Agronomic and genomic characterization of selections obtained from an olive breeding program for verticillium wilt resistance

Abstract

In the last decades olive growing has undergone great changes focused on increasing the profitability as well as reducing the olive crop management costs. These changes have mainly consisted of the intensification of the traditional olive orchards and the expansion of the cultivated area all around the world. Additionally, the scientific advances about the healthy properties of olive oil compounds have led to an increase in the worldwide demand and the interest in high quality extra virgin olive oils (EVOOs). Nonetheless, certain drawbacks aroused, such as the emergence or spread of diseases as verticillium wilt (VWO) and the lack of cultivars suitable for intensive plantations or mechanized harvesting. On the basis of that, one of the main objective of the olive breeding program developed at the Andalusian Institute of Agricultural and Fisheries Research and Training (IFAPA) center 'Alameda del Obispo' is to obtain new bred cultivars combining high resistance to VWO and improved agronomic characteristics and oil quality. In this sense, a set of genotypes potentially resistant and highly productive has been preselected in previous stages of the breeding program. However, long-term experimentation and comparative field trials are necessary before the final selection. The objective of this work consisted in evaluating 20 preselections against the defoliant pathotype of Verticillium dahliae under semi-controlled conditions. For this assessment an experiment was installed in microplots, in which the selected genotypes were planted both on inoculum-free soil and on soil artificially infested with V. dahliae micro-sclerotia. The results showed discrepancies comparing with the disease response obtained in previous evaluations under controlled conditions, since 11 genotypes out of the total were susceptible. Moreover, all plants growing in infested soils showed a limitation in growth and delayed bearing, regardless of the disease symptoms development. These genotypes were also evaluated in comparative field trials installed in olive farms distributed throughout Jaén province (Andalusia, Spain). V. dahliae was detected in soils of these farms, so the genotypes were re-evaluated for the disease resistance under natural growing environments. Moreover, as a result to them, the three most promising highly resistant genotypes ('IFAPA111-2', 'IFAPA117-117' and 'IFAPA117-120') and 'Picual' cultivar were selected for oil extraction and composition analysis. The first approach consisted of evaluating the variability of 66 chemical compounds, oxidative stability and sensory attributes in EVOO from 4 genotypes grown in 4 locations (Córdoba, Úbeda, Begíjar and Arjona). The statistical analysis accurately predicted the stability of EVOO based on the composition with high positive influence of oleic acid and 3,4- DHPEA-EA. However, cultivar and location showed limited effect on the sensory properties of EVOO, which did not show significant correlation with the chemical composition either. A specific study, was focused on determining the effect of genetic (G) and environmental (E) factors, as well as their interaction (G x E), on EVOO's volatile composition. The genetic factor mainly influenced the volatile profile and the environmental factor affected the total content of volatile compounds, while significant G x E interaction was observed only for C5/LA compounds and esters. Considering the volatile fraction, these breeding selections were differentiated from ‘Picual’ cultivar, so they could be an alternative for olive cultivars and the commercial diversification of EVOOs. Finally, genetic differences were analyzed among 77 genotypes with different VWO resistance response, including cultivars from the World Olive Germplasm Bank of IFAPA, wild olives and related subspecies (cerasiformis and guanchica) from the Wild Olive Collection and progenies from the breeding program of IFAPA. Specifically, 7 genes associated with different VWO response mechanisms were studied to identify DNA polymorphisms. In total, 92 SNPs and 2 InDels have been identified. SNPs detected in the TLP1 gene could be useful to distinguish between subspecies and the deletion in PFN2 gene could be related to the resistance response. These nucleotide differences could contribute to establish a set of markers for the management of olive germplasm collections and assist breeders in the screening processes. As a result of all these agronomic works and resistance characterization, three the new cultivars, which will be suitable for planting in V. dahliae infested areas and whose EVOOs has different characteristics to 'Picual' cultivar, have been sent for registration. Besides, several new trials have been established to evaluate their suitability to different growing conditions. Additional works at molecular level will be also carried out to elucidate the genetic differences involved in resistant or susceptible response to V. dahliae infection in olive tres.

En las últimas décadas la olivicultura ha experimentado grandes cambios dirigidos a incrementar la rentabilidad y a reducir los costes de manejo del cultivo del olivo. Estos cambios han consistido principalmente en la intensificación de los olivares tradicionales y en el aumento de la superficie cultivada en todo el mundo. Además, los avances científicos sobre las propiedades saludables de los compuestos del aceite de oliva han desencadenado un aumento de la demanda mundial y el interés por los aceites de oliva vírgenes extra (AOVEs) de alta calidad. No obstante, han surgido también ciertos inconvenientes, como la aparición o propagación de enfermedades como la Verticilosis (VO) y la falta de variedades adaptadas a plantaciones intensivas o a una recolección mecanizada. En base a lo anterior, el programa de mejora del olivo desarrollado en el Centro 'Alameda del Obispo' del Instituto de Investigación y Formación Agraria y Pesquera de Andalucía (IFAPA) tiene como uno de sus objetivos la obtención de nuevas variedades resistentes a la VO, con características agronómicas mejoradas y adecuada calidad del aceite. En este sentido, como resultado de las etapas previas del programa de mejora, se ha preseleccionado un conjunto de genotipos potencialmente resistentes y altamente productivos, pero es necesaria una evaluación a largo plazo en ensayos comparativos de campo antes de la selección definitiva. Por tanto, el primer objetivo de este trabajo consistió en evaluar 20 preselecciones frente al patotipo defoliante de Verticillium dahliae en condiciones semicontroladas. Para esta evaluación se realizó un experimento en microparcelas, en el que se plantaron los genotipos seleccionados tanto en suelo libre de inóculo como en suelo infestado artificialmente con microesclerocios de V. dahliae. Los resultados mostraron discrepancias en comparación con la respuesta a la enfermedad obtenida en evaluaciones bajo condiciones controladas, ya que 11 genotipos resultaron susceptibles. Además, las plantas que crecieron sobre el suelo infestado mostraron una reducción del crecimiento y un retraso en la entrada en producción, independientemente del desarrollo de síntomas de la enfermedad. Estos genotipos también fueron evaluados en ensayos comparativos instalados en fincas de agricultores distribuidas por la provincia de Jaén (Andalucía, España). Estas fincas estaban infestadas por V. dahliae, por lo que la resistencia a la enfermedad fue reevaluada en condiciones naturales de cultivo. Como resultado de estos ensayos, se seleccionaron tres genotipos por su mayor resistencia a la enfermedad (IFAPA111-2, IFAPA117-117 e IFAPA117- 120), y se ha estudiado la composición de sus aceites y contrastado con la variedad de referencia ‘Picual’. Un primer análisis consistió en evaluar la variabilidad de 66 compuestos químicos, la estabilidad oxidativa y los atributos sensoriales en aceites de 4 genotipos diferentes cultivados en 4 localidades (Córdoba, Úbeda, Begíjar y Arjona). El análisis estadístico aplicado ha revelado la posibilidad de predecir de forma precisa la estabilidad del AOVE en función de su composición, influyendo positivamente el contenido de ácido oleico y 3,4- DHPEA-EA. Por otra parte, para los atributos sensoriales no se ha observado una clara correlación con la composición química del AOVE y, tampoco, un efecto significativo del genotipo o el ambiente de cultivo. El segundo análisis se centró en determinar de forma más específica el efecto de los factores genético (G) y ambiental (A), así como la interacción de ambos (G x A), en la composición volátil de los AOVEs, un tipo de estudio que no se había realizado previamente en olivo. Los resultados revelaron que el factor genético influye principalmente en el perfil volátil y el factor ambiental afecta al contenido total, mientras que el efecto G x A sólo se ha observado en los compuestos C5/LA y ésteres. Atendiendo a la fracción volátil, las selecciones del programa de mejora se diferenciaron de la variedad ‘Picual’, por lo que dichas selecciones podrían ser una alternativa para la diversificación de variedades y ampliar la oferta comercial de los AOVEs. Por último, se llevó a cabo un estudio a nivel genético para analizar polimorfismos entre 77 genotipos con diferente nivel de resistencia a la enfermedad, incluyendo variedades del Banco Mundial de Germoplasma de Olivo de IFAPA, acebuches y subespecies afines (cerasiformis y guanchica) de la Colección de olivo silvestre y progenies del programa de mejora. Concretamente, se han estudiado polimorfismos en fragmentos de 7 genes asociados a diferentes mecanismos de respuesta a la Verticilosis. En total se han identificado 92 SNPs y 2 InDels. Los SNPs detectados en el gen TLP1 podrían ser de utilidad para distinguir entre subespecies y una delección en el gen PFN2 podría estar relacionada con la respuesta de resistencia. Estas diferencias nucleotídicas podrían contribuir al establecimiento de marcadores para la gestión de colecciones de germoplasma y la selección en programas de mejora genética de olivo. Como resultado de todos estos trabajos de caracterización agronómica y de resistencia se ha solicitado el registro de tres nuevas variedades que serán adecuadas para su plantación en zonas donde haya riesgo de incidencia de Verticilosis y con unas características diferenciadas de sus aceites. Estas nuevas variedades continúan su evaluación en la actualidad en diferentes ensayos para comprobar también su adaptación a diferentes condiciones de cultivo. Al igual que se profundizará en los trabajos a nivel molecular, para dilucidar las diferencias genéticas que podrían ser responsables de la resistencia o susceptibilidad en olivo.