Genetic and molecular control of monoecy stability, fruit set and fruit quality in watermelon

Abstract

Resumen Citrullus lanatus y otras especies de la familia Cucurbitaceae han evolucionado hacia el desarrollo de flores unisexuales femeninas y masculinas a partir de especies con flores hermafroditas. La distribución y ocurrencia de flores femeninas, masculinas, bisexuales y hermafroditas a lo largo de los tallos principales y secundarios definen tres morfotipos sexuales en sandía: monoecia (la planta produce flores masculinas y femeninas), andromonoecia (la planta produce flores masculinas y hermafroditas), y andromonoecia parcial (la planta produce flores masculinas, femeninas, bisexuales y hermafroditas). El objetivo principal de esta tesis doctoral ha sido estudiar el control genético y molecular de la monoecia y la andromonoecia total y parcial en sandía. Para estudiar el control genético de la andromonoecia completa se realizó un análisis de segregación de tres poblaciones F2 independientes procedentes del cruce entre tres líneas monoicas y una línea andromonoica. Se ha demostrado que la andromonoecia está controlada por un solo gen con dos alelos, M que confieren monoecia, y m que confiere andromonoecia. El alelo M es semi-dominante con respecto al alelo m, pues las plantas heterocigotas (Mm) tienen un fenotipo parcialmente andromonoico y no solo producen flores femeninas sino también flores bisexuales y hermafroditas. En otras especies de cucurbitáceas, la andromonoecia está causada por mutaciones de falta de función en los genes de biosíntesis de etileno CmACS7, CsACS2 y CpACS27A de melón, pepino y calabacín, respectivamente. En sandía hemos clonado y caracterizado el gen homólogo CitACS4, que codifica para una enzima ACS tipo III que se expresa predominantemente en flores pistiladas. En la línea andromonoica detectamos una mutación sin sentido en un residuo altamente conservado de CitACS4 (C364W) que cosegrega con el fenotipo andromonoico en las tres poblaciones F2 estudiadas. Estos datos indican que CitACS4 debe estar involucrado en la biosíntesis de etileno requerida para la inhibición del crecimiento del estambre durante el desarrollo de las flores femeninas. La mutación C364W reduce la producción de etileno en los botones florales pistilados, promoviendo la conversión de las flores femeninas en flores hermafroditas, por lo tanto, de monoecia (genotipo MM) en andromonoecia parcial (genotipo Mm) o andromonoecia (genotipo mm). De forma paralela hemos estudiado si el gen CitACS4 podría también estar involucrado en otros caracteres regulados por etileno durante el desarrollo de flores y frutos, incluyendo la transición de la floración pistilada, el número de flores femeninas por planta, el desarrollo de los órganos florales, y el cuajado y desarrollo de frutos y semillas. Para ello, estos caracteres se han fenotipado en las tres poblaciones segregantes para los dos alelos del gen CitACS4 (M, monoico; m, andromonoico). El alelo m del gen CitACS4, además de conferir el tipo sexual andromonoico, cosegregaba con una transición floral más temprana, un aumento del porcentaje de flores pistiladas por planta, una reducción del crecimiento y maduración de los carpelos y pétalos, así como con un retraso de la maduración y apertura de las flores pistiladas. Se encontró que el alelo de la andromonoecia estaba también asociado con una reducción del cuajado de frutos y semillas, y que esa falta de cuajado no estaba causada por una deficiencia en la polinización. El gen CitACS4 también afectó las tasas de crecimiento longitudinal y transversal del ovario y fruto, lo que significa que los frutos de plantas andromonoicas (mm) eran más redondos que las de las plantas monoicas (MM). En su conjunto, todos estos datos demostraban que el locus definido por la biosíntesis de etileno y el gen determinante del sexo CitACS4 actúa como un regulador pleiotrópico del desarrollo completo de la flor pistilada y el desarrollo temprano del fruto. En la última parte de este trabajo de tesis, se realizó un estudio de la andromonoecia parcial en sandía. Se ha fenotipado y genotipado (para el locus M/m) un panel de 207 accesiones de Citrullus lanatus de todas partes del mundo, incluyendo entre ellas cinco líneas puras e híbridos comerciales. Encontramos varias accesiones que a pesar de ser MM tenían un fenotipo parcialmente andromonoico en varios lugares y años diferentes. Un análisis de cosegregación entre una variante alélica de CitACS4 y el fenotipo parcialmente andromonoico, demostró que la aparición de flores bisexuales y hermafroditas en una línea parcialmente andromonoica de sandía no dependía de CitACS4, sino que estaba conferida por un gen recesivo no ligado al que hemos llamado pa. Se llevaron a cabo dos estrategias diferentes para mapear el gen pa en el genoma de C. lanatus: la secuenciación masiva de bulks segregantes (BSA-seq) y el estudio de asociación del genoma completo (GWAS). El estudio BSA-seq se realizó utilizando el ADN de dos grupos contrastantes de una población F2, el grupo monoico M y el grupo parcialmente andromonoico PA, cada uno generado a partir de ADN de 20 plantas F2 monoicas o parcialmente andromonoicas, respectivamente. Los análisis de GWAS se realizaron con datos de genotipado por secuenciación GBS en 122 accesiones procedentes del USDA. La combinación de las dos estrategias indicaba que el locus pa mapea en una región genómica que se expande entre 32.24-36.44 Mb en el cromosoma 1 de sandía. El mapeo fino redujo el locus pa a una región genómica de 867 Kb que contiene 101 genes. Finalmente, se seleccionaron varios genes candidatos, por su función en la biosíntesis y la señalización de etileno, así como en el desarrollo de las flores y la determinación del sexo, pero también por el impacto de las mutaciones detectadas entre los dos grupos de ADN secuenciados. Summary As in other species of the Cucurbitaceae family, the different sex morphotypes of Citrullus lanatus can be differentiated according to the distribution and occurrence of male, female, bisexual and hermaphrodite flowers on the main and secondary shoots. Depending on the distribution of the four types of flowers, the plants can be monoecious (producing male and female flowers), andromonoecious (producing male and hermaphrodite flowers), or partially andromonoecious (producing male, female, bisexual and hermaphrodite flowers) within the same plant. The main objective of this thesis is to analyze the genetic and molecular control of monoecy, andromonoecy and partial andromonoecy in watermelon. To study the genetic control of andromonoecy, a segregation analysis of three independent F2 populations derived from the crosses between three monoecious lines and one andromonoecious line was performed. It has been demonstrated that the andromonoecious trait is controlled by a single gene with two alleles, the monoecious M allele, and the andromonoecious m allele. The M allele is semidominant respect to m, in such a way that the heterozygous Mm genotype is partially andromonoecious. In other cucurbit species andromonoecy is conferred by mutations in the ethylene biosynthesis genes CmACS7, CsACS2 and CpACS27A in melon, cucumber, and squash, respectively. The gene with the highest homology in watermelon is CitACS4, which encodes for an ACS type III enzyme that is predominantly expressed in pistillate flowers. In the andromonoecious line, we detected a missense mutation in a very conserved residue of CitACS4 (C364W) that cosegregated with the andromonoecious phenotype in three independent F2 populations. These data indicated that CitACS4 is likely to be involved in the ethylene biosynthesis required for stamen arrest during the development of female flowers. The C364W mutation would reduce the production of ethylene in pistillate floral buds, promoting the conversion of female into hermaphrodite flowers, and therefore of monoecy (genotype MM) into partial andromonoecy (genotype Mm) and andromonoecy (genotype mm). In parallel we have studied whether the CitACS4 gene could be also involved in other ethylene-regulated traits during flower and fruit development, including pistillate flowering transition and the number of female flowers per plant, the development of floral organs other than stamens, as well as fruit and seed set, and fruit development. A linkage analysis approach was performed in three independent F2 populations segregating for the two alleles of the gene (M, monoecious; m, andromonoecious), and the different traits under study. The CitACS4 m allele not only co-segregated with andromonoecy, but also with earlier pistillate transition, an increased number of pistillate flowers per plant, and a slower growth and maturation of petals and carpels, which delayed anthesis time in hermaphrodite flowers. The m allele was also found to be linked to a reduced fruit set, which was not caused by a deficiency in pollination or fertilization. The gene also affected the longitudinal and transverse growth rates of the ovary and fruit, which means that fruits from andromonoecious plants (mm) were rounder than those from monoecious (MM) ones. Taken together, these data indicate that the locus defined by the ethylene biosynthesis and sex determining gene CitACS4 acts as a pleiotropic regulator of the complete development of the pistillate flower and the earlier development of the fruit. In the last part of this thesis we have performed genetic and molecular analysis of the partially andromonoecious phenotypes of watermelon. We phenotyped and genotyped, for the M/m locus, a panel of 207 Citrullus lanatus accessions from all parts of the world, including 5 inbreds and hybrids, and found several accessions that were repeatedly phenotyped as partially andromonoecious in several locations and different years, despite being MM. A cosegregation analysis between a SNV in CitACS4 and the partially andromonoecious phenotype, demonstrated that the occurrence of bisexual and hermaphrodite flowers in a partially andromonoecious line is not dependent on CitACS4, but conferred by an unlinked recessive gene which we called pa. Two different strategies were performed to map the pa gene in the genome of Citrullus lanatus: bulk segregant analysis sequencing (BSA-seq) and genome wide association analysis studies (GWAS). The BSA-seq study was performed using two contrasting bulks, the monoecious M-bulk and the partially andromonoecious PA-bulk, each one generated by pooling DNA from 20 F2 plants possessing the most contrasting phenotypes for monoecy and PA, respectively. For GWAS, 122 accessions from USDA gene bank, already re-sequenced through genotyping by sequencing (GBS), were used. The combination of the two strategies indicates that pa maps onto a genomic region expanding across 32.24-36.44 Mb in chromosome 1 of watermelon. Fine mapping narrowed down the pa locus to a 867 Kb genomic region containing 101 genes. Finally, several candidate genes were selected, for their function in ethylene biosynthesis and signaling, as well as in flower development and sex determination, but also by the impact of the SNPs and indels differentially detected in the two sequenced bulks.