Estudio de caracteres florales reproductivos y de la dehiscencia de la vaina en leguminosas

Abstract

Las leguminosas desempeñan un papel central en la agricultura y contribuyen a una producción más sostenible al romper ciclos de enfermedades y plagas y reducir la dependencia de fertilizantes químicos, gracias a su capacidad única de fijar el nitrógeno atmosférico. Dentro de este grupo encontramos cultivos tradicionales como guisante, judía, lenteja, garbanzo y habas. Éstas últimas son la tercera y quinta leguminosa grano más cultivadas en el mundo, respectivamente. En la búsqueda de mejores características, el ser humano ha ido seleccionando plantas mediante la mejora convencional, un proceso largo y costoso. Actualmente el desarrollo de potentes herramientas genómicas permite buscar e identificar genes implicados en el control de caracteres de interés para su uso en mejora asistida por marcadores (en inglés, MAS). En los capítulos I y II se ha realizado un exhaustivo estudio fenotípico de la dehiscencia de la vaina en garbanzos y habas. Empleamos la estrategia de genes candidatos de especies modelo y leguminosas relacionadas para identificar ortólogos y saturar los mapas genéticos de ambas especies. Finalmente, los datos fenotípicos obtenidos se emplearon para realizar un análisis de QTLs que reveló la herencia poligénica o cuantitativa del carácter y su localización en los respectivos cromosomas. Ambos trabajos fueron pioneros, mostrando la conservación de genes entre distintas leguminosas y apuntando hacia mecanismos y rutas homólogas en el control de la dehiscencia. Los análisis histológicos evidenciaron una mayor complejidad en el patrón de lignificación de las vainas de habas. En el capítulo III, aplicamos la estrategia de genes candidatos para identificar QTLs y genes ortólogos reguladores de la fecha de floración en habas. Se trata de un carácter de gran interés ya que permite optimizar el rendimiento de un cultivo evitando la exposición a estreses. Se han detectado varios QTLs sinténicos con otras leguminosas, mostrando el alto grado de conservación de la ruta reguladora del carácter, siendo el más importante el situado en el cromosoma V, donde se agrupan distintos genes implicados en la floración. Los resultados apuntan, además, a una posible regulación epigenética del carácter. Por último, en el capítulo IV, se ha realizado un meticuloso estudio de la genética del carácter autofertilidad, importante para el éxito reproductivo de un cultivo dado el descenso de polinizadores por el uso abusivo de insecticidas o la falta de sincronía en las visitas por el calentamiento global. Este carácter se define como la capacidad de las flores para autofecundarse en ausencia de polinizadores o de una perturbación mecánica. En nuestro estudio se ha diseccionado el carácter en diferentes características de la flor y el polen, asociados al cuajado de vainas y semillas. Los resultados mostraron diferencias en las medidas morfológicas y de cantidad de polen entre los parentales utilizados y una clara asociación de la cantidad de polen viable y el ángulo estilo-ovario con la autofertilidad. Del mismo modo, se encontró un gran número de QTLs co-localizando en seis regiones genómicas, las cuales se encuentran flanqueadas por genes funcionalmente relacionados con las medidas de cantidad de polen y cuajado de vainas y semillas.

Legumes play a central role in agriculture and contribute to a more sustainable production by reducing dependence on chemical fertilizers, thanks to their unique ability to fix atmospheric nitrogen and breaking cycles of diseases and pests. Within this group we find traditional crops such as peas, beans, lentils, chickpeas and beans. The latter two are the third and fifth most cultivated grain legumes in the world. Looking for better characteristics, humans have been selecting plants through conventional improvement, a long and expensive process. Currently, the development of powerful genomic tools makes it possible to search for genes involved in the control of traits of interest and use them in markerassisted improvement (MAS) approaches. Chapters I and II describe an exhaustive phenotypic study of pod dehiscence in chickpeas and faba bean. We used the candidate gene strategy from model and related legume species to identify orthologs and saturate the genetic maps in both crops. Finally, the phenotypic data obtained were used to perform a QTL analysis that revealed the polygenic or quantitative inheritance of the trait and the QTLs location on their respective chromosomes. These pioneering studies revealed the conservation of genes between different legumes and pointed towards homologous mechanisms and routes in the control of the dehiscence. The histological analysis showed a more complex pattern in the lignification of the faba bean pods similar to Brassica species and contrary to bean and soybean. In Chapter III, we apply the candidate gene strategy to identify QTLs and orthologous genes underlying flowering date in faba beans. It is a character of great interest since it allows optimizing the yield of a crop, avoiding the exposure to possible stresses. Several QTLs syntenic with other legume crops were detected, showing the high degree of conservation of the genetic regulatory pathway in this trait. The most important QTL was located on chromosome V, where different genes involved in flowering are grouped. The results also point to a possible epigenetic regulation of the character. Finally, in chapter IV, a meticulous study of the genetics of self-fertility was carried out. Selffertility is a key trait for the reproductive success of a crop given the decrease in pollinators for the abusive use of insecticides or the lack of synchrony with the insect visits due to global warming. This character is defined as the ability of flowers to self-pollinate in the absence of pollinators or mechanical disturbance. In our study, the character has been dissected into different flower and pollen characteristics associated with the set of pods and seeds. The results showed differences in the morphological and pollen quantity measurements between the parents and a clear association of the amount of viable pollen and the style-ovary angle with self-fertility. Similarly, a large number of QTLs were found co-locating in six genomic regions. All these QTLs were flanked by genes functionally related to measurements of pollen quantity and pod and seed set.