Din cauza auto-incompatibilității puternice, majoritatea soiurilor comerciale de măr (Malus domestica) necesită polenizare de către un alt soi. Partenocarpia (fructele care se dezvoltă fără polenizare) și autocompatibilitatea sunt două trăsături de dorit care pot proteja culturile de mere de problemele viitoare de polenizare cauzate de scăderea raportată a numărului de polenizatori și de condițiile meteorologice nefavorabile cauzate de schimbările climatice.

Ce este partenocarpia și autocompatibilitatea la meri
Partenocarpia (dezvoltarea fructelor fără fertilizare) și autocompatibilitatea (multirea fructelor fără a fi nevoie de polen din alt pom) sunt trăsături transformatoare în creșterea mărului, oferind potențialul de a îmbunătăți eficiența reproducerii și de a asigura o producție consistentă de fructe.

Aceste trăsături sunt deosebit de valoroase în condiții meteorologice nefavorabile, când polenizarea tradițională încrucișată poate eșua și, de asemenea, satisfac cererea consumatorilor pentru fructe fără semințe. În ciuda importanței lor, accesările cu trăsături partenocarpice puternice sau autocompatibile au fost limitate, reprezentând o provocare pentru crescătorii care doresc să dezvolte soiuri durabile din punct de vedere ecologic și de înaltă calitate.

Partenocarpia poate apărea în mod natural din cauza variațiilor genetice sau poate fi indusă prin aplicarea de hormoni vegetali exogeni. Auxinele și giberelinele sunt hormonii cei mai des utilizați pentru inducerea fructelor partenocarpice.

Alți hormoni vegetali, inclusiv citokininele, etilena și acidul abscisic, joacă, de asemenea, un rol în reglarea sau participarea la apariția și creșterea fructelor partenocarpice. Mai multe gene legate de hormoni sunt implicate în inducerea partenocarpiei. Cu toate acestea, mecanismele moleculare complexe care stau la baza partenocarpiei în diferite culturi rămân în mare parte necunoscute.

Autocompatibilitatea este un mecanism genetic care controlează creșterea tuburilor de polen pentru a asigura autopolenizarea. Spre deosebire de partenocarpie, fructele auto-polenizate de genotipuri autocompatibile conțin semințe. Mărul, ca și alte culturi de fructe, prezintă de obicei auto-incompatibilitate, în care creșterea tuburilor de auto-polen se oprește, prevenind astfel autopolenizarea.

Baza genetică a auto-incompatibilității plantelor este locusul de auto-incompatibilitate (S-locus) extrem de polimorf, constând din gene determinante S masculine și feminine legate genetic în haplotipul S. Locul S determină dacă o plantă își poate accepta propriul polen (autocompatibilitate) sau îl poate respinge (auto-incompatibilitate).

La măr, locusul S codifică proteine ​​determinante masculine care recunosc și fac proteinele determinante feminine dependente inactive, permițând astfel creșterea dependentă a polenului și fertilizarea încrucișată, în timp ce proteinele determinante feminine dependente rămân active și citotoxice și opresc creșterea independentă a tubului de polen. Acest sistem promovează diversitatea genetică prin facilitarea încrucișării. Cu toate acestea, mutațiile sau modificările locului S pot duce la autocompatibilitate, permițând plantei să-și accepte propriul polen și să fie supusă autofertilizării.

Candidații au fost identificați
Mărul este unul dintre cele mai cultivate fructe din lume, apreciat pentru gustul său, valoarea nutritivă, termenul de valabilitate și comoditatea sa.

Genul Malus, care aparține familiei Rosaceae, include aproximativ 30 de specii. Majoritatea plantelor din Malus sunt non-partenocarpice și auto-incompatibile, necesitând polenizare încrucișată pentru a produce semințe și fructe.

Autocompatibilitatea la soiurile diploide este rară, doar câteva soiuri identificate ca pseudo-compatibile, cum ar fi „Cox’s Orange Pippin”, sau pe deplin compatibile, cum ar fi „Megumi”, în timp ce soiurile autotetraploide sunt de obicei autocompatibile, depășind auto-incompatibilitatea prin „inhibarea competitivă”, în care polenul diploid conține doi polen diploizi.

S-a raportat că mai multe exemplare de mere prezintă partenocarpie, cum ar fi „Rae Ime”, „Wellington Bloomless” și „Spencer Seedless”. În ciuda acestui fapt, datele de screening sistematic al germoplasmei lipsesc, iar materialul de reproducere disponibil pentru autocompatibilitatea și trăsăturile de partenocarpie este limitat.

Deși mai multe studii au investigat partenocarpia și autocompatibilitatea în creșterea merelor, rămân provocări semnificative, inclusiv diversitatea limitată a colecțiilor de germoplasmă și lipsa markerilor genetici fiabili.

"În acest studiu, am investigat partenocarpia și autocompatibilitatea într-o colecție de 520 de accesări Malus folosind un sistem de însacare a florilor. Pentru a arăta rezultate consistente, unele probe au fost introduse în pungi în mod repetat pe o perioadă de trei ani. De asemenea, am identificat gene potențial asociate cu partenocarpie și autocompatibilitate folosind un studiu de asociere la nivel de genom (GWAS). polenizarea încrucișată, îmbunătățind astfel eficiența sistemelor de producție de mere”, scriu autorii.

Studiu de ambalare
Cele 520 de accesări Malus utilizate în acest studiu au fost obținute de la Institutul din Noua Zeelandă pentru Cercetarea Plantelor și Alimentelor Limited, situată la Centrul de Cercetare Hawke Bay.

s, Havelock North, Noua Zeelandă. Datele meteorologice și climatice pentru condițiile de creștere a mărului au fost înregistrate zilnic în timpul sezonului de primăvară (1 septembrie - 30 noiembrie) timp de trei ani la Centrul de Cercetare din Hawke's Bay. Această perioadă este crucială pentru înflorirea și fructificarea pomilor de măr.

Probele de Malus au inclus 436 de probe de M. domestica și 84 de probe de diferite specii sălbatice de Malus. Pentru fiecare accesare, a fost selectat câte un arbore pentru analiza producției de fructe atât din flori în pungi, cât și din flori polenizate natural (flori polenizate deschise, OP). Pe aceiași copaci, trei ciorchini de flori din scena balonului au fost acoperite cu o pungă de hârtie interioară și o pungă exterioară de plasă, iar trei ciorchini de flori au fost marcate pentru OP.

Tăierea selectivă a fost folosită pentru a reduce competiția pentru nutrienți și pentru a promova dezvoltarea fructelor în pungi. De exemplu, pe o ramură a unui copac mare s-au păstrat doar florile împachetate în pungi. Florile pentru OP au fost amplasate pe diferite ramuri. Pentru copacii tineri mici și fără multe ramuri, doar florile în pungi și florile etichetate pentru OP au fost reținute și toate florile în exces au fost îndepărtate. Numărul de fructe a fost evaluat la 30-45 de zile după înflorirea completă. Numerele fructelor au fost înregistrate împreună cu numărările din trei grupuri OP comparabile. După evaluarea inițială, sacul de hârtie a fost îndepărtat și sacul din plasă a fost lăsat să acopere în continuare fructele în curs de dezvoltare.

„Dacă fructele s-au dezvoltat din flori ambalate, aceasta a indicat prezența autocompatibilității sau a partenocarpiei, în funcție de faptul dacă fructele au conținut semințe. Am observat și evaluat o gamă de expresii fenotipice în rândul accesiunilor, de la slab la puternic atât în ​​partenocarpie, cât și în potențială autocompatibilitate. Partenocarpia puternică a fost observată la 4% din 5 specii și Malus95% din probe. Probele de M. domestica a fost demonstrată o autocompatibilitate puternică în 5,95% din probele de specii de Malus sălbatice și 2,75% din probele de M. domestica `Kosikove` (M. domestica), M. trilobata (M. spp.) și Aotea 83 (hibrid M. micromalus × M. pumila) pentru partenocarpie și `Yoko` (M. domestica), `Katija` (M. domestica) și M. baccata `Gracilis` pentru autocompatibilitate. În plus, unele accesări au arătat atât partenocarpie, cât și autocompatibilitate în diferiți ani, precum M. florentina, Aotea 149, `Garnet` și X6163. De asemenea, a fost efectuat un studiu de asociere la nivel de genom (GWAS) cu o matrice SNP de mare capacitate. Această analiză a identificat mai multe gene potențial asociate cu aceste trăsături. Acest studiu oferă accesări de mere partenocarpice și autocompatibile pentru reproducere, care ar putea crea noi soiuri care elimină nevoia de polenizare încrucișată sau produc fructe fără semințe fără polenizare”, notează autorii studiului.

Concluzii

În concluzie, majoritatea speciilor de Malus prezintă o puternică auto-incompatibilitate, controlată în primul rând de locusul S, care împiedică autofertilizarea.

Rezultatele studiului au arătat o frecvență scăzută a partenocarpiei și autocompatibilitate în rândul accesărilor de măr. În natură, plantele cu tendințe partenocarpice puternice pot avea mai puțin succes deoarece fructele fără semințe nu contribuie la succesul reproductiv al speciei. În mod similar, sistemele de incompatibilitate genetică au îmbunătățit selecția naturală pentru trăsăturile auto-incompatibile la merele cultivate, făcând rare exemplarele autocompatibile.

Important, acest studiu a identificat trăsături partenocarpice și autocompatibile atât la speciile M. domestica, cât și la speciile sălbatice de Malus, demonstrând potențialul de încorporare a acestor trăsături în programele de creștere a mărului. Deși incidența generală a partenocarpiei puternice și a autocompatibilității a fost relativ scăzută, accesările identificate oferă resurse genetice valoroase pentru dezvoltarea soiurilor capabile să dea fructe fără polenizare încrucișată sau să producă fructe fără semințe.

Pe baza unui articol al unui grup de autori (Rongmei Wu, Xiaoying Chen, Bing Xia, Yujia, Claire Molloy, Ruiling Wang, Hilary S. Ireland, Robert J. Shaffer, Satish Kumar, Jia-Lun Yao) publicat în revista Horticulturae 2024 pe www.mdpi.com.