Meziodrůdová variabilita bramboru z pohledu CNV analýzy genů metabolické dráhy a obsahu glykoalkaloidů

Bc. Jan Štich

Master's thesis

Intervarietal variability of potatoes from the point of view of CNV analysis of metabolic pathway genes and glycoalkaloid content

Abstract:

Tato práce byla zaměřena na zkoumání genetických faktorů ovlivňujících obsah steroidních glykoalkaloidů (SGA) v bramborách se zaměřením na změny počtu kopií (CNV) specifických genů zapojených do biosyntézy SGA. SGA, především α-solanin a α-chaconin, jsou významné kvůli své dvojí roli, a to jako přirozené obranné látky rostlin a potenciální zdravotní nebezpečnosti ve vysokých koncentracích. Pochopení genetického základu variability obsahu SGA má zásadní význam pro šlechtění odrůd brambor s optimálními hladinami SGA – dostatečně vysokými, aby poskytovaly odolnost vůči škůdcům, ale dostatečně nízkými, aby byly bezpečné pro konzumaci. V této práci jsme použili metodu ddPCR (Droplet Digital PCR) ke kvantifikaci CNV genů SGT1, SGT2 a SGT3 u různých odrůd brambor. Metoda ddPCR poskytla vysoce přesný a citlivý prostředek k měření počtu kopií genů, což je kritický faktor, o němž jsme předpokládali, že ovlivňuje biosyntézu SGA. Analýza odhalila nízkou variabilitu CNV těchto genů mezi zkoumanými odrůdami, kvůli které nebylo možné prokázat statisticky významnou závislost. Studie byla provedena v kontrolovaných skleníkových podmínkách, kde byly standardizovány faktory prostředí, jako je složení půdy, dostupnost živin a zavlažování, aby se minimalizovaly vnější vlivy na výsledky. Navzdory těmto kontrolním opatřením poukázala variabilita obsahu SGA pozorovaná mezi biologickými replikáty na komplexní interakci mezi genetickými faktory a podmínkami prostředí. Výsledky statistických analýz pomocí ANOVY neodhalily žádný významný vliv CNV na koncentrace α-solaninu a α-chaconinu. To bylo poněkud neočekávané a ukazuje to na možnost existence jiných regulačních mechanismů, které ovlivňují biosyntézu SGA v bramborách. Zdůrazňuje to složitost biosyntézy sekundárních metabolitů v rostlinách a naznačuje, že budoucí studie by měly zohlednit širší škálu genetických a environmentálních faktorů, aby bylo možné plně porozumět determinantům hladin SGA v bramborách. Kromě toho má tento výzkum významné důsledky pro šlechtitelské programy brambor. Naznačuje, že pouhý výběr specifických CNV v genech SGT nemusí stačit ke spolehlivé změně obsahu SGA v pěstovaných odrůdách. Místo toho může být zapotřebí komplexnější přístup, který zahrnuje řízení prostředí a případně manipulaci s více geny zapojenými do metabolické dráhy. Tento komplexní přístup nejen zdůraznil úlohu genetických faktorů při ovlivňování obsahu SGA, ale také podtrhl vliv typu bramborového pletiva (listů, dužniny a slupky) na obsah SGA. Tukeyovy HSD testy poskytly podrobný pohled a odhalily, že různé odrůdy brambor vykazují v různých typech pletiv různé hladiny SGA, což naznačuje jejich potenciální využití ve šlechtění nových odrůd. Odrůdy s vysokým obsahem SGA ve slupce a listech by mohly být zaměřeny na vlastnosti odolnosti vůči škůdcům, zatímco odrůdy s nižším obsahem v dužnině by mohly být vhodnější pro kulinářské využití.

Abstract:

This work was focused on the investigation of genetic factors affecting steroid glycoalkaloid (SGA) content in potato, with a focus on copy number variation (CNV) of specific genes involved in SGA biosynthesis. SGAs, especially α-solanine and α-chaconine, are important due to their dual role as natural plant defence substances and potential health hazards at high concentrations. Understanding the genetic basis of variation in SGA content is essential for breeding potato varieties with optimal levels of SGAs – high enough to provide resistance to pests but low enough to be safe for consumption. In this study, we used the droplet digital PCR (ddPCR) method to quantify CNVs of SGT1, SGT2 and SGT3 genes in different potato varieties. The ddPCR method provided a highly accurate and sensitive means of measuring gene copy number, a critical factor that we hypothesized affects SGA biosynthesis. The analysis revealed low variability in the CNV of these genes among the varieties studied, due to which it was not possible to demonstrate a statistically significant relationship. The study was conducted under controlled greenhouse conditions where environmental factors such as soil composition, nutrient availability and irrigation were standardized to minimize external influences on the results. Despite these control measures, the variability in SGA content observed among biological replicates indicated a complex interaction between genetic factors and environmental conditions. Results of statistical analyses using ANOVA revealed no significant effect of CNV on α-solanine and α-chaconin concentrations. This was somewhat unexpected and suggests the possibility of other regulatory mechanisms affecting SGA biosynthesis in potato. It highlights the complexity of secondary metabolite biosynthesis in plants and suggests that future studies should consider a wider range of genetic and environmental factors to fully understand the determinants of SGA levels in potato. In addition, this research has important implications for potato breeding programs. It suggests that simply selecting for specific CNVs in SGT genes may not be sufficient to reliably alter SGA content in cultivated varieties. Instead, a more comprehensive approach may be needed that involves environmental management and possibly manipulation of multiple genes involved in the metabolic pathway. This comprehensive approach not only emphasized the role of genetic factors in influencing SGA content, but also highlighted the influence of potato tissue type (leaf, flesh and peel) on SGA content. Tukey's HSD assays provided a detailed insight and revealed that different potato varieties exhibit different levels of SGA in different tissue types, suggesting their potential use in breeding new varieties. Cultivars with high levels of SGA in the skin and leaves could be targeted for pest resistance traits, while cultivars with lower levels in the flesh might be more suitable for culinary use.

Keywords

Solanum tuberosum, DNA, CNV, α-solanin, α-chaconin

Keywords

Solanum tuberosum L., DNA, α-solanine, α-chaconine, CNV

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 4. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 20. 5. 2024
• Supervisor: Ing. Vladimíra Sedláková, Ph.D.
• Reader: Jiří Ptáček, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme / specializace:
Biotechnology / Biotechnology and Plant Breeding