Characterization and Enhancement of Genetic Resources for the Improvement of Nutritional and Organoleptic Quality in Solanaceae Vegetable Crops

Tesis por compendio[ES] En la presente tesis doctoral nos hemos centrado en estudiar la variabilidad y aportar nuevos recursos útiles para la mejora de la calidad nutricional y organoléptica de los frutos de tomate, berenjena y pimiento, adaptando los cultivos a menores aportes de nitrógeno (N). Para lograr este propósito, llevamos a cabo una caracterización exhaustiva de la composición de los frutos, junto con importantes rasgos agronómicos, de un conjunto de recursos genéticos escasamente explorados hasta la fecha. En el primer capítulo de esta tesis, se llevó a cabo una caracterización exhaustiva de 36 compuestos y parámetros de composición del fruto, que incluían azúcares, ácidos orgánicos, antioxidantes y minerales, en un conjunto de 10 accesiones por cultivo de tomate, pimiento y berenjena, cultivados en las mismas condiciones y prácticas ecológicas. Los resultados mostraron un perfil de composición considerablemente distinto entre las tres especies, principalmente en el perfil antioxidante. Además, se encontró una gran variabilidad dentro de cada especie, lo cual es de interés para la selección de variedades con mejores perfiles nutricionales y organolépticos. En el segundo capítulo de esta tesis, se abordó la caracterización de un conjunto de líneas de introgresión (ILs) de berenjena con Solanum incanum L. como parental donante. El uso de las ILs en la mejora de la berenjena requiere asegurar que los niveles de glicoalcaloides del fruto están por debajo de los límites de seguridad. En un ensayo en dos ambientes, evaluamos 25 rasgos de composición del fruto, incluyendo composición proximal, azúcares, ácidos, compuestos fenólicos, glicoalcaloides y minerales en un conjunto de 16 ILs de berenjena con S. incanum, junto con los padres recurrente y donante, y el híbrido. Los resultados mostraron que los frutos producidos por las ILs eran seguros para el consumo, con una composición similar a la del parental recurrente. También evaluamos un conjunto de 10 de estas ILs, junto con el parental recurrente S. melongena, bajo dos dosis de fertilización de N suministradas con el sistema de riego (8.25 mM de NH4NO3 añadido al agua de riego, y ningún suministro de N externo al agua de riego). Aunque se produjo una limitación significativa en el crecimiento de la planta, en la distribución de N y C, en la carga de frutos y en la materia seca como respuesta a la minimización de los aportes de N, las ILs alcanzaron, en promedio, rendimientos finales similares bajo ambos tratamientos de N, así como produjeron frutos con similar morfología, peso y contenido en compuestos fenólicos. Estos resultados potencian las ILs como materiales de mejora útiles para la adaptación de la berenjena a bajos aportes de N. Gracias a la disponibilidad del genotipado de las ILs de berenjena, las investigaciones realizadas con esta población permitieron identificar varios QTLs asociados a caracteres morfo-agronómicos y de composición del fruto, lo que proporciona nueva información relevante para ampliar el conocimiento genético de la berenjena. En el último capítulo se presenta la primera evaluación de parámetros de calidad de fruto y rendimiento de una colección de 44 variedades del tomate resiliente 'de penjar' bajo dos niveles de fertilización de N (162 kg N ha-1 y 49 kg N ha-1). Se observó una gran variación. La reducción de los aportes de N tuvo un efecto significativo en el hue, cuya media aumentó ligeramente, y en los compuestos y parámetros relacionados con el dulzor, cuya media disminuyó en un 11-16%, mientras que el rendimiento y la mayoría de los rasgos de calidad no se vieron afectados. Estos son resultados prometedores que promueven la conservación del tomate 'de penjar' y a su utilización en programas de mejora. En definitiva, creemos que estos trabajos proporcionarán nuevos recursos fenómicos y genómicos útiles para futuros programas de mejora de las hortalizas de la familia Solanaceae.[CAT] En la present tesi doctoral ens hem centrat en estudiar la variabilitat i aportar nous recursos útils per a la millora de la qualitat nutricional i organolèptica dels fruits de tomaca, albergínia i pimentó, adaptant els cultius a menors aportacions de nitrogen (N). Per a aconseguir aquest propòsit, duem a terme una caracterització exhaustiva de la composició dels fruits, juntament amb importants trets agronòmics, d'un conjunt de recursos genètics escassament explorats fins hui. En el primer capítol d'aquesta tesi, es va dur a terme una caracterització exhaustiva de 36 compostos i paràmetres de composició del fruit, que incloïen sucres, àcids orgànics, antioxidants i minerals, en un conjunt de 10 accessions per cultiu de tomaca, pimentó i albergínia, cultivats en les mateixes condicions i pràctiques ecològiques. Els resultats van mostrar un perfil de composició considerablement diferent entre les tres espècies, principalment en el perfil antioxidant. A més, es va trobar una gran variabilitat dins de cada espècie, la qual cosa és d'interés per a la selecció de varietats amb millors perfils nutricionals i organolèptics. En el segon capítol d'aquesta tesi, es va abordar la caracterització d'un conjunt de línies de introgressió (ILs) d'albergínia amb Solanum incanum L. com a parental donant. L'ús de les ILs en la millora de l'albergínia requereix assegurar que els nivells de glucoalcaloides del fruit estan per davall dels límits de seguretat. En un assaig en dos ambients, avaluem 25 trets de composició del fruit, incloent composició proximal, sucres, àcids, compostos fenòlics, glucoalcaloides i minerals en un conjunt de 16 ILs d'albergínia amb S. incanum, juntament amb els pares recurrent i donant, i l'híbrid. Els resultats van mostrar que els fruits produïts per les ILs eren segurs per al consum, amb una composició similar a la del parental recurrent. També avaluem un conjunt de 10 d'aquestes ILs, juntament amb el parental recurrent S. melongena, sota dues dosis de fertilització de N subministrades amb el sistema de reg (8.25 mM de NH4NO3 afegit a l'aigua de reg, i cap subministrament de N extern a l'aigua de reg). Encara que es va produir una limitació significativa en el creixement de la planta, en la distribució de N i C, en la càrrega de fruits i en la matèria seca com a resposta a la minimització de les aportacions de N, les ILs van aconseguir, en mitjana, rendiments finals similars sota tots dos tractaments de N, així com van produir fruits amb similar morfologia, pes i contingut en compostos fenòlics. Aquests resultats potencien les ILs com a materials de millora útils per a l'adaptació de l'albergínia a baixes aportacions de N. Gràcies a la disponibilitat del genotipat de les ILs d'albergínia, les investigacions realitzades amb aquesta població van permetre identificar diversos QTLs associats a caràcters morf-agronòmics i de composició del fruit, la qual cosa proporciona nova informació rellevant per a ampliar el coneixement genètic de l'albergínia. En l'últim capítol es presenta la primera avaluació de paràmetres de qualitat de fruit i rendiment d'una col·lecció de 44 varietats de la tomaca resilient 'de penjar' sota dos nivells de fertilització de N (162 kg N ha-1 i 49 kg N ha-1). Es va observar una gran variació. La reducció de les aportacions de N va tindre un efecte significatiu en el hue, la mitjana del qual va augmentar lleugerament, i en els compostos i paràmetres relacionats amb la dolçor, la mitjana de la qual va disminuir en un 11-16%, mentre que el rendiment i la majoria dels trets de qualitat no es van veure afectats. Aquests són resultats prometedors que promouen la conservació de la tomaca 'de penjar' i a la seua utilització en programes de millora. En definitiva, creiem que aquests treballs proporcionaran nous recursos fenòmics i genòmics útils per a futurs programes de millora de les hortalisses de la família Solanaceae.[EN] In the present doctoral thesis, we have focused on studying the variability and providing new useful resources for the improvement of the nutritional and organoleptic quality of tomato, eggplant and pepper fruits, adapting crops to lower nitrogen (N) inputs. To achieve this purpose, we carried out a comprehensive characterization of fruit composition, together with important agronomic traits, of a set of genetic resources scarcely explored up to date. In the first chapter of this thesis, a comprehensive characterization of 36 compounds and fruit compositional parameters, including sugars, organic acids, antioxidants and minerals, was carried out on a set of 10 accessions per cultivar of tomato, pepper and eggplant, grown under the same organic farming practices. The results showed a considerably different composition profile among the three species, mainly in the antioxidant profile. In addition, a great variability was found within each species, which is of interest for the selection of varieties with better nutritional and organoleptic profiles. In the second chapter of this thesis, the characterization of a set of eggplant introgression lines (ILs) with Solanum incanum L. as the donor parent was addressed. The use of ILs in eggplant breeding requires ensuring that fruit glycoalkaloid levels are below safety limits. In a two-environment trial, we evaluated 25 fruit compositional traits, including proximal composition, sugars, acids, phenolic compounds, glycoalkaloids, and minerals in a set of 16 eggplant ILs with S. incanum, along with the recurrent and donor parents, and the hybrid. The results showed that the fruits produced by the ILs were safe for consumption, with a composition similar to that of the recurrent parent. We also evaluated a set of 10 of these ILs, along with the recurrent parent S. melongena, under two doses of N fertilization supplied with the irrigation system (8.25 mM NH4NO3 added to the irrigation water, and no external N supply to the irrigation water). Although there was a significant limitation in plant growth, N and C distribution, fruit load and dry matter in response to minimized N inputs, the ILs achieved, on average, similar final yields under both N treatments, as well as produced fruits with similar morphology, weight and phenolic content. These results enhance ILs as useful breeding materials for the adaptation of eggplant to low N inputs. Thanks to the availability of genotyping of eggplant ILs, the investigations carried out using this population enabled the identification of several QTLs associated with morpho-agronomic and fruit composition traits, providing new relevant information to expand the genetic knowledge of eggplant. The last chapter presents the first evaluation of fruit quality and yield parameters of a collection of 44 varieties of the resilient tomato 'de penjar' under two levels of N fertilization (162 kg N ha-1 and 49 kg N ha-1). A large variation was observed. Reduced N inputs had a significant effect on hue, whose mean increased slightly, and on sweetness-related compounds and parameters, whose mean decreased by 11-16%, while yield and most quality traits were unaffected. These are promising results that promote the conservation of the 'de penjar' tomato and its use in breeding programs. Ultimately, we believe that this work will provide new phenomic and genomic resources useful for future breeding programs of vegetables of the Solanaceae family.Elena Rosa Martínez is grateful to the Ministerio de Economía, Industria y Competitividad (MINECO) for a pre-doctoral grant (no. BES-2016-077482), which has funded the doctoral thesis presented herein. This predoctoral grant is part of the research project “Mejora genética de la calidad funcional y aparente de la berenjena”, which has been funded by the Ministerio de Economía, Industria y Competitividad and the European Regional Development Fund (MINECO/FEDER) under grant no. AGL2015- 64755-R. The work presented in this thesis was also undertaken as part of the initiative “Adapting Agriculture to Climate Change: Collecting, Protecting and Preparing Crop Wild Relatives” (http://www.cwrdiversity.org/), which is supported by the Government of Norway and managed by the Global Crop Diversity Trust with the Millennium Seed Bank of the Royal Botanic Gardens, Kew; as part of three European projects, namely, G2PSOL (“Linking genetic resources, genomes and phenotypes of Solanaceous crops”) and BRESOV (“Breeding for resilient, efficient and sustainable organic vegetable production”), which have been funded by the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme under grant agreements no. 677379 and no. 77424, respectively, and SOLNUE (“Tomato and eggplant nitrogen utilization efficiency in Mediterranean environments”), in the framework of the H2020 call SusCrop-ERA-Net; ID#47, which has been funded by the Spanish Agencia Estatal de Investigación under grant agreement no. PCI2019-103375; and finally as part of the national project “Las variedades tradicionales de tomate para el desarrollo de una horticultura biodiversa y sostenible en un contexto de cambio climático”, funded by Generalitat Valenciana (Conselleria d’Innovació, Universitats, Ciència I Societat Digital) under grant agreement no. AICO/2020/042.Rosa Martínez, E. (2022). Characterization and Enhancement of Genetic Resources for the Improvement of Nutritional and Organoleptic Quality in Solanaceae Vegetable Crops [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182169Compendi