El estudio representa una contribución significativa a los esfuerzos actuales de mejoramiento genético del tomate, con el objetivo de contrarrestar la pérdida recurrente de características clave de la calidad del fruto, como el sabor y la resistencia a patógenos.
Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research / 28 de septiembre, 2020.- Las especies de tomates silvestres representan un rico acervo genético de numerosas características deseables perdidas durante su domesticación. Un equipo de investigación internacional, que incluía a científicos del Instituto de Ciencias Weizmann e IPK, explotó una población de introgresión de especies silvestres adaptadas al desierto y un cultivo de tomate domesticado para investigar la transferencia de rasgos de frutas asociados a especies silvestres a nivel genético, regulador y metabólico. Los resultados se han publicado en Nature Genetics.
La domesticación y posterior mejoramiento intensivo del tomate tuvo un gran impacto en la maduración del fruto y en los innumerables procesos metabólicos que la acompañan. Como resultado, los cultivares de tomate modernos exhiben una variedad de características arquetípicas de frutos, que incluyen p. Ej. textura, tamaño, aroma, pigmentación y sabor. Al mismo tiempo, la selección continua a través del mejoramiento resultó en una reducción de la diversidad genética y la eliminación recurrente de cualidades importantes de la fruta, como la robustez de las plantas en situaciones de estrés por sequía o la resistencia a varios patógenos.
En este estudio, los científicos utilizaron recursos genéticos avanzados, junto con perfiles multimodales moleculares y fenotípicos, para realizar un análisis QTL integrador en frutos de tomate. La población de interés incluyó 580 líneas con introgresión desarrolladas en el laboratorio del profesor Dani Zamir de la Universidad Hebrea de Jerusalén. Cada una de estas líneas lleva un pequeño fragmento de tomate silvestre Solanum pennellii en el fondo de un cultivar de tomate moderno M82. El equipo del Prof. Asaph Aharoni del Instituto de Ciencias Weizmann realizó un perfil multimodal de frutas de toda la población, incluida la secuenciación de ARN, metabolómica basada en espectrometría de masas y ensayos de sensibilidad a patógenos en diferentes etapas de desarrollo. El recurso de datos masivo resultante se utilizó en un análisis QTL de varios niveles y permitió al Dr. Jedrzej Jakub Szymanski, jefe del grupo de investigación de «Redes y modelado» en IPK y ex investigador del laboratorio del Prof. Aharoni, establecer vínculos causales entre variación de la secuencia genética, cambios cuantitativos en la expresión génica y niveles de metabolitos, y cambios de rasgos fenotípicos complejos.
De cientos de interacciones identificadas, el equipo eligió varios candidatos interesantes. «Nos centramos en el impacto de los genes de S. pennellii sobre los metabolitos secundarios (especializados) asociados a la nutrición humana y la resistencia del fruto a los patógenos, dos rasgos bioquímicos muy contrastantes en las especies de tomates silvestres y domesticados», dice el Dr. Szymanski. El equipo de investigación identificó y caracterizó un paso enzimático en la vía predicha en la que la α-tomatina, el alcaloide antinutricional y de defensa fundamental presente en los frutos de tomate verde, se convierte en esculeósidos y licoperósidos durante la maduración del fruto.
«Este cambio químico es probablemente importante para reducir el amargor proporcionado por la α-tomatina y/o contrarrestar las necesidades temporales de metabolitos defensivos de la fruta», dice el Dr. Szymanski. Además, se delinearon los loci y genes asociados con la acumulación de flavonoides que promueven la salud en el tejido de la piel de la fruta. Los cambios observados en la expresión génica y el metabolismo, por ejemplo, la acumulación de metabolitos de defensa, también afectaron a fenotipos complejos, como la resistencia a patógenos. «En nuestro estudio, observamos que el aumento de la resistencia de las frutas a un hongo patógeno común, B. cinerea, se reflejaba en múltiples niveles de complejidad celular: variación en la secuencia de genes, expresión de genes, acumulación de metabolitos específicos. La conexión en red de estos elementos revela mecanismos que conducen a cambios en el nivel molecular hasta los efectos macroscópicos relevantes para la supervivencia de las plantas y su valor comercial «, dice el Dr. Szymanski.
El gran conjunto de datos generado en el estudio es un recurso único para la comunidad investigadora. «Si bien pudimos caracterizar en profundidad solo unos pocos genes y metabolitos candidatos, el conjunto de datos se puede extraer potencialmente para decenas, si no cientos, más candidatos y podría integrarse con la gran cantidad de datos fenómicos publicados disponibles para las mismas líneas de introgresión«, dice el Dr. Szymanski.
Explorar la trayectoria de la fruta silvestre a la cultivada es indispensable para una comprensión integral del metabolismo de la fruta y el impacto de la selección humana en los rasgos positivos y negativos de la calidad de la fruta. «Anticipamos que las asociaciones genotipo-fenotipo inferidas a través de este estudio serán una contribución significativa a los esfuerzos actuales de mejoramiento molecular para contrarrestar la eliminación recurrente de rasgos clave de la calidad de la fruta, como el sabor y la resistencia a patógenos».