Μελέτη μηχανισμών αλληλεπίδρασης φυτού ξενιστή (τομάτα, Solanum lycopersicum) με ολοπαρασιτικά ζιζάνια (Phelipanche spp.) με σκοπό τη διερεύνηση ανάπτυξης ανθεκτικότητας του ξενιστή στο παράσιτο: -: -

Abstract

Tomato (Solanum lycopersicum) is one of the most important cultivated crops in Greece and globally. The exposure of tomato crops to adverse environments, considering the increasingly severe effects of climate change, makes it imperative to improve its resistance to biotic and abiotic stresses.Parasitic weeds are among the most significant biotic stress factors for tomatoes, reducing yields and degrading fruit quality. One such biotic stressor is the parasitic weed called broomrape (Phelipanche spp.), which is highly prevalent in Mediterranean countries, including Greece, as well as in Western Asia. Various efforts have been made and several methods proposed to control broomrapes. However, the most ecological, economical, and effective method to address this issue appears to be breeding. Nevertheless, developing broomrape-resistant tomato varieties through breeding science, faces challenges due to the rare and complex mechanisms that control resistance to this parasite, as well as the low heritability coefficient of the trait. Abiotic stresses, such as soil salinity, is also a fundamental factor in reducing tomato yields and quality, particularly in countries like Greece, where soils are characterized by high salt content. The combined effects of biotic and abiotic stresses on tomato crops, with the increasing intensity of these phenomena, underscore the urgent need for combined breeding approaches aimed at creating resilient tomato varieties adapted to adverse environmental conditions. The present Doctoral Thesis focuses on studying the interaction mechanisms between tomato and broomrapes (Phelipanche spp.) to explore the development of host resistance to the parasite using specific methodology. Experiments were conducted using tomato introgression lines (ILs) and commercial hybrids. Initially, screening and comparative evaluation of genotypes were performed to investigate their resistance to broomrape. Next-generation sequencing (NGS) methods, such as RNA sequencing (RNA-Seq) and Whole-Genome Sequencing (WGS), were employed to identify genes associated with tomato resistance to broomrape, study their quantitative expression, explore the metabolic pathways these genes are involved in, and utilize them in breeding programs. Additionally, single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in selected genes were tried to be identified to pave the way for developing molecular markers for the rapid detection of broomrape-resistant tomato genotypes. Furthermore, the quantitative expression of selected genes was investigated in ILs and tomato mutant genotypes to explore potential epigenetic changes in the mutants and develop epigenetic markers. Finally, to investigate the resistance of the under-study tomato genotypes to both biotic and abiotic stresses, for a more holistic approach, the resistance of ILs to soils with high salinity was also studied. Specific traits were proposed as indicators of tomato tolerance to increased soil salinity stress. The findings of this Doctoral Thesis provide a framework for breeders, addressing a research gap regarding tomato resistance to broomrape and the molecular mechanisms underlying parasitism. More specifically, additional research pathways beyond the defense mechanisms already studied, such as strigolactones, are highlighted. Based on global literature, which aligns with the findings of this thesis, broomrape parasitism is an extremely complex phenomenon regulated by more than one host mechanism. The utilization of resistance from wild tomato relatives through the exploitation of ILs with potential combined resistance to abiotic and biotic stress factors could pave the way for the development of high-quality tomato varieties, suitable for diverse adverse environments, especially considering the growing challenges posed by climate change.

Η τομάτα (Solanum lycopersicum) αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα καλλιεργούμενα ήδη τόσο στη Ελλάδα όσο και παγκοσμίως. Η έκθεση της καλλιέργειας σε δυσμενή περιβάλλοντα εν όψη των ολοένα και εντονότερων επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής, καθιστά επιτακτική την ανάγκη για βελτίωση έναντι βιοτικών και αβιοτικών καταπονήσεων. Τα ολοπαρασιτικά ζιζάνια αποτελούν έναν από τους σημαντικότερους παράγοντες βιοτικής καταπόνησης για την τομάτα μειώνοντας τις αποδόσεις και υποβαθμίζοντας την ποιότητά της. Ένας τέτοιος βιοτικός παράγοντας καταπόνησης είναι το ολοπαρασιτικό ζιζάνιο οροβάγχη (Phelipanche sp.), το οποίο είναι εξαιρετικά διαδεδομένο στις Μεσογειακές χώρες, συμπεριλαμβανομένης της Ελλάδας, καθώς και τις χώρες της δυτικής Ασίας. Ποικίλες προσπάθειες έχουν γίνει και διάφοροι τρόποι έχουν προταθεί για τον περιορισμό/αντιμετώπιση της οροβάγχης. Παρόλα αυτά η πιο οικολογική, οικονομική και αποτελεσματική μέθοδος αντιμετώπισης του προβλήματος φαίνεται να είναι η Βελτίωση. Ωστόσο η ανάπτυξη ανθεκτικών ποικιλιών τομάτας στην οροβάγχη, μέσω της επιστήμης της Γενετικής Βελτίωσης Φυτών, αντιμετωπίζει προκλήσεις λόγω των σπάνιων και πολύπλοκων μηχανισμών που ελέγχουν την αντοχή στο ολοπαράσιτο, καθώς και στο χαμηλό συντελεστή κληρονομικότητάς της. Οι αβιοτικές καταπονήσεις, όπως η αλατότητα των εδαφών, αποτελούν επίσης ένα θεμελιώδη παράγοντα μείωσης των αποδόσεων και της ποιότητας της τομάτας, ειδικότερα σε χώρες όπως η Ελλάδα, όπου τα εδάφη χαρακτηρίζονται από την υψηλή περιεκτικότητα σε άλατα. Η συνδυασμένη επίδραση βιοτικών και αβιοτικών καταπονήσεων στην καλλιέργεια της τομάτας, με ολοένα και αυξανόμενη ένταση αυτών των φαινομένων, καθιστά επιτακτική την ανάγκη συνδυασμένης βελτίωσης με σκοπό την δημιουργία ανθεκτικών ποικιλιών τομάτας, προσαρμοσμένων στις δυσμενείς περιβαλλοντικές συνθήκες. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύεται η μελέτη των μηχανισμών αλληλεπίδρασης της τομάτας με το ολοπαρασιτικό ζιζάνιο οροβάγχη (Phelipanche spp.) με σκοπό την διερεύνηση ανάπτυξης ανθεκτικότητας του ξενιστή στο παράσιτο με συγκεκριμένη μεθοδολογία. Έγινε πειραματισμός με τη χρήση σειρών παρεμβολής τομάτας (Introgression Lines -ILs) και εμπορικών υβριδίων. Αρχικά πραγματοποιήθηκε διαλογή και συγκριτική αξιολόγηση των γονοτύπων για διερεύνηση της ανθεκτικότητάς τους έναντι της οροβάγχης. Μέθοδοι αλληλούχησης επόμενης γενιάς (Next Generation Sequencing-NGS), όπως η αλληλούχηση μεταγραφώματος (RNAseq) και του γονιδιώματος (Whole Genome Sequencing-WGS) επιστρατεύτηκαν με στόχο τον εντοπισμό γονιδίων που σχετίζονται με ανθεκτικότητα της τομάτας στον παρασιτισμό από οροβάγχη, τη μελέτη της ποσοτικής τους έκφρασης, τη διερεύνηση των μεταβολικών μονοπατιών στα οποία αυτά τα γονίδια εμπλέκονται και την αξιοποίησή τους σε βελτιωτικά προγράμματα καθώς και τον εντοπισμό μονονουκλεοτιδικών πολυμορφισμών (Single Nucleotide Polymοrphisms-SNPs), σε αλληλουχίες συγκεκριμένων γονιδίων με σκοπό αυτή η μελέτη να αποτελέσει την αρχή δημιουργίας μοριακών δεικτών για την άμεση ανίχνευση των ανθεκτικών γονοτύπων τομάτας ως προς τον παρασιτισμό από οροβάγχη. Επιπλέον διερευνήθηκε η ποσοτική έκφραση επιλεγμένων γονιδίων σε σειρές παρεμβολής και επι-μεταλλαγμένους γονότυπους τομάτας με στόχο τη διερεύνηση πιθανών επιγενετικών αλλαγών στα μεταλλάγματα και η δημιουργία επιγενετικών δεικτών. Τέλος, με σκοπό την διερεύνηση της ανθεκτικότητας των υπό μελέτη γονοτύπων τομάτας τόσο σε βιοτικές όσο και σε αβιοτικές καταπονήσεις, για την κατάκτηση μιας πιο ολιστικής προσέγγισης, μελετήθηκε συμπληρωματικά η ανθεκτικότητα των σειρών παρεμβολής σε εδάφη με αυξημένη εδαφική αλατότητα και προτάθηκε η επιλογή συγκεκριμένων χαρακτηριστικών ως δείκτες αντοχής της τομάτας έναντι στην καταπόνηση από αυξημένη αλατότητα εδάφους.Τα ευρήματα της παρούσας διατριβής προσφέρουν ένα πλαίσιο για τους βελτιωτές το οποίο καλύπτει ένα ερευνητικό κενό αναφορικά με την αντοχή της τομάτας στην οροβάγχη και τον μοριακών μηχανισμών που ελέγχουν τον παρασιτισμό. Αναδεικνύονται και άλλα ερευνητικά μονοπάτια προς διερεύνηση, πέραν των ήδη μελετημένων μηχανισμών άμυνας, όπως οι στιγκολακτόνες, καθώς από τα αποτελέσματα της παγκόσμιας βιβλιογραφίας, με τα οποία συνάδει η παρούσα διατριβή, ο παρασιτισμός από οροβάγχη αποτελεί ένα εξαιρετικά πολύπλοκο φαινόμενο που ελέγχεται με παραπάνω από έναν μηχανισμούς του ξενιστή. Η αξιοποίηση της αντοχής των άγριων συγγενικών ειδών τομάτας μέσω της εκμετάλλευσης των ILs με πιθανή συνδυασμένη ανθεκτικότητα σε αβιοτικούς/βιοτικούς παράγοντες καταπόνησης μπορεί να ανοίξει τον δρόμο για τη δημιουργία ποικιλιών τομάτας υψηλής ποιότητας, κατάλληλων για πλήθος δυσμενών περιβαλλόντων, ειδικά λαμβάνοντας υπόψη τις αυξανόμενες προκλήσεις που θέτει η κλιματική αλλαγή.