Application of genomic tools to increase peach breeding efficiency

Abstract

[eng] The peach tree ( Prunus persica ) is one of the most important fruit tree species worldwide, being the third most cultivated after apple and pear. Thus, it is one of the genetically best characterized species in the Rosaceae family. However, its low genetic variability poses a challenge for genetic improvement. Nevertheless, it is sexually compatible with other species in the Prunus genus, which allows for enriching the genome with new genetic variability that will help to cope with the new challenges imposed by climate change or new pests and diseases. To address these challenges, implementing innovative strategies that harness the intrinsic variability in the species to introduce new genes from wild or closely related cultivars is essential. These objectives stand as the central core of this thesis. In the first chapter, we investigated the inheritance of various fruit quality traits in an F2 population consisting of 418 individuals derived from the Sweet Dream variety. In this population, we identified QTLs for traits such as fruit weight (FW), fruit soluble solid content (SSC), fruit type (G, nectarine or peach), and the empirically phenotyped fruit aroma and taste. More specifically, we observed a relationship that suggests a pleiotropic effect of fruit type with FW and SSC. As per the fruit color traits, we focused on flesh anthocyanin patterns (RDF and CAS). For RDF, we identified a new QTL in G5, while for CAS we reported a different location of the Cs gene. In the second chapter, we implemented the Marker Assisted Introgression (MAI) strategy to introduce new genetic variability from Prunus davidiana into the peach genetic background. We used the elite variety 'Nectatop' as the recurrent parent and two interspecific hybrids ('Cadaman' and 'Barrier'), commonly used as rootstocks, as donor parents. We conducted a QTL analysis for various agronomic traits of interest in two BC 1 populations generated with each of the donor parents to investigate if any of the desired traits originated from P. davidiana . The most relevant traits for improvement included a new powdery mildew resistance gene, the Vr4 gene, and the detection of QTLs controlling green skin color in peaches and pulp bitterness. The resistance gene Vr4 was validated in a BC 2 population derived from 'Barrier', with 1 to 3 introgressions or P. davidiana in the peach genetic background. A collection of pre introgression Lines (PrILs) was selected from this population. Finally, in the third chapter, we studied the effects of drought by implementing two irrigation regimes using the PeachRefpop, the first multi site collection of peach varieties and cultivars. We evaluated phenology and tree vigor traits, showing a significant effect of the irrigation regime on most of these traits. Only FT and MD showed no difference between irrigation regimes. We were also able to compare two phenotyping methods for the Crop Water Stress Index (CWSI) through thermal imaging. Both manual measurements and a UAV platform were compared, concluding that, for phenotyping a population of this size, the methodology of the remote sensing technology (UAV) is the most accurate, reduces the impact of human error during measurements and is less time consuming.

[cat] El presseguer (Prunus persica) és un dels arbres fruiters més importants a nivell mundial i és el tercer arbre fruiter mes cultivat després del pomer i el perer. El préssec és una de les espècies millor caracteritzades genèticament de la família Rosaceae. No obstant això, la seva baixa variabilitat genètica suposa una limitació per a la seva millora genètica. Malgrat això, és sexualment compatible amb altres espècies del gènere Prunus, la qual cosa permet enriquir el genoma amb la introducció de nous gens d’altres espècies que ajudin afrontar els reptes imposats pel canvi climàtic i la resistència a noves plagues i enfermetats. Per abordar aquests reptes, és fonamental la implementació d’estratègies innovadores que permetin aprofitar al màxim la variabilitat intrínseca de l’espècie i introduir nous gens d’espècies silvestres. Aquests objectius es converteixen en el nucli central d’aquesta tesi. En el primer capítol, vam investigar la herència de diverses característiques de qualitat del fruit en una població F2 composta per 418 individus derivats de la varietat Sweet Dream. En aquesta població, vam identificar QTLs per a característiques com la data de maduració, el pes del fruit, el contingut de sucre del fruit, el tipus de fruita (nectarina o préssec) i el color de la polpa, així com de l’aroma i el gust del fruita fenotipats empíricament. En el segon capítol, vam implementar l'estratègia d'Introgressió Assistida per Marcadors (MAI) per introduir nova variabilitat genètica de Prunus davidiana en el fons genètic del préssec. Vam fer servir la varietat d'elit 'Nectatop' com a progenitor recurrent i dos híbrids interespecífics ('Cadaman' i 'Barrier'), utilitzats com a patró, com a progenitors donants. Vam realitzar un anàlisi de QTLs per a diverses característiques agronòmiques d'interès en dues poblacions BC1 generades amb cadascun dels progenitors donants per investigar si alguna de les característiques desitjades procedia de P. davidiana. Les característiques més rellevants per a la millora van incloure un nou gen de resistència a l'oïdi, el gen Vr4, i la detecció de QTLs que controlen el color verd de la pell del fruit i l'amargor de la polpa. El gen de resistència Vr4 es va validar en una població BC2 derivada de 'Barrier', amb 1 a 3 introgresions de P. davidiana, en la qual es va seleccionar una col·lecció de Línies Pre-Introgressió (PrILs). Finalment, en el tercer capítol, vam estudiar els efectes de la sequera mitjançant la implementació de dos règims d'irrigació utilitzant el PeachRefpop, la primera col·lecció de varietats de préssec que representa la variabilitat genètica de la especie i que replicada en tres països europeus. Vam tenir en compte la fenologia i les característiques de vigor de l'arbre i vam ser capaços de comparar dues metodologies de fenotipat per a l'Índex d'Estrès Hídric del Conreu (CWSI), utilitzant mesures manuals i una plataforma UAV. Vam concloure que per al fenotipat d'una població d'aquesta mida, la metodologia de la tecnologia de sensor remot (UAV) és la més precisa en termes de temps i errors humans.