Lectura de tesis doctoral de Noelia dos Santos Carrillo. Caracterización de la calidad del fruto asociada al carácter climatérico en líneas casi-isogénicas de melón

En el salón de actos de ARQ&IDE en el campus de Alfonso XIII de la Universidad Politécnica de Cartagena y a  las 12 h del viernes 4 de Abril de 2014  procedió a la defensa de su tesis doctoral Noelia dos Santos Carrillo. El título de la misma ha sido “Caracterización de la calidad del fruto asociada al carácter climatérico en líneas casi-isogénicas de melón" y se ha realizado dentro del Programa de Doctorado "Técnicas Avanzadas en Investigación y Desarrollo Agrario y Alimentario"  y bajo la dirección de los doctores  D. Juan Pablo Fernández Trujillo y D. Antonio José Monforte Gilabert.

Las Dras. María Belén Picó Sirvent y María Jesús Rodrigo Esteve actuaron como secretario y vocal del tribunal, respectivamente, presidiendo el tribunal el Dr. Pablo Salvador Fernández Escámez. La tesis recibió la máxima calificación de sobresaliente cum laude. En la fotografía algunas imágenes del acto al que no pudo asistir el codirector de la tesis al encontrarse fuera de España.
La tesis se ha realizado por compendio de artículos pero con su resumen, introducción, material y métodos y capítulos correspondientes a varias publicaciones (principalmente dos de ellas en revistas internacionales), así como una discusión general y sus conclusiones. El resumen de la tesis en castellano y en inglés aparece más abajo.

Momento de lectura previa por parte del tribunal

Inicio de la exposición

La Dra. Noelia dos Santos y Juan Pablo Fernández Trujillo tras la lectura de la tesis doctoral.

Caracterización de la calidad del fruto asociada al carácter climatérico 

en líneas casi-isogénicas de melón.

Noelia dos Santos Carrillo

 Resumen de la tesis a publicar en TESEO próximamente.

El fruto del melón (Cucumis melo L.) es muy apreciado por los consumidores por su sabor dulce y aroma agradable siendo su cultivo es de gran importancia en España y en particular en la Región de Murcia. C. melo L. se caracteriza por su gran diversidad genética y de comportamiento fisiológico lo que lo convierte en un modelo ideal para el estudio del metabolismo y la maduración en frutos carnosos. El objetivo de esta tesis doctoral fue identificar los Quantitative Trait Loci (QTLs) asociados a parámetros de calidad del melón y caracterizar algunos de sus efectos, especialmente relacionados a la producción de compuestos volátiles aromáticos y textura del fruto del melón. También se estableció la relación entre el comportamiento fisiológico de los frutos y algunas de sus características. Se utilizaron líneas casi-isogénicas o NILs de melón con distinto comportamiento fisiológico y obtenidas del cruzamiento entres dos parentales no climatéricos, el cultivar español ‘Piel de Sapo’ (PS) tipo inodorus y la accesión exótica coreana tipo conomon PI 161375 ‘Shongwan Charmi’ (SC). Las NILs contenían una introgresión homocigótica casi única del parental SC en el fondo genético del parental PS. Los análisis realizados en los frutos de melón han permitido comparar las NILs con  respecto del parental PS y así detectar diferencias mediante diversas técnicas estadísticas univariante y multivariante con el fin de poder identificar QTLs de interés en el mapa genético del melón y localizar aromas discriminantes. El comportamiento climatérico de la NIL 6M1 y del cultivar ‘Védrantais’ (leve y moderado, respectivamente) estuvo asociado a una mayor producción de ésteres (acetato y no acetato) y compuestos derivados del azufre, mostrando una dependencia al menos parcial del etileno para su síntesis. Aldehídos, alcoholes y cetonas estuvieron asociados al comportamiento no climatérico del control PS, cultivar ‘Nicolás’ y de las NILs SC10-2 y SC7-1, mostrado su carácter etileno-independiente. Se han identificado QTLs asociados a la firmeza de la pulpa y la producción aromas volátiles en NILs de melón con introgresiones en los grupos de ligamiento III/VI (comportamiento climatérico) o VII y X (comportamiento no climatérico). Un QTL (ff7.2) fue mapeado en el LG VII asociado a la mayor firmeza de la pulpa de la NIL SC7-1 y relacionado con el mayor contenido en componentes estructurales de la pared celular como galactosa y residuo de α-celulosa. Otro QTL relacionado a una mayor degradación de pectinas fue asociado a los QTLs del climaterio de la NIL SC3-5-1, mientras que otro QTL relacionado con la introgresión que produce el climaterio (localizada en el LG III) estuvo asociado a la producción de ésteres. Otros treinta y dos QTLs; doce identificados en el LG VII y veinte en el LG X fueron asociados a la producción de ciertos aromas volátiles sirviendo como potenciales biomarcadores de mayor firmeza de la pulpa (especialmente aldehídos producidos vía aminoacídica) y otras diferencias texturales (especialmente relacionadas con la síntesis compuestos derivados del azufre y compuestos derivados de la metionina) entre NILs de melón no climatéricas. Las NILs de melón con distinto comportamiento fisiológico han resultado de alto interés para dilucidar el carácter etileno-dependiente, etileno independiente o solo parcialmente etileno dependiente de aromas volátiles y textura, así como la interrelación entre dos de lo parámetros más importantes que definen la características de este fruto y por ende a ampliar el conocimiento acerca del etileno y sus efectos sobre la calidad global y parcial de la fruta en general y del melón en particular.

Palabras clave: α-celulosa, ácidos urónicos, alcoholes, aldehídos, aminoácidos, análisis de componentes principales, análisis de mínimos cuadrados parciales, análisis multivariante, análisis de múltiples árboles de decisión o random forest, análisis univariante, azúcares neutros, calidad del fruto, celulosa, cetonas, climatérico, comportamiento fisiológico, compuestos aromáticos volátiles, compuestos derivados del azufre, Cucumis melo L., ésteres acetato, ésteres no acetato, etileno, firmeza de la pulpa, genotipo, grupo de ligamiento, hemicelulosa, líneas de introgresión, líneas casi-isogénicas, maduración del fruto, marcadores moleculares, no climatérico, pared celular, precursores aromáticos, ‘Piel de Sapo’, Quantitative Trait Loci, rutas metabólicas, ‘Shongwan Charmi’, textura, xiloglucanos.

ABSTRACT
Melon fruit (Cucumis melo L.) is highly appreciated by consumers for its sweet taste and pleasant aroma, being a crop of great importance in Spain and particularly in the Region of Murcia C. melo L. is characterized by its great genetic diversity and physiological behavior which makes it a ideal model for the study of metabolism and ripening in fleshy fruits. The aim of this thesis was identify Quantitative Trait Loci (QTLs) associated with melon quality parameters and characterize some of its effects, especially associated with the production of aromatic volatile compounds and texture of melon fruit. The relationship between the physiological behavior of the fruit and some of its characteristics is also established. Near-isogenic lines or NILs of melon with different physiological behavior and obtained by crossing of two non-climacteric parents, the Spanish cultivar inodorus type ‘Piel de Sapo’ (PS) and the Korean exotic accession PI 161375 conomon type ‘Shongwan Charmi’ (SC) were used. The NILs contained a homozygous introgression almost unique of parental SC in the genetic background of parental PS. The analyses realized in melon fruits has allowed comparing the NILs with the parental PS and so detect differences by means of several univariate and multivariate statistical techniques in order to identify QTLs of interest in the melon genetic map and locate discriminant aromas. The climacteric behavior of NIL 6M1 and cultivar ‘Védrantais’ (slight and moderate, respectively) was associated with increased production of esters (acetate and no acetate) and sulfur-derived compounds, showing at least a partial ethylene-dependence for their synthesis. Aldehydes, alcohols and ketones were associated with non-climacteric behavior of the control PS, cultivar ‘Nicolas’ and NILs SC10-2 and SC7-1, shown its ethylene-independentcharacter.QTLs associated with flesh firmness and aroma volatile production in melon NILs with introgressions in the linkage groups (LGs) III/VI (climacteric behavior) or VII and X (non-climacteric behavior) had been identified. A QTL (ff7.2) located in the LG VII associated with higher flesh firmness in NIL SC7-1 was mapped and related to the higher content of cell wall structural components, as galactose and α-cellulose residue. Another QTL associated with increased pectin degradation was associated to climacteric QTLs of the NIL SC3-5-1, whereas another QTL related to introgresión which produce
climacteric (located in LG III) was associated to esters production. Other thirty-two QTLs, twelve identified in the LG VII and twenty in the LG X were associated with the production of certain volatile aromas serving as potential biomarkers of higher flesh firmness (especially aldehydes produced via aminoacid) and other textural differences (especially related to synthesis of sulfur-derived compounds and compounds obtained via methionine) between non climacteric melon NILs. Melon NILs with different physiological behavior have been results of great interest to elucidate the ethylene-dependent, ethylene-independent or only partially ethylene-dependent character of aroma volatiles and texture, as well as the interrelation among two of the most important parameters that define the characteristics of this fruit, and therefore to increase the knowledge about the ethylene and its effects on global and partial fruit quality in general and melon in particular.
 
Keywords: α-cellulose, acetate esters, alcohols, aldehydes, aminoacids, aroma precursors, aromatic volatile compounds, cell wall, climacteric, Cucumis melo L., ethylene, flesh firmness, fruit quality, fruit ripening, genotype, hemicellulose, introgression lines, ketones, linkage group, metabolic pathways, molecular markers, multivariate analysis, near-isogenic lines, neutral sugars, non acetate esters, non-climacteric, partial least squares analysis, physiological behavior, ‘Piel de Sapo’, principal component analysis, Quantitative Trait Loci, random forest analysis,‘Shongwan Charmi’, sulfur-derived compounds, texture, univariate analysis, uronic acids, xyloglucans.

Búsquedad de candidato para becas Formación Profesorado Universitario.

Se busca candidato para apoyarle en su solicitud de beca de Formación de Profesorado Universitario que se desarrollará en la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) sobre el tema genérico de calidad orientada a mejora genética y biotecnología en fruto de melón. Plazo de presentación: 25 Noviembre a 16 de Diciembre de 2013 (14 h hora peninsular).

Requisitos mínimos:

-  Nacionalidad española o título homologado en España.

-  Fecha de finalización de estudios con posterioridad al 1 de enero de 2010, en el caso de licenciados o ingenieros o equivalente en sistemas universitarios extranjeros no adaptados al EEES.

-  Estar matriculados en el programa de doctorado TAIDAA de la UPCT (o de otra universidad española) en el curso 2013-2014.

-   Título de en ingeniería Agronómica o licenciatura en química, biología, biotecnología o similares.

-  Nota media de expediente académico mínima calculada según convocatoria. Para ciclo largo es de 6.71/10 (ingeniería) y 6.93/10  (ciencias) (Pág. 92907).

-  Buen nivel de inglés.

-  Conocimientos de ofimática a nivel de usuario.

-  Motivación para trabajo en equipo y dedicación exclusiva e intensa para poder obtener su tesis doctoral según los requisitos en España.

Más información en:

https://www.boe.es/boe/dias/2013/11/21/pdfs/BOE-A-2013-12235.pdf

Aromas volátiles y textura del fruto de melón

Uno de los genes que produce una mayor firmeza del fruto de melón está localizado en el cromosoma X del mismo y cambia el perfil de aromas volátiles de la pulpa tal y como hemos demostrado con dos líneas casi isogenicas en el siguiente trabajo utilizando diferentes métodos estadísticos univariantes y multivariantes.

El trabajo contiene numerosa información suplementaria producto de los diferentes metodos estadísticos utilizados y que solamente está accesible vía web en el enlace si se tiene acceso a la revista. Aquí podéis leer como mínimo su resumen.

Dos-Santos, N., Bueso, M., Fernández-Trujillo, J.P. 2013. Aroma volatiles as biomarkers of textural differences at harvest in non-climacteric near-isogenic lines of melon. Food Research International. 54(2): 1801-1812. http://dx.doi.org/10.1016/j.foodres.2013.09.031

Línea casi isogénica SC7-1

 También hemos discutido cuáles pueden ser las rutas metabólicas de producción de aromas afectadas por este aumento de firmeza del fruto. Por otra parte la dureza del fruto entero no parece tener la misma relación directa pero también parece estar relacionada  con ciertos volátiles y con el metabolismo de la metionina, ya que se utilizó una línea casi isogénica no climatérica que daba frutos enteros algo más blandos

Este trabajo forma parte de la tesis doctoral de Noelia dos Santos Carillo en la Universidad Politécnica de Cartagena dirigida por el profesor Juan Pablo Fernández Trujillo y codirigida por Antonio Monforte.

Melon fresh fruit quality from field to fork: a quality-oriented breeding and multivariate perspective

En Varsovia, invitado por la organización de este congreso sobre nuestras investigaciones en melón este mes de Septiembre dentro de los proyectos financiados por el Ministerio de Economía e Innovación y los fondos regionales EU-FEDER y la Fundación Séneca de la Región de Murcia. La conferencia claro es en inglés, pero podéis aprovechar las herramientas de Google Translator.

Esta es la referencia del congreso que os menciono:

Fernández-Trujillo, J.P. Dos-Santos, N., Bueso, M.C. Esteva, J., Martínez, J.A., Monforte, A.J. 2013. Melon fresh fruit quality from field to fork: A quality-oriented breeding and multivariate perspective. En: Quality of fresh produce, herbs and vegetables – from field to fork; September 18-19, 2013. Warsaw University of Life Sciences – SGGW. Warsaw, Poland. Conferencia invitada. Book of abstracts p.39-40.  

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A conference entitled: "Melon fresh fruit quality from field to fork: A quality-oriented breeding and multivariate perspective" was delivered on Thursday 19 September in a international mini-Workshop entitled "Quality of fresh produce, herbs and vegetables – from field to fork" organized in Warsaw (Poland) by Prof. Marek Gjewski, the lider of the Pakeltu Horticulture Warsaw Plant Heatlh Initiative during September 18-19. Warsaw University of Life Sciences – SGGW. Warsaw, Poland. I was invited to participate in this mini-workshop together with other colleagues from different part of Europe. This is the  link of the content of the mini-workshop..

http://f2f.woiak.sggw.pl/index.php?option=com_content&view=category&layout=blog&id=59&Itemid=148&lang=en

And this is a copy of the book of abstracts.

Melon fresh fruit quality from field to fork: A quality-oriented breeding and multivariate perspective

JUAN PABLO FERNÁNDEZ TRUJILLO^1,*, NOELIA DOS-SANTOS¹, MARíA C. BUESO², JUAN ESTEVA³, juan antonio martínez³, ANTONIO J. MONFORTE⁴

¹ Department of Agricultural and Food Engineering. Technical University of Cartagena (UPCT). Paseo Alfonso XIII, 48. ETSIA and Institute of Plant Biotechnology. E-30203 Cartagena (Murcia), Spain.

² Department of Applied Mathematics and Statistics. UPCT. Campus Muralla del Mar, Doctor Fleming s/n. ETSII. E-30202 Cartagena (Murcia), Spain.

³ Department of Plant Production. UPCT. Paseo Alfonso XIII, 48. ETSIA and Institute of Plant Biotechnology. 30203 Cartagena (Murcia), Spain

⁴ Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas (IBMCP). CSIC/UPV. Ciudad Politécnica de la Innovación - Edificio 8E Ingeniero Fausto Elio s/n,  46022 Valencia, Spain.

* e-mail: juanp.fdez@upct.es

Melon quality is a multivariate character with critical importance for melon consumers. Quality of horticultural crops can be measured instrumentally qualitatively or quantitatively but the sensory perception is the key trait for consumers. Fruit properties measured instrumentally may help us to verify proper fruit quality depending on the link of the postharvest chain involved. This conference summarizes results particularly from a quality-oriented breeding perspective that could contribute to improve or keep melon fruit quality. Examples of identification of quantitative trait loci (QTLs) associated with pre and postharvest factors affecting final fruit quality are reported.

            Preharvest factors and/or postharvest manipulation (storage, transport) may induce several fruit disorders as melon cracking that we have reviewed recently. A combination of different preharvest and postharvest factors contributes to the development of this disorder. In greenhouse production, environmental effects can be minimized but in open-field production uncontrolled factors as excessive rain and sun exposure together with inappropriate fertigation and lack of preharvest treatments contribute to a sudden development of the disorder as soon as two weeks before harvest and during the harvest season. Inadequate harvest and postharvest practices and genetic factors have also been identified as critical with some commercial cultivars, accessions and near-isogenic lines (NILs) of melon more prone to suffer cracking than others. Particularly QTLs associated with climacteric ripening or non-climacteric ripening have been identified for example in chromosomes III, VI and X of melon.

            Another set of critical quality traits  for consumer choices  most of them having an important genetic component apart from environmental or environmental x genetic components are morphological traits (fruit size and shape), aspect, netting, sutures, spots, fruit color, aroma, texture, and nutrient content (sugars, organic acids and amino acids, carotenoids, vitamins, etc.). Other complex traits of interest are for example the potentiality of the cultivar for fresh-cut product or the expected shelf-life, or improved resistance to physiological disorders (mealiness, chilling injury during storage, etc.), weight loss or decay. Successful attempts to modify some characters associated with physical traits are in progress, whereas the manipulation of external fruit characteristics as perfect round-shape and reduced size, netted melons instead of non-netted ones, etc. is currently feasible by selecting QTLs mapped during the last 10 years and of the relatively high heritability of these characters.

            Melon aroma is a very complex trait that depends on the combination of multiple individual compounds that can be measured either destructively or nondestructively during melon ripening. Headspace solid phase microextraction (SPME) or stir-bar sorptive absorption (HSSE, SBSE) to extract and later characterize melon aroma by gas-chromatography mass-spectrometry allow obtaining a melon profile to optimize harvest and purchase experiences. Some aromas typical of recently harvested melons and senescent melons have been identified using NILs. Also, ethylene-dependent and independent aroma during ripening and the principal one from a quantitative and olfactory point of view are reported, mostly acetate, non-acetate and sulfur-derived ester compounds, alcohols and aldehydes in the flesh and also some characteristic terpenes in the skin. Aromatic precursors of these aroma volatiles include lipids but also aminoacids (phenylalanine, methionine, leucine, isoleucine, or valine) or carotenoids. The complexity of quality traits and especially melon aroma requires the application of statistical multivariate methods in order to represent the high-dimensional observed data sets into lower-dimensional spaces to extract the most discriminant features. Partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) and random forest (RF) analysis together with some descriptive methods such as principal component analyses are very useful to correlate sensory and instrumental measurements. In addition, these methods have revealed useful to detect interesting QTL effects in near-isogenic lines of melon or to identify the main discriminant differences among melon cultivars. Finally, other statistical techniques such as hierarchical clustering are being tested in order to discern the main metabolic pathways and potential aroma precursors responsible of melon aroma.

            Melon texture is one of the traits more important in the development of the last melon cultivars, particularly because of the great link with “long-life” characters. Firm and crunchy texture seems to be one of the keys of successful new cultivars but having the same flavor than the traditional cultivars. Textural traits with double use such as flesh juiciness or undesirable traits such as mealy texture should be taken into account.

            Many traits reported above are ripening-dependent and particularly ethylene-dependent or ethylene-independent traits. Climacteric types have both kind of traits, but skin color, aroma, texture, or nutrient content are really important in some climacteric types.   Two introgressions of the melon accession PI 161375 into the ´Piel de sapo´ genetic background located in linkage groups III and VI interact epistatically and advances climacteric response due to advanced ethylene biosynthesis. These types of climacteric NILs obtained from non-climacteric parentals have been very useful for diverse quality and physiological studies.

            Mapping QTLs of complex sensory traits and changes in diverse situations of the postharvest chain is still underway. An important variability depending on ethnic and consumer attitude is critical but multivariate methodologies help to determine the main factors in order to determine global quality acceptance. Critical attributes are textural traits in non-climacteric types or retro-nasal aroma and off-flavors in climacteric and aromatic cultivars. However, companies are more prone to use new traits to differentiate new cultivars in the market such as exotic ones as the introduction of a QTL on LG VIII for high acidic-taste melons with increased citric acid content.

The new biotechnological and genomic tools useful for improving melon quality include the sequence of the melon genome, molecular markers, dense genetic maps, TILLING and ECOTILLING platforms, microarrays for gene expression, etc. The integration of this knowledge with cost-effective Next-Generation Sequencing approaches as RNAseq or Genotype by Sequence will speed up the design of new cultivars that will meet consumer expectations under different postharvest scenario.

Nueva revista (Agricultural Communications)

Mi colega Mohammad Mahdi Jowkar, profesor doctor iraní que ha estado con nosotros en dos campañas de melón, concretamente la de 2005 y la de 2009, inicia este mes de agosto de 2013 una nueva etapa como managing editor de una revista que todavía no está indexada (Agricultural Communications), y en la que estoy en el comité editorial o "editorial board". http://www.agricommun.com/ Este es su mensaje. "Agricultural Communication is seeking for well qualified scientists in order to complete it reviewers’ team. If you are interested please send your inclination letter to editors’ email on the submission page. The required criteria are: holding a Ph.D. degree besides having good English skills. Thanks. Managing Editor." Por si es de vuestro interés para vuestros trabajos, especialmente para aquellos multidisciplinares en la frontera de la ciencia que estén iniciando su recorrido. Concretamente "Agricultural Machinery, Agronomy, Animal Science, Biotechnology, Cytogenetic, Dairy Science, Food Science and Technology, Forestry, Horticulture, Plant Breeding, Irrigation, Plant Microbiology, Plant Nutrition, Plant Pathology, Poultry, and Soil Sciences." Están reclutando revisores con buen nivel de inglés y PhD (doctorado) en las disciplinas de la revista. Como quien escribe también está en el comité editorial de otras revistas en Colombia (en castellano una, otra en inglés), pues animo especialmente a los estudiantes a tratar de escribir y publicar.