Genetic variability analysis of Tamarillo (Solanum betaceum (Cav.)) and optimization of micropropagation conditions

Abstract

Tamarillo (Solanum betaceum (Cav.)), Solanaceae, also known as tree tomato or “tomate de la Paz” is an Andean small tree cultivated for its appetizing and juicy fruits, having an important role for international export in New Zealand. Tamarillo fruit is becoming increasingly relevant to our market and to answer consumer’s requirements physical, morphological and chemical profiles were accessed for red (C1, C3, PC, PM, TS, TC, TCQ), golden-yellow (C5 and C9) and orange (C7) cultivars and compared to a standard red cultivar (TCOL). Fruit quality was determined through a series of parameters, such as firmness, weight, caliber (fruit diameter and length), moisture content, SSC (soluble solid content), titratable acidity (TA) and its linked acids (malic and citric). Related quality factors such as peduncle and calyx were measured as well. Regarding consumer’s preferences, it was assumed that weight, firmness and sweetness were preponderant factors for fruit evaluation. In weight measurements TC variety presented the highest values (71.0 g), whereas C5 variety revealed the maximum values for firmness (84.1%), exceeding the standards (77.3%) and PC produced the sweetest fruits. Since the information available is scarce on the characterization of genetic resources and breeding of this neglected crop, a more detail study was carried out and the genetic diversity of 16 tamarillo genotypes (4 adult trees - C1, C3, C5 and C7 and 12 hybrids) through the use of molecular markers (RAPDs), was tested. Twenty OPC primers were tested and only 4 (OPC 6, OPC 11, OPC 13 and OPC 15) exhibited polymorphism, scoring a total number of 48 polymorphic bands. The results showed clear RAPD banding patterns and OPC 11, 13 and 15 revealed the highest percentage of polymorphism (50%). To study the genetic similarity among the population, similarity index by Jaccard’s coefficient was generated using UPGMA (Unweighted Pair-GroupMethod with Arithmetical Averages). Similarity index ranged from 23.5% to 89.5%. Regarding only adult genotypes, C1 and C9, shared more traits with all samples, respectively, 58.63% and 61.58%. To support similarity indices values, a dendogram of hierarchical analysis was generated by MEGA 7 software. Tamarillo propagation can be performed either by classical methods or through in vitro techniques such as somatic embryogenesis, being a significant biotechnological tool for protocols optimization. In this work, it was tried to improve in vitro culture conditions through the use of a bio-based material, i.e., cellulose microfibrillated (CMF). Its use as a substitute to the standard filters reveled ineffective efforts, since calluses developed in CMF suffered a reducer mass improvement. Contrarily, as a complement to in vitro propagation CMF displayed positive outcomes, once shoots height and nodal segments were superior in comparison with the standard. Overall, taking into account the several varieties analyzed for its physical, morphological and chemical evaluation, there are good prospects for the selection of tamarillo for quality improvement, although breeding programs and production strategies are required. In terms of genetic assessment studies using molecular markers, RAPD was suitable for an initial approach to tamarillo characterization. Lastly, the first approach of using environmental friendly and sustainable materials, such as CMF, did not improved meaningfully in vitro culture conditions. Although, the results obtained suggest that this material could have potential for other applications in Plant Biotechnology.

Tamarillo (Solanum betaceum Cav.), uma solanácea, também designado como árvore tomate ou “tomate de la Paz” é uma árvore de porte pequeno da região dos Andes cultivada pelos seus frutos apetitosos e suculentos, possuindo distinta importância para a Nova Zelândia, em termos de mercado de exportação. Os seus frutos têm ganho uma crescente relevância no nosso mercado e, de forma a responder às necessidades do consumidor, perfis físicos, morfológicos e químicos foram delineados para as variedades vermelhas (C1, C3, PC, PM, TS, TC, TCQ), amarela (C5 e C9) e laranja (C7). De forma a completar esta informação, uma referência pertence à variedade vermelha (TCOL) foi usada como termos de comparação. A inerente qualidade dos frutos foi determinada através de uma série de parâmetros, tais como firmeza, peso, calibre (diâmetro e comprimento do fruto), matéria seca, TSS (teor de sólidos solúveis), acidez titulável (TA) e os ácidos orgânicos inerentes (ácido málico e cítrico). Fatores indiretamente relacionados com a qualidade, especificamente o pedúnculo e o cálice foram, também, avaliados. Tendo em conta as preferências do consumidor, foi assumido que o peso, a firmeza e o teor de açúcar foram fatores preponderantes para avaliação dos frutos. Nas avaliações referentes ao peso, a variedade TC apresentou os valores mais elevados (71,0 g), enquanto em termos de firmeza, a variedade C5 destacou-se (84,1%), tendo assim excedido os valores de referência (77,3%). Tendo em conta uma palatibilidade menos acídica, a variedade PC apresentou os melhores índices. Uma vez que existe pouca informação disponível a cerca da caracterização dos recursos genéticos e melhoramento desta cultura, um estudo mais detalhado foi solicitado. Assim, a diversidade genética de 16 genótipos de tamarilho, 4 correspondendo a árvores adultas e 12 a híbridos, foi realizada, usando marcadores moleculares (RAPD). Vinteprimers foram testados, mas apenas 4 demonstraram polimorfismo, gerando 48 bandas polimórficas. Os resultados demonstraram bandas nítidas, em que os primers OPC 11, 13 e 15 exibiram a maior percentagem de polimorfismo (50%). De forma a verificar a similaridade genética dentro da população, o índice de similaridade de Jaccard foi gerado através de UPGMA. Posto isto, o índice de similaridade oscilou de 23,5% a 89,5%, quando os valores de todas as amostras foram cruzados. Tendo em conta, apenas, os genótipos das árvores adultas, C1 e C9 destacaram-se por partilhar mais características com todas as amostras, tendo sido de 58,6% e 61,5%, respetivamente. De forma a suportar esta análise, um dendrograma com classificação hierárquica de todas as amostras, foi gerado através do programa MEGA 7 software. A propagação de tamarilho pode ser realizada através de técnicas clássicas ou através de técnicas in vitro, tais como a embriogénese somática, sendo esta um recurso biotecnológico com elevada relevância em vista para otimização de protocolos. Neste trabalho, visou-se melhorar as condições da cultura in vitro através do uso de materiais de base biológica e renovável, ou seja, celulose microfibrilada (CMF). O seu uso sob forma de substituto dos filtros convencionalmente utilizados evidenciou ser ineficaz, uma vez que, os calos desenvolvidos sobre a película de CMF apresentaram um crescimento mais reduzido. Pelo contrário, como um complemento à propagação in vitro o uso de CMF revelou resultados positivos, uma vez que foi demonstrado um crescimento superior dos rebentos e um maior número de segmentos nodais, quando comparados com os rebentos dos controlos. De forma geral, tendo em conta as várias variedades analisadas através da sua avaliação física, morfológica e química existem boas perspetivas para a seleção do tamarilho. Apesar disto, programas de melhoramento e estratégias de produção são necessárias. Em termos de estudos genéticos através do uso de marcadores moleculares,RAPD demonstrou ser uma boa abordagem inicial para a caracterização do tamarilho. Por fim, a primeira abordagem do uso de materiais ambientalmente sustentáveis, como CMF não melhorou claramente as condições de cultura in vitro. Apesar disto, os resultados obtidos sugerem que este material, possivelmente, demonstra potencial para outras aplicações a nível de Biotecnologia vegetal.