Development and Characterization of an ILs Population Segregating for Seed Shattering, and Identification of Candidate Genes for a Major Locus Controlling Pod Dehiscence in Common Bean

Loss of seed shattering is a milestone of the domestication of several crops. Seed dispersal mechanisms of the wild ancestor species underwent convergent phenotypic evolution during the domestication, which leads to the reduction of seed shattering in the modern cultivated species. Here, we developed a large recombinant introgression lines population (1197 BC4/F4) of common bean (Phaseolus vulgaris), in order to perform fine mapping of seed shattering-associated QTLs, that were recently identified (Rau et al., 2018). Development, phenotypic characterization, and genotyping (GBS) of the population are described in the Chapter 4 of the manuscript. We also performed metabolic profiling on dry pods of the parental lines and on a set of 114 BC4/F4 ILs from the new population, and we observed a clear pattern of differentially accumulated secondary metabolites (UPLC/MS) between indehiscent and highly shattering pods. In the present work, we identified a set of promising candidate genes for the major locus qPD5.1-Pv for seed shattering (Rau et al., 2018), through an approach that combined the identification of homology relationship with shattering-related genes in other species, wide transcriptome gene expression analysis (RNA-seq), and targeted gene expression investigation (qRT-PCR). Finally, we performed a histological analysis of high-shattering and totally indehiscent pods, and we highlighted a clearly different pattern of lignin deposition in valves and pod sutures. We also proposed that convergent phenotypic evolution for the resistance to pod dehiscence might occurred at the histological level between common bean (P. vulgaris) and soybean (Glycine max).

La perdita del meccanismo di dispersione dei semi (shattering), posseduto dalle piante selvatiche, rappresenta una tappa fondamentale nel processo di domesticazione per gran parte delle specie domestiche, grazie ad un processo di evoluzione fenotipica convergente. Nel presente lavoro, abbiamo sviluppato una popolazione ricombinante di linee di introgressione (1197 BC4/F4) in fagiolo (Phaseolus vulgaris), con lo scopo di effettuare il mappaggio fine di QTLs precedentemente associati allo “shattering” (Rau et al., 2018). Lo sviluppo, la fenotipizzazione e la genotipizzazione (GBS) della popolazione sono descritti nel Capitolo 4 del presente lavoro di tesi. Inoltre, il profilo metabolico dei baccelli è stato investigato nelle linee parentali della popolazione ricombinante e in un set di 114 linee BC4/F4, che mostravano fenotipi estremi per il carattere “seed shattering”. Sono state evidenziate significative differenze nell’accumulo di metaboliti secondari (UPLC/MS) tra baccelli totalmente indeiscenti e baccelli con un elevato shattering. Nel presente lavoro, abbiamo identificato un set di geni candidati per il major locus qPD5.1-Pv per il “seed shattering” (Rau et al., 2018), attraverso analisi di espressione sull’intero trascrittoma (RNA-seq) e su loci target (qRT-PCR). Infine, abbiamo effettuato un’analisi istologica, confrontando baccelli ad alto shattering e totalmente indeiscenti, identificando differenze significative nella deposizione di lignina al livello delle valve e delle suture del baccello. I risultati dell’analisi suggeriscono la possibilità che sia avvenuta convergenza fenotipica evolutiva a livello istologico per la resistenza alla deiscenza, tra fagiolo (P. vulgaris) e soia (Glycine max).