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Variedades, heterosis e híbridos

Juan José Ruiz MartínezUniversidad Miguel Hernández

Almería, 30 de Enero de 2019

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Pietro Andrea Gregorio Mattioli(Doctorate by the University of Padova)

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Concepto de variedad

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Virosis en tomate

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Mejora de las variedades locales de tomate con resistencia aTSWV, TYLCV y ToMV, mediante selección asistida pormarcadores moleculares, para obtener distintas variedadesadaptadas a condiciones específicas

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Tm-2a S. peruvianum L. (Alexander 1963), long arm of chromosome 9, near the centromere, cloned by Lanfermeijer et al. (2003)

Sw-5 S. peruvianum L. (Stevens et al., 1992) long arm of chromosome 9, near the telomere, cloned by Spassova et al. (2001).

Ty-1 S. chilense, LA1969 (Zamir et al., 1994), chromosome 6, near centromere.Cloned by Verlaan et al. (2013).


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¡¡¡Transgenic Plants, GMO!!!¿Genetic Improvement?

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¿Es posible que dos variedades distintas compartanel mismo genotipo?

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M4M4M4

M4M4

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Component

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M4M4

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BOND

BOND

BOND

BOND

BOND

Component

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Caracterización de variedades : parámetros químicos

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Chilen158

Chilen156-2

Chilen156-1

Peru154

Peru153-2

Peru153-1

Cerasi96

CheesmaniPimpi1

Conserva

Cherry89Cherrry65

Valen9

Anastasia

Pimpi2-2

Pimpi2-1

EPSO42

Much30

Much29Much18

RomaPera25Pera22Pera19

Pera16sPera16c

Pera5Mor209

ZapotecMuch11Much4

Mor232Mor208

BaladreHojapataMor207

Coordenada 1

Coordenada 2

Coo

rde

nad

a 3

Chilen158

Chilen156-2

Chilen156-1

Peru154

Peru153-2

Peru153-1

Cerasi96

CheesmaniPimpi1

Conserva

Cherry89Cherrry65

Valen9Cherry89Cherrry65

Valen9

Anastasia

Pimpi2-2

Pimpi2-1

EPSO42

Much30

Much29Much18Much29Much18


Pera16sPera16c

Pera5Mor209


Pera16sPera16c

Pera5Mor209

ZapotecMuch11Much4

Mor232Mor208ZapotecMuch11Much4

Mor232Mor208



Coordenada 1

Coordenada 2

Coo

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Caracterización de variedades: SSRs

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Conservación y mejora de la agrodiversidad

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rr x RR

x

½ Rr + ½ rr

½ Rr + ½ rr

½ Rr + ½ rrx rr

x rr ½ Rr + ½ rr

x rr

Programa deretrocruzamiento


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Marcador TYLCV: CAPS basado en APS

S R S S R S S R S R R R

Marcador TSWV: CAPS basado RFLP

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¿Más caracterización?


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SNPs

Muchamiel, 30‐50 SNPs

Pera, 10‐20 SNPs

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Variedades

We described and analyzed the genetic diversityof 1,008 tomato accessions including Solanumlycopersicum var. lycopersicum (SLL), S. lycopersicum var. cerasiforme (SLC), and S. pimpinellifolium (SP) that were genotyped using7,720 SNPs.

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Variedades

Cuando se consideran todas las accesiones “contemporaneas” como un único pool de genes (variedades de tomate en fresco y variedades de procesado), suponen una población ligeramente más “diversa” que la de tomates “vintage”. (He 0.12 vs 0.09, respectively)

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….en especies silvestres, el número de single‐nucleotide polymorphisms(SNPs) supera los 10 millones, es decir, 20 veces más que losencontrados en la mayor parte de las accesiones cultivadas, indicando laenorme erosion genética de los cultivares tradicionales y actuales


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Exploring genetic variation in the tomato (Solanum section Lycopersicon) clade by whole‐genome sequencing

The Plant JournalVolume 80, Issue 1, pages 136‐148, 3 SEP 2014 DOI: 10.1111/tpj.12616http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.12616/full#tpj12616‐fig‐0003 41

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Exploring genetic variation in the tomato (Solanum section Lycopersicon) clade by whole‐genome sequencing

The Plant JournalVolume 80, Issue 1, pages 136‐148, 3 SEP 2014 DOI: 10.1111/tpj.12616http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.12616/full#tpj12616‐fig‐0004

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‐920 g

+198 g

Todos los genotiposX= 4381 g/planta

Homocigotos RRX= 3461 g/planta

Heterocigotos RrX=4579 g/planta

+810 g

Homocigotos rrX= 5191 g/planta

‐11,7%

Resistencia a TYLCV

‐33%

EFECTO DE LOS GENES INTROGRESADOS

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ESTRATEGIAS DE SECUENCIACIÓN –GENOTIPADO MASIVO‐ESTUDIOS DE EXPRESIÓN

Short Reads (Illumina)

Long Reads (PacBio SMRT, 10x Genomics, Oxford Nanopore)

RNAseq Golden gate‐Sequenom‐GBS‐RAD‐Seq‐SPET‐SEqSNP

BSA‐Seq

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Huang et al., 2009 .Nature genetics

Sanger-454Solexa-Solid

Sanger454 -61 Mill

Inbred AM560-2 CIAT

477 Mb

6,5 X Sanger4,5 X GS20 454

Velasco et al., 2008. PLos

3,9 X Sanger68,3X Illumina GA cv. Heinz 1706

4x Sanger12x 454

Golden delicious

244 Mb

220 Mb

NUEVOS GENOMAS SECUENCIADOS EMPLEANDO COMBINACIÓN DE DISTINTAS METODOLOGÍAS


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¿Evaluación por fenotipo?“A vueltas con el problema fundamental de la Mejora” (J.I. Cubero)


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The pink fruit phenotype in both the pf1 and pf2 mutants.

Josefina-Patricia Fernandez-Moreno et al. Plant Physiol. 2016;171:1821-1836

©2016 by American Society of Plant Biologists

Phenotypic studies and expression analyses in TAGL1-silencing and -overexpresing fruits.

Estela Giménez et al. Plant Physiol. 2015;168:1036-1048

©2015 by American Society of Plant Biologists68

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¿El sueño del mejorador?


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Utilización de perfiles de ADN


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Objetivos de TRADITOM

El proyecto va dirigido a identificar y valorizar las variedades de tomate tradicional Europeo y sus prácticas de cultivo.

Objetivo 1: Información y Conservación.Obtendremos información sobre las variedades de tomate EU, sus métodos de cultivo, las características medioambientales de las regiones donde tradicionalmente se han cultivado, así como semillas de esas variedades que serán almacenadas en un repositorio. La información recogida y la generada durante el curso del proyecto, así como las semillas, serán disponibles a todos los interesados a través del repositorio web.Objective 2: Evaluación.Los investigadores de TRADITOM evaluarán la variabilidad fenotípica y genotípica presente en las variedades de TRADITOM. Además obtendrán la evidencia científica requerida para poder identificar las variedades tradicionales y distinguirlas de los cultivares mejorados comercialmente. Se facilitará la transferencia efectiva de materiales y de información obtenida en el proyecto hacia las comunidades de mejoradores, cultivadores y consumidores.Objetivo 3: Mejora.TRADITOM pretende proporcionar a los agricultores y mejoradores nuevas versiones de variedades tradicionales que mejoren sus productividad y su resistencia a enfermedades sin comprometer sus buenas características sensoriales.Objetivo 4: Valorización.TRADITOM mejorará el valor de las variedades de tomates tradicional y el impacto de los métodos de cultivo tradicional. Esto se conseguirá gracias a una caracterización exhaustiva de los contenidos en compuestos importantes para la nutrición y la salud, laidentificación de cuáles son las preferencias de los consumidores… 73

• Se han genotipado unas 1500 accesiones mediante GBS

• 700 variedades de España, 405 de Italia, 200 de Grecia, 120 de Francia

• Se obtuvieron 40 millones de SNPs. Se han seleccionado los más informativos:

‐Máxima heterocigosidad 0.1 ‐Máximo ratio datos faltantes 70%.

• Unos 180.000 SNPs seleccionados


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HÍBRIDOS y HETEROSIS


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Las reuniones que hoy en día se consideran como los tres primeros congresos internacionales de Genética se celebraron bajo los nombres de:

• “International Conference on Hybridization” (Londres, 1889)• “International Conference on Plant Breeding and Hybridization” (Nueva York, 1902)• “Conference on Plant Breeding and Hybridization” (Londres, 1906)

William Bateson propuso el nombre de Genética para la actividad científica que estaban desarrollando, y los resúmenes de

dicha reunión se publicaron bajo el nuevo título de “Third International Conference on Genetics”.


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“El híbrido es la más perfecta obtención de la Mejora”


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National Research Council

Lost Crop of the Incas, 1989

(Solanum muricatum)

Pepino dulce

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Peso medio del fruto (gramos) de cuatro clones y dos híbridosde pepino dulce bajo dos niveles salinos, 3 dS/m y 8 dS/m

1993

clon O-8 clon 9-2 O-8 x 9-2 clon 6-10 clon 9-1 6-10 x 9-1S2=8 dS/m

S1=3 dS/m

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A) The dominance model. Inbred parents 1 and 2 carry slightly deleterious homozygous alleles (a and c in parent 1; b in parent 2). B) The overdominance model. The homozygous alleles at the b locus are different between the inbred parent 1 (BB) and 2 (B′B′).

When brought together in the F1 hybrid, allele B and B′ can interact to cause a superior phenotype C) The pseudooverdominance model. The superior phenotype in the F1 hybrid can be attributed to a small chromosomal region,

which contains two or more different loci (e.g., a and b) that are linked in repulsion phase. The presence of superior alleles A and B in the hybrid leads to a better phenotype due to complementation, giving the impression of overdominance.

Unraveling the genetic basis of hybrid vigorBirchler et al., 2006. PNAS 103(35): 12957‐12958


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Fu et al.; J Appl Genetics (2015) 56:1–13


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The dominance hypothesis suggests that dominant alleles arefavored over recessive alleles for the growth and developmentof individuals. Thus in a cross between diverse parents, adesirable dominant allele from one parent represses theundesirable (deleterious) recessive allele from another parent.The complementation or accumulation of dominant alleles fromparent lines results in the superiority of hybrids. The dominancehypothesis was first proposed byDavenport (1908), and thendeveloped further by Bruce (1910) and Jones (1917).

Dominance was considered as the major genetic basis ofheterosis in rice (Oryza sativa L.) as revealed by QTL analysisusing molecular markers (Xiao et al. 1995). However, there aresome inconsistencies with the dominance hypothesis. Firstly, itwould be expected that advantageous dominantalleles shouldalways be selected for in populations, however not all recessivealleles are detrimental and some contribute to importantagronomic traits.

Una de estas hipótesis, la de la dominancia, proponeque las líneas puras son homocigóticas para alelosrecesivos y ligeramente deletéreos de muchos genesque modulan el crecimiento, que son suprimidos(complementados) en el híbrido por loscorrespondientes dominantes.

Dominancia

JL Micol, 2016


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The overdominance hypothesis (Crow 1948; Hull 1945)postulates that heterozygosity is more advantageous than thehomozygous state. This suggests that interaction betweendifferent alleles in the F1 generation surpasses the effect ofhomozygous genotypes in the inbred parents. Where both allelesare expressed, this may correspond to protein variants that eachoffer slightly different activities and improved environmentaladaptability. This type of interaction is evidenced by simultaneousdetection of both parental variants in transcriptional andproteomic profiling of the F1 hybrid.

Sobredominancia

The overdominance effect has been suggested to be important for heterosis in maize (Stuber et al. 1992), rice (Li et al.2001; Luo et al. 2001; Jiang et al. 2014), and tomato (Semel et al. 2006). Gene-specific evidence for the overdominancehypothesis was demonstrated through the cloning of the flowering gene SINGLE FLOWER TRUSS (SFT) in tomato,required to synthesize the flowering hormone florigen. SFT shows significantly improved fruit yield in the heterozygousstate via dosage-dependent suppression of growth termination regulated by the SELF PRUNING (SP) gene (Krieger etal. 2010). Further study found that SFT contributed to tomato yield heterosis by fine-tuning shoot architecture (Jiang etal. 2013). However, there are two problems with this hypothesis.

JL Micol, 2016

Existen, no obstante, algunos casos de heterosismonogénica o ventaja del heterocigoto queconstituyen un ejemplo de sobredominancia defácil explicación; este es el caso de ciertosheterocigotos para el gen de la deshidrogenasadel alcohol rinden péptidos que forman unheterodímero más estable que cualquiera de losdos homodímeros7.


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Pseudo-overdominance results from the tight linkage between loci, with preferential dominant alleles in repulsion (Jones 1917). Pseudo-overdominance can complicate the analysis of the genetic effect of a heterotic QTL. For example, one QTL that showed pseudo-overdominance (Stuber et al. 1992) was later identified to be the result of two linked loci that each showed dominance (Graham et al. 1997). Schon et al. (2010) reanalyzed and summarized the results of previous studies (Frascaroli et al. 2007; Lu et al. 2003; Stuber et al. 1992), and concluded that pseudo-overdominance was a major cause of heterosis in maize, which was later validated by Lariepe et al. (2012). Multiparental QTL mapping can be used to simultaneously reveal multiple allelic interactions, which has been applied to detect pseudo-overdominance in maize (Lariepe et al. 2012), and to identify intra-locus interactions mediating heterosis in a diallel population of Sorghum bicolor (Ben-Israel et al. 2012).

Pseudo‐sobredominancia


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Epistasis (Powers 1944; Williams 1959) refers to the interaction between favorable alleles at differentparentally-derived loci. For any one locus, the exerted effect may be additive, dominant oroverdominant. Hence, the combination of interactions for any two loci may follow one of threepatterns:

additive × additive, additive × dominant, dominant × dominant.

Epistasis has been detected in Arabidopsis thaliana (Juenger et al. 2005; Malmberg et al. 2005) as well as crop species including rapeseed (Brassica napus L.) (Radoev et al. 2008) and rice (He et al. 2010b). He et al. (2010b) considered that heterosis in rice could be attributed to an additive ×additive interaction, although it is likely that different epistatic interactions play a combinatorial role in rice heterosis (Yu et al. 1997)

Epistasis


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More likely, the three classical hypothesis of heterosis(dominance, overdominance, and epistasis) may combinatoriallyregulate heterotic gain depending on the species, hybridcombination, mode of reproduction, trait of interest, and theagro-environmental conditions. Therefore, we suggest thatheterosis originates from the combination of different geneticeffects which include partial dominance, complete dominance,overdominance, and epistasis effects. For example, the strongheterosis between indica and japonica rice subspecies is causedby bothdominance and overdominance effects (Abdelkhalik et al.2005). Furthermore, both single-locus effects and two-locusinteractions between dominant alleles have been suggested toexplain the mechanism of heterosis in intervarietal and intraandinter-subspecies crossings of rice (Hua et al. 2003; Li et al.2008) and in maize F1 hybrid (Swanson-Wagner et al. 2006).Heterosis for plant height in rice was also attributed to thecombined effects of dominance and epistasis (Shen et al. 2014).

Hipótesis holísticas

Considerados en conjunto, los numerosos estudiosrealizados hasta ahora indican que ni ladominancia ni la sobredominancia (ni otrashipótesis como las de la epistasia y lapseudodominancia), explican por sí solas laheterosis, que parece más bien deberse a distintosfenómenos, que se combinan de modos diversosen diferentes cruzamientos entre líneas puras,especies cultivadas y rasgos de interés económico.Algunos autores incluso han llegado a proponerque se abandonen la terminología y las hipótesisclásicas con las que se ha intentado sin éxitoexplicar formalmente la heterosis

JL Micol, 2016


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The genomic variation induced upon hybridization isoften associated with epigenetic modificationsincluding DNA methylation (Parisod et al. 2009), histoneacetylation (Tanabata et al. 2010), chromatin structuremodification (Moghaddam et al. 2007), or regulation bysmall RNAs (Groszmann et al. 2011a; Xing et al. 2010;Chen 2010). In a study by He et el. (2010a), a highlysignificant correlation between differential transcriptionand allelic bias of epigenetic modifications was notedbetween reciprocal hybrids of rice subspecies and theparent lines. Histone modifications were also associatedwith transcriptomic divergence between maize parentsand their reciprocal hybrids (He et al. 2013).

Se está investigando también la heterosis desde unaperspectiva epigenética. Se han constatado en laplanta modelo Arabidopsis incrementos en losniveles de metilación del genoma de híbridosintraespecíficos con respecto a sus progenitores, asícomo en los niveles de pequeños ARN interferentes,algunos de los cuales participan en la metilación delADN dirigida por ARN

Epigenética y heterosis

JL Micol, 2016


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In addition to affecting methylation state, classes of small RNAs, including microRNAs (miRNAs) and small interfering RNAs (siRNAs), are intricately involved in the epigenetic regulation of transcription. Small RNAs generally originate from non-coding regions, primarily corresponding to transposons and tandem repeat sequences, 5′ untranslated regions (UTR), and introns. In wide hybridization, divergent maternal and paternal siRNAs in the F1 hybrids are thought to contribute to genomic instability and embryo abortion by mediatingactivation of transposable elements and TE-associated genes(Ng et al. 2012; Lu et al. 2011; Kenan-Eichler et al. 2011).

Small RNAs and heterosis


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Heterozygosity for tomato loss‐of‐function alleles of SINGLE FLOWERTRUSS (SFT), which is the genetic originator of the flowering hormoneflorigen, increases yield by up to 60%. Yield overdominance from SFTheterozygosity is robust, occurring in distinct genetic backgrounds andenvironments. Several traits integrate pleiotropically to drive heterosis ina multiplicative manner, and these effects derive from a suppression ofgrowth termination mediated by SELF PRUNING (SP), an antagonist ofSFT. Our findings provide the first example of a single overdominant genefor yield and suggest that single heterozygous mutations may improveproductivity in other agricultural organisms.


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Interactions and 95,0 Percent LSD Intervals

Linea

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s (º

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ProductorGuadalfeoMurgiverdePerichán

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Interactions and 95,0 Percent LSD Intervals

LineaPro

ducc

ion

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kg/p

lant

a)

ProductorGuadalfeoMurgiverdPerichán

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Jornada tomate verano 2016 en Estación Exp. Cajamar


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AU 1200 x RAF EELM


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El Tomate Pera de Girona, con Denominaciónde Origen, es una de las variedades tradicionalescatalanas de tomate procedente de las huertos delEmpordà. Su origen se sitúa en Olot. Es carnoso depiel fina, ideal para ser consumido en fresco. Escompacto y sin simientes. Es una variedad delicadaque necesita muchos y continuos cuidados . Su bajaacidez, unida a su dulzor lo hacen ideal, una vezmaduro, para la elaboración de salsas y conservas.También se consume fresco en ensaladas e inclusose cocina a la brasa.El Costoluto Genoveso es un clásico entre lostomates de huerta italianos. Se remonta al sigloXIX. Es un fruto de estilo acostillado de color rojointenso, con piel muy gruesa y sabor muy dulce. Suconsume tanto fresco como en conserva, y es muyutilizado en salsas. Es muy apreciado por loscocineros.El Tomate Monterosa, un hibrido entre eltomate Pera de Girona y Costoluto Genoveso, depiel fina, sabor dulce y tradicional con un equilibrioperfecto entre acidez y dulzor. Posee intensidadaromática herbácea y es carnoso y su pulpa escremosa. A pesar de su piel fina, tiene una largaconservación sin detrimento de ninguna de suscaracterísticas organolépticas. Su aspecto esinconfundible pro su presencia voluptuosa, perotradicional, y su característico color rosa brillante.

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AU 1200 x Costoluto Genovese

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AU 1200 x Cuor di bue


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LINEAS ENVIADAS AL REGISTRO EN 2013

UMH 1415 UMH 1422

UMH 1093 UMH 1127 UMH 1139

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LINEAS ENVIADAS AL REGISTRO EN 2014

UMH 1353 UMH 1354

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