Development of strategies to modify the profile of carotenoids and their esters in wheat and tritordeum

Abstract

Carotenoids are lipophilic isoprenoid pigments synthesised by photosynthetic and some non-photosynthetic organisms with important functions in plants and animals. In plants, they are essential components of the photosynthetic apparatus, forming pigment-protein complexes and protecting against excess light energy or oxidative damage. They are also precursors of some phytohormones such as abscisic acid. Carotenoids are considered essential nutrients for humans and animals because they are unable to synthesise them and must therefore be incorporated from the food. Consumption of a diet rich in carotenoids has been associated with a reduced risk of suffering certain types of chronic diseases, cancer and age-related macular degeneration. Furthermore, some carotenoids, such as β-carotene and -carotene, have vitamin A activity. This has encouraged the development of biofortification programmes to increase the β-carotene content of many crops to alleviate vitamin A deficiency (VAD), a major cause of malnutrition worldwide. Carotenoids are responsible for the yellow pigment content (YPC) in cereals. Grain color is an important quality trait in durum wheat and common wheat breeding programmes, but with different objectives. High YPC is a major target in durum wheat breeding programmes because consumers usually prefer a bright yellow colour for pasta and couscous. In contrast, bread wheat has traditionally been selected for white flour for bread making. Tritordeum, the amphiploid derived from the cross between H. chilense and durum wheat, has a remarkable high carotenoid content, providing a characteristic Golden colour to its derived products, which is an outstanding commercial feature of this cereal. The importance of YPC, which has a high heritability, has encouraged the development of many genetic studies to identify of quantitative trait loci (QTL) and marker-trait associations (MTAs). The main QTL for YPC has been located on the homoeologous group 7 in Triticeae species, but there are many other QTLs and MTAs on almost all chromosomes. Lutein is the most abundant carotenoid in the endosperm of Triticeae species and can be found in its free form or esterified with fatty acids to form monoesters or diesters. Esterification is a common mechanism for carotenoid sequestration and accumulation in plants and animals. Esterified carotenoids are more stable than non-esterified carotenoids, preserving their antioxidant activity. Catabolic loss of carotenoids in cereals is mostly due to their inherent industrial processing and storage. For this reason, carotenoid esterification could be incorporated as a trait in breeding programmes to increase the carotenoid content of cereal grains and improve carotenoid retention throughout the food chain. However, the genetic mechanism of esterification is poorly understood, especially in cereals, and there is a need to expand this knowledge. In this thesis, different strategies and tools are developed to modify the profile of carotenoids and their esters in wheat and tritordeum, offering new opportunities for carotenoid biofortification in breeding programmes.

Los carotenoides son pigmentos isoprenoides lipofílicos sintetizados por organismos fotosintéticos y algunos no fotosintéticos con importantes funciones en plantas y animales. En las plantas, son componentes esenciales del aparato fotosintético, forman complejos pigmento-proteína y protegen contra el exceso de energía luminosa o el daño oxidativo. También son precursores de algunas fitohormonas como el ácido abscísico. Los carotenoides se consideran nutrientes esenciales para los seres humanos y los animales, ya que éstos son incapaces de sintetizarlos y, por tanto, deben incorporarlos a partir de los alimentos. El consumo de una dieta rica en carotenoides se ha relacionado con un menor riesgo de padecer ciertos tipos de enfermedades crónicas, cáncer y degeneración macular asociada a la edad. Además, algunos carotenoides, como el β-caroteno y el α-caroteno, tienen actividad provitamina A. Esto ha impulsado el desarrollo de programas de biofortificación para aumentar el contenido de β-caroteno de muchos cultivos con el fin de paliar la deficiencia de vitamina A, una de las principales causas de malnutrición en todo el mundo. Los carotenoides son los principales responsables del contenido de pigmento amarillo (yellow pigment content, YPC) en los cereales. El color del grano es un rasgo de calidad importante en los programas de mejora de trigo duro y de trigo harinero, pero con objetivos diferentes. Un alto contenido en pigmento amarillo es uno de los principales objetivos de los programas de mejora de trigo duro ya que los consumidores prefieren un color amarillo brillante para la pasta y el cuscús. En cambio, el trigo harinero se ha seleccionado tradicionalmente para obtener harina blanca destinada a la fabricación de pan. El tritórdeo, el anfiploide derivado del cruzamiento entre H. chilense y trigo duro, tiene un alto contenido en carotenoides que proporciona el característico color dorado de sus productos derivados, que es una destacada característica comercial de este cereal. La importancia del YPC, que tiene una alta heredabilidad, ha fomentado el desarrollo de muchos estudios genéticos para identificar loci de rasgos cuantitativos (quantitative trait loci, QTL) y asociaciones marcador-rasgo (marker trait associations, MTA). El principal QTL para el YPC se ha localizado en el grupo homólogo 7 de las especies Triticeae, pero existen muchos otros QTLs y MTAs en casi todos los cromosomas. La luteína es el carotenoide más abundante en el endospermo de las especies de la tribu Triticeae y puede encontrarse en su forma libre o esterificada con ácidos grasos para formar monoésteres o diésteres. La esterificación es un mecanismo común de secuestro y acumulación de carotenoides en plantas y animales. Los carotenoides esterificados son más estables que los no esterificados y conservan su actividad antioxidante. La pérdida catabólica de carotenoides en los cereales ocurre principalmente en el procesado y almacenamiento industrial. Por esta razón, la esterificación de carotenoides podría incorporarse como objetivo en los programas de mejora genética para aumentar el contenido de carotenoides de los granos de cereales y mejorar la retención de carotenoides a lo largo de la cadena alimentaria. Sin embargo, el mecanismo genético de la esterificación es poco conocido, especialmente en cereales, y es necesario profundizar en este conocimiento. En esta tesis se desarrollan diferentes estrategias y herramientas para modificar el perfil de carotenoides y sus ésteres en trigo y tritórdeo, ofreciendo nuevas oportunidades para la biofortificación de carotenoides en programas de mejora genética.