Association genetics of sucrose, glucose, and fructose contents with SNP markers in Solanum tuberosum Group Phureja

Abstract

High contents of sucrose (non-reducing sugar), glucose and fructose (reducing sugars) in potato tubers represent an undesirable trait for fry processing because reducing sugars lead to potato darkening and the production of toxic compounds such as acrylamide that reduce consumer’s acceptance and generate risks for human health. Association genetics analysis is a strategy to study the molecular basis of complex traits as tuber sugar contents. Colombia leads the production of diploid genotypes named “Creole potato”, which belong to the cultivated Group Phureja and present outstanding organoleptic and nutritional properties. Currently, there are not Phureja cultivars suitable for chip processing because of high levels of reducing sugars in the tubers. The main purpose of this research is to determine the candidate gene regions influencing sucrose, glucose and fructose contents in Solanum tuberosum Group Phureja. Tubers from 108 accessions of the Colombian Core Collection and four commercial cultivars were sown in pots in Soacha (Cundinamarca, 2850 m above the sea level) for sugar content analyses. The harvest of three plants of each genotype constituted three biological replicates. The sugar contents of Phureja genotypes were quantified through a liquid chromatographic method developed and validated using an AMINEX87H column with sulfuric acid 10 mM as eluent. Sucrose, glucose and fructose genotypic mean values varied from 6.39-29.48 mg/g tuber dried weight (DW), 0.46-28.04 mg/g tuber DW, and 0.29-27.23 mg/g tuber DW, respectively. Association analysis was carried out with 111 SNP markers identified in candidate genes with key function in carbohydrate metabolism. This analysis revealed four SNP markers in the locus InvGE from an apoplastic invertase and one SNP marker in the locus SssI from a soluble starch synthase with significant effect in sugar content variation. These enzymes have not been found expressed in mature tubers, therefore these SNP-trait associations might be indirect resulting from the linkage disequilibrium with causal variants, or direct through a potential novel role of these candidate genes controlling sugar contents in tubers.

El alto contenido de sacarosa (azúcar no reductor), glucosa y fructosa (azúcares reductores) en los tubérculos de papa representa un rasgo indeseable en la industria del procesamiento en frito, pues lo azúcares reductores conducen al ennegrecimiento de la papa frita y a la producción de compuestos tóxicos como la acrilamida que reducen la aceptación por los consumidores y ocasionan riesgos para la salud humana. El análisis de asociación genética es una estrategia para estudiar las bases moleculares de rasgos complejos como la acumulación de estos azúcares en tubérculos. Colombia lidera la producción de genotipos diploides conocidos como “papa criolla”, que pertenecen al grupo cultivado Phureja y presentan propiedades organolépticas y nutricionales sobresalientes. Actualmente, no existen cultivares de Grupo Phureja aptos para el procesamiento en frito debido a la alta acumulación de azúcares en los tubérculos. El objetivo de esta investigación fue establecer las regiones de genes candidatos con influencia en los contenidos de sacarosa, glucosa, y fructosa en Solanum tuberosum Grupo Phureja. Tubérculos de 108 accesiones de la Colección Central Colombiana y cuatro cultivares comerciales fueron sembrados en macetas en Soacha (Cundinamarca, 2850 m sobre el nivel del mar). La cosecha de tres plantas de cada genotipo constituyeron tres replicas biológicas. Los azúcares se cuantificaron con cromatografía líquida utilizando una metodología que fue desarrollada y validada con una columna AMINEX HPX 87H utilizando ácido sulfúrico 10 mM como eluyente. Se encontraron valores medios genotípicos de sacarosa, glucosa, y fructosa variando entre 6.39-29.48 mg/g peso seco (PS) de tubérculo, 0.46-28.04 mg/g PS de tubérculo, y 0.29-27.23 mg/g PS de tubérculo, respectivamente. El análisis de asociación genética se efectuó con 111 marcadores SNP identificados en genes candidatos que codifican para enzimas en el metabolismo de carbohidratos. Este análisis reveló cuatro marcadores SNP en el locus InvGE de una invertasa apoplástica y un marcador en el locus SssI de un almidón sintasa soluble con efecto significativo en la variación del contenido de azúcares. Estas enzimas no han sido encontradas expresadas en tubérculos maduros, en consecuencia estas asociaciones rasgo-marcador pueden ser indirectas resultado del desequilibrio de ligamiento con variantes causales, o directa a través de un potencial rol novedoso de estos genes candidatos en el control de la acumulación de azúcares en tubérculos. (Texto tomado de la fuente).