Approaches to improve firmness in tomato by biotechnological and conventional breeding strategies
Author(s)
Fumelli, Ludovica
Date Issued
May 21, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Tomato (Solanum lycopersicum L.) is one of the most important vegetable crops cultivated worldwide. However, post-harvest losses due to fruit deterioration, premature softening and mechanical damage represent a major challenge for its commercialization, with a significant impact on both food waste and food safety. To address a critical need in the agri-food supply chain, different strategies to improve tomato fruit firmness and shelf-life have been investigated in the present work. The thesis explores both conventional and innovative breeding approaches to enhance fruit firmness and improve fruit quality, while also contributing to achieving a better understanding of mechanisms underlying tomato fruit ripening and softening. In vitro regeneration capacity of three landraces from the Lazio region characterized by poor fruit firmness and reduced shelf-life, was explored with the aim of finding genotypes suitable for genetic transformation. The potential of the CRISPR/Cas9-mediated gene editing in precisely manipulating target genes without compromising other desirable fruit qualities was highlighted by targeting the cell wall-remodeling-enzyme encoding gene SlPL, obtaining Micro-Tom mutants with increased fruit firmness and pathogen resistance. The insights gained from this experiment will help to clarify the complexity of the cell wall disassembly process while opening the possibility to develop resilient and competitive varieties that meet both agronomic and quality needs. In the frame of the HARNESSTOM (H2020) European project, by a genome wide association study performed on the repository collection, QTLs and candidate genes possibly involved in fruit ripening and softening have been identified. Additionally, two composite populations with yellow and orange fruits, derived by crossing parental lines with different allelic composition, were selected by a participatory pedigree breeding scheme that involved farmers, consumers and researchers and led to the selection of more productive and qualitatively improved lines. Moreover, the participatory breeding allowed to positively select plants with improved fruit firmness.
Thus, the outcomes of this research will contribute to deeper our understanding of the genetic control of tomato fruit softening and provide insights for developing improved tomato varieties with enhanced firmness, ultimately benefiting breeders, producers and consumers.
Il pomodoro (Solanum lycopersicum L.) è una delle colture orticole maggiormente coltivate al mondo. Tuttavia, le perdite dovute al deterioramento, al rammollimento e a danni meccanici che si verificano nel post-raccolta rappresentano un’importante sfida per la sua commercializzazione, con impatti negativi sia in termini di spreco che di sicurezza alimentare. Per affrontare questo aspetto critico che si ripercuote su tutte le fasi della filiera, nel presente lavoro sono state esaminate diverse strategie per il miglioramento della consistenza e della serbevolezza della bacca di pomodoro. La tesi esplora approcci di selezione convenzionali e innovativi per l’incremento della firmness e della qualità del frutto, ponendo le basi per una migliore comprensione dei meccanismi coinvolti nella maturazione e nel rammollimento del pomodoro. La capacità di rigenerazione in vitro di tre varietà locali del Lazio, con scarsa consistenza dei frutti e ridotta shelf-life, è stata valutata al fine di individuare genotipi idonei alla trasformazione genetica. Il potenziale del sistema CRISPR/Cas9 nella manipolazione mirata di geni bersaglio, senza la compromissione di aspetti legati alla qualità organolettica del frutto, è stato evidenziato dal targeting del gene SlPL, codificante per un enzima coinvolto nel rimodellamento della parte cellulare, grazie all’ottenimento di mutanti del genotipo Micro-Tom con maggiore consistenza della bacca e ridotta suscettibilità a diversi agenti patogeni. Le conoscenze acquisite grazie a questo esperimento contribuiranno a chiarire la complessità del processo di rimodellamento della parete cellulare e al tempo stesso apriranno alla possibilità di sviluppare varietà resilienti e competitive che soddisfino sia esigenze agronomiche che qualitative della coltura. Nell’ambito del progetto europeo HARNESSTOM (H2020), è stato condotto uno studio di associazione genome-wide sulla collezione di genotipi del progetto, identificando possibili QTLs e geni candidati coinvolti nei processi di maturazione e rammollimento del frutto. Infine, due popolazioni composite a bacca gialla e arancione, derivate dall'incrocio di linee parentali a diversa composizione allelica, sono state valutate in un programma di selezione partecipativa, seguendo uno schema pedigree che ha visto coinvolte diverse figure, come agricoltori, consumatori e ricercatori, e che ha portato all’ottenimento di linee più produttive e migliori da un punto di vista qualitativo. Inoltre, queste attività di selezione partecipativa hanno permesso di operare una selezione positiva per piante caratterizzate da una maggiore consistenza del frutto.
Pertanto, i risultati ottenuti in questo lavoro potranno contribuire ad una più profonda comprensione del controllo genetico del softening del pomodoro e fornire spunti per lo sviluppo di varietà migliorate, a beneficio dei breeder, degli agricoltori e dei consumatori.
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze delle Produzioni Vegetali e Animali
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