weight of 100 seeds and reproductive period were the traits with more associations. Seed yield, harvest index and days to physiological maturity were associated to six SNPs (17, 34, 37, 50, 93 and 107), the SNP37 and SNP107 were identified as located in protein binding genes. The SNP106 and SNP128 were associated with the reproductive period and belonged to genes with kinase activity and genes related to starch metabolic process, respectively. In the case of AFLP markers, 271 associations (F<2.34E-04) were identified. The associations involved 86 AFLPs and all phenotypic traits, being the most frequently associated weight of 100 seeds, days to flowering and reproductive period. Even though it is not possible to perform a functional annotation for AFLP markers, they are proposed as potential markers related to drought resistance in common bean. AFLPs candidates require additional studies such as the sequencing of the respective alleles, identification of these sequences in the reference genome and gene annotation, before their use in marker assisted selection. This work, although requires further validation, proposes both genotypes and genetic markers that could be used in breeding programs of P. vulgaris in order to develop new lines or cultivars with enhanced drought-tolerance.

Nuevos mecanismos moleculares de tolerancia a sequía y otros tipos de estrés abiótico en especies arbóreas de interés económico

Las masas forestales tienen una importancia colosal para nuestra sociedad y el conjunto de la biosfera. Estudios recientes a escala mundial indican que la sequía es el factor abiótico que más afecta a su crecimiento y supervivencia, seguida por las temperaturas extremas y la salinidad. Aunque comprender los mecanismos con que las especies arbóreas toleran estas formas de estrés tiene un interés aplicado evidente, dichos mecanismos se han estudiado mucho más en especies herbáceas modelo o de interés agronómico. Existen sin embargo diferencias notables entre ellas, como se demuestra en esta tesis y en otros trabajos recientes. Nuestro estudio se centra concretamente en la respuesta molecular del chopo –el sistema modelo forestal más desarrollado– al estrés abiótico, con particular énfasis en la sequía. Utilizando una estrategia proteómica y tratamientos controlados, hemos identificado componentes mayoritarios de dicha respuesta. Su participación en la misma se ha validado mediante análisis transcripcionales detallados utilizando tecnología qRT-PCR (PCR cuantitativa en tiempo real). Hemos identificado proteínas cuyo nexo funcional con mecanismos de tolerancia ya era conocido, como chaperonas moleculares sHSP o enzimas que atenúan el estrés oxidativo, pero también proteínas cuya relación funcional con el estrés es menos clara o incluso novedosa, como polifenol oxidasas (PPO), deshidrogenasas/reductasas de cadena corta (SDR), o bicupinas (BIC), entre otras. El cuerpo central de la tesis consiste en la caracterización detallada de una PPO inusual, cuya inducción por estrés hídrico se describe por vez primera. Estas enzimas están ampliamente distribuidas en plantas, si bien su número es muy variable de unas especies a otras. Algunas, como nogal, tienen un único gen, mientras que Arabidopsis no tiene ninguno. En la última versión del genoma de chopo hemos identificado un total de 12 miembros bona fide, corrigiendo trabajos previos, y hemos caracterizado su expresión individual ante diferentes situaciones de estrés controlado y tratamientos hormonales. La isoforma antedicha es el único miembro de la familia que responde claramente a la deshidratación. También responde a salinidad y a la mayor parte de tratamientos hormonales ensayados, pero no a daño mecánico o tratamientos con metil jasmonato. Esto la diferencia de enzimas homólogas presentes en otras especies de plantas, que se han relacionado experimentalmente con estrés biótico. Los patrones de acumulación de transcritos en árboles adultos son compatibles con un papel protector frente a la sequía. La integración de nuestros estudios funcionales y filogenéticos sugiere que la familia ha sufrido un proceso reciente de diversificación y neofuncionalización, siendo la protección frente a deshidratación su papel primigenio. Aunque se conoce la actividad bioquímica in vitro de este tipo de enzimas, sus sustratos naturales son esencialmente una incógnita. Mediante expresión heteróloga en Escherichia coli BL21(DE3) hemos detectado que la enzima de chopo es capaz de oxidar L-DOPA a dopaquinona, siendo menos activa frente a otros sustratos. Por otra parte, hemos demostrado su localización cloroplástica mediante transformación transitoria de protoplastos con fusiones a la proteína fluorescente YFP. Mediante la obtención de plantas transgénicas de A. thaliana hemos demostrado que la enzima de chopo aumenta considerablemente la tolerancia in vivo frente a la deshidratación y al estrés salino. El análisis fenotípico detallado de las líneas transgénicas, combinando múltiples metodologías, nos ha permitido sustanciar que la tolerancia tiene una base compleja. Esta incluye una mayor protección del sistema fotosintético, una capacidad antioxidante muy incrementada y la acumulación de solutos osmoprotectores como la prolina. Los análisis metabolómicos nos han permitido asociar la expresión de la proteína a la síntesis de un flavano no descrito previamente en A. thaliana, vinculando la enzima de chopo con la síntesis de fenilpropanoides. También hemos observado alteraciones en los niveles hormonales que podrían subyacer a efectos pleiotrópicos con interés aplicado, como un aumento consistente del tamaño de la planta o el acortamiento del ciclo de crecimiento. Además de aportar datos novedosos sobre la funcionalidad in vivo de esta familia de oxidasas, los resultados de esta tesis demuestran que los árboles son sistemas de estudio interesantes para caracterizar nuevas estrategias de tolerancia al estrés abiótico con potencial aplicado. ABSTRACT Forests masses have an extraordinary importance for our society and the biosphere. Recent worldwide studies indicate that drought is the abiotic factor that affects more their growing and survival, followed by extreme temperatures and salinity. The understanding of how the arboreal species tolerate the stress has an evident practical interest, but their mechanisms have been studied much more in herbaceous species or with agronomic interest. However, considerable differences exist between them, as this thesis and recent studies show. Our study is focused on the molecular response of the poplar –the more developed forestry model system- to abiotic stress, specifically focused in the drought. Using a proteomic strategy and controlled treatments, we have identified main components in such response. Its participation has been validated through transcriptional analysis using qRT-PCR technology. We have identified proteins whose functional connection with tolerance mechanisms were already known, as molecular chaperones sHSP or enzymes that attenuate the oxidative stress, but also some proteins whose functional relationship with the stress is less clear or even novel, as polifenol oxidases (PPO), short chain deshidrogenases/reductases (SDR), or bicupines (BIC), among others. The central body of the thesis consists of the detailed characterization of an unsual PPO, whose induction due to drought stress is first described. These enzymes are thoroughly distributed in plants, but their number of members is very variable among species. Some of them, as the walnut tree, have a single gene, while Arabidopsis has none. We have identified a total of 12 members in the last version of the poplar genome, correcting previous works, and have characterized their individual expression against different situations of controlled stress and hormone treatments. The aforementioned isoform is the only member of the family that responds clearly to the drought. It also reacts to salinity and the majority of hormonal treatments tested, but it does not respond to mechanical damage or treatments with methyl jasmonate. This is the difference with homologue enzymes present in other plant species, which have been related experimentally with abiotic stress. The accumulation patterns of transcripts in adult trees are compatible with a protector role against drought. The integration of our functional and phylogenetic studies suggests that the family has suffered a recent process of diversification and neofunctionalization, being the protection against drought their original role. Although the in vitro biochemistry activity of this kind of enzymes is already known, their natural substracts are essentially a mystery. By means of heterologous expression of Escherichia coli BL21(DE3) we have detected that the enzyme of poplar is able to oxidize L-DOPA to dopaquinone, being less active against other substrates. Additionally, we have proven its chloroplastic location with transitory transformation of protoplasts with YFP protein fusion. By means of getting transgenic plants of A. thaliana, we have demonstrated that the poplar enzyme increases notably the in vivo tolerance against the drought and salinity stresses. The phenotypic analysis of the transgenic lines, and the use of multiple methodologies, allowed us to test the complexity of the tolerance. This includes a major protection of the photosynthetic system, a very increased antioxidant capacity and the accumulation of osmoprotectant solutes as the proline. The metabolic analysis has allowed to associate the protein expression with the synthesis of a Flavan non described previously in A. thalaiana, linking the enzyme of poplar with the synthesis of phenylpropanoids. We have observed alterations in the hormonal levels that could underlie pleiotropic effects with applied interest, as a consistent increase of the size of the plant and the reduction of the growth cycle. The results of this thesis, in addition to provide novel data about the in vivo functionality of the oxidase family, demonstrate that the trees are interesting systems of study to characterize new strategies of tolerance against abiotic stress with applied potential.

Identification of novel drought-tolerant-associated SNPs in common bean (Phaseolus vulgaris)

Common bean (Phaseolus vulgaris L.) is a leguminous in high demand for human nutrition and a very important agricultural product. Production of common bean is constrained by environmental stresses such as drought. Although conventional plant selection has been used to increase production yield and stress tolerance, drought tolerance selection based on phenotype is complicated by associated physiological, anatomical, cellular, biochemical, and molecular changes. These changes are modulated by differential gene expression. A common method to identify genes associated with phenotypes of interest is the characterization of Single Nucleotide Polymorphims (SNPs) to link them to specific functions. In this work, we selected two drought-tolerant parental lines from Mesoamerica, Pinto Villa, and Pinto Saltillo. The parental lines were used to generate a population of 282 families (F3:5) and characterized by 169 SNPs. We associated the segregation of the molecular markers in our population with phenotypes including flowering time, physiological maturity, reproductive period, plant, seed and total biomass, reuse index, seed yield, weight of 100 seeds, and harvest index in three cultivation cycles. We observed 83 SNPs with significant association (p < 0.0003 after Bonferroni correction) with our quantified phenotypes. Phenotypes most associated were days to flowering and seed biomass with 58 and 44 associated SNPs, respectively. Thirty-seven out of the 83 SNPs were annotated to a gene with a potential function related to drought tolerance or relevant molecular/biochemical functions. Some SNPs such as SNP28 and SNP128 are related to starch biosynthesis, a common osmotic protector; and SNP18 is related to proline biosynthesis, another well-known osmotic protector.