Metabolomic and gene expression patterns associated with flower bud endodormancy release in stone fruit trees

Résumé

Las especies del género Prunus, como el almendro, melocotonero, albaricoquero, cerezo y ciruelo, son de gran relevancia en la agricultura española. En 2020, estas especies ocuparon más de 800.000 hectáreas de cultivo en todo el país, con una producción superior a los 2 millones de toneladas. En estas especies, la floración es el evento más determinante que marca el éxito de la cosecha. Para una correcta floración, las yemas florales de estas especies deben acumular una cierta cantidad de frío, dependiente de la especie y variedad, durante un periodo conocido como letargo invernal. Estas son las denominadas necesidades de frío. En este periodo el crecimiento de la planta se detiene y el metabolismo se ralentiza. Sólo tras la satisfacción de las necesidades de frío, los árboles serán capaces de salir del letargo y progresar hasta la floración. En las últimas décadas, los eventos climatológicos extremos derivados del calentamiento global, tales como las heladas tardías y la falta de frío por altas temperaturas invernales, están poniendo en riesgo el cultivo de estas especies en las zonas templadas. En esta Tesis Doctoral se pretende estudiar, desde el punto de vista fisiológico, metabólico y genético la salida del letargo invernal en tres especies del género Prunus (almendro, albaricoquero y melocotonero) como se indica a continuación. En primer lugar, se realizó un análisis metabolómico no dirigido en cuatro variedades de almendro con diferentes necesidades de frío, para identificar las principales rutas metabólicas implicadas en la salida del letargo en esta especie (Capítulo 1). Este estudio se realizó utilizando cromatografía líquida acoplada a masas (UPLC-QToF) y los metabolitos fueron identificados mediante la comparación de sus espectros de masas con las diferentes bases de datos disponibles. Respecto al estudio de las rutas implicadas en la salida del letargo, se determinó que las rutas de la biosíntesis de derivados de fenilalanina y tirosina, como la prunasina o los fenilpropanoides, así como la biosíntesis de ácido abscísico y el metabolismo redox, están profundamente implicadas en la salida del letargo invernal en yemas florales de almendro. Una vez conocidas las principales rutas implicadas en la salida del letargo con el objetivo de buscar posibles soluciones frente a la disminución del frío invernal debido al calentamiento global, se realizó una revisión de los efectos a nivel fisiológico y molecular de diferentes agroquímicos, también llamados bioestimulantes, para la promover la salida del letargo y la floración (Capítulo 2). Con la finalidad de estudiar los efectos de las heladas extremas en almendro, también derivadas de los efectos del calentamiento global, se evaluaron los daños producidos por la borrasca Filomena en variedades de almendro con diferentes necesidades de frío (Capítulo 3). Tras la borrasca se realizó un estudio de las caídas de yemas y la producción final de cada variedad y se asoció con el estado de desarrollo de las yemas florales durante la helada, observándose un avanzado desarrollo y la perdida de la producción en las variedades extra-tempranas, tempranas y tardías, pero no en las extra-tardías ni ultra-tardías que produjeron normalmente. Una vez descubiertas las principales rutas metabólicas implicadas en la salida del letargo en almendro, y averiguado cuáles eran los mejores bioestimulantes disponibles en el mercado, se aplicaron diferentes bioestimulantes en yemas de flor dormidas en albaricoquero y melocotonero (Anexos I y II), con el objetivo de desarrollar nuevos y más eficientes biostimulantes naturales no tóxicos para el hombre ni para el medio ambiente. Además, en estos estudios, pudimos encontrar nuevos biomarcadores para determinar la época de ruptura del letargo invernal. Si bien se habían realizado anteriormente estudios metabolómicos y genéticos en especies de Prunus, ninguno de ellos había validado los metabolitos más significativos, aplicándolos en campo y en el laboratorio a yemas de flor dormidas, como prueba piloto para el futuro desarrollo de nuevos bioestimulantes para modular la ruptura del letargo de una manera natural en estas especies. Finalmente, con todos estos experimentos no solo descubrimos nuevas rutas metabólicas implicadas en este proceso como la de los fenilpropanoides, flavonoides y ácido abscísico, si no que se demostró que los fosfolípidos poseen una función clave en la promoción de la salida del letargo, pudiendo ser la base para la creación de un bioestimulante natural que sea capaz de adelantar de forma más eficaz la salida del letargo y la floración en estas especies. Esto será clave para mantener la producción de estos frutales no sólo en España sino en el resto de zonas de clima templado.