A multiomic study to unveil the salt stress tolerance mechanisms in S. pennellii x S. lycopersicum Introgression Lines (ILs) [Uno studio multiomico per svelare i meccanismi di tolleranza allo stress salino nelle linee di introgressione (ILs) di S. pennellii x S. lycopersicum]

Salinity stress significantly disrupts plant metabolism leading to stunted development, reduced yield, and eventually to death. Crops have numerous wild relatives capable of growing under suboptimal conditions. Solanum pennellii, a wild tomato species endemic to the Andean region, thrives in arid and saline habitats, making it an ideal donor of resilience traits for cultivated tomato (Solanum lycopersicum). A collection of S. pennellii (LA1706) x S. lycopersicum (M82) introgression lines (ILs) were developed to assess the impact of specific genomic regions on plant phenotype. Several studies identified chromosome 7 of S. pennellii as a potential source of salt tolerance traits. The IL 7-4-1 (LA4068) was found as the most salt stress tolerant IL genotype. This work aims to identify the mechanism responsible for the salt stress tolerance of IL 7-4-1 and the candidate genes involved, derived from S. pennellii and introgressed in the S. lycopersicum genome. To achieve this, we decided to proceed through a multiomic approach - including genomics, phenomics, transcriptomics and metabolomics. The whole genome sequencing of chromosome 7’s ILs allowed to physically map the introgressed regions of the ILs along the chromosome, finally building a new physical map. Moreover, IL 7-4-1 displayed a surprisingly large introgression of about 59Mb. The phenotype analysis provided a quantitative confirmation of the visibly increased biomass and water retention capacity of this genotype, compared to its parental M82. Transcriptomics, through intragenotype comparisons, confirmed a minor sensitivity to salt stress of IL 7-4-1 than M82, while through the comparison of IL 7-4-1 and M82 in control condition was possible to identify several DEGs (Differentially Expressed Genes) associated with hormonal biosynthesis and cell morphology. Moreover, two candidate genes, ARF6b and CHY1, were identified within the comparison of IL 7-4-1 and M82 in control condition. The analysis of metabolites and lipids showed a clusterization of the compound according to the salt treatment, but not with the genotype. According to this is possible to hypothesize that the resilience of IL 7-4-1 derives from its enhanced growth capacity, regardless of the stress conditions. Finally, three constructs, two for the overexpression of the two candidates and one for the knock-out of ARF6b were designed and produced for the functional analysis of the candidate genes. Approximately 59Mb of the tolerant S. pennellii genome present on chromosome 7 of IL 7-4-1 enhances the plant's growth and vigor, aligning with existing literature on its stress resistance. However, the large size of the introgressed region in IL 7-4-1 poses a challenge, as this complicates detailed analyses necessary for identifying individual candidate genes or QTLs useful for tomato breeding. This limitation can be overcome by creating a set of sub-ILs using IL 7-4-1 and M82 as parentals.

Lo stress salino influisce significativamente sul metabolismo delle piante, portando a uno sviluppo ridotto, a una riduzione della produzione e, infine, alla morte della pianta stessa. Molte colture hanno numerosi “parenti selvatici”, capaci di crescere in condizioni subottimali. Solanum pennellii, una specie selvatica di pomodoro endemica della regione andina, prospera in ambienti aridi e salini, rendendola una perfetta fonte di geni di resilienza per il pomodoro coltivato (Solanum lycopersicum). Una collezione di linee d’introgressione (ILs) di S. pennellii (LA1706) x S. lycopersicum (M82) è stata sviluppata al fine di valutare l'impatto di specifiche regioni genomiche sul fenotipo delle piante. Diversi studi hanno identificato il cromosoma 7 di S. pennellii come una potenziale fonte di tratti di tolleranza al sale. In particolare, IL 7-4-1 (LA4068) si è dimostrato un genotipo tollerante allo stress salino. Questa ricerca mira a identificare il meccanismo responsabile della tolleranza allo stress salino di IL 7-4-1 e i geni candidati coinvolti in esso, provenienti da S. pennellii e introgressi nel genoma di S. lycopersicum. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo deciso di adottare un approccio multi-omico, comprendente genomica, fenomica, trascrittomica e metabolomica. Un’analisi whole genome sequencing delle ILs del cromosoma 7 ha permesso di mappare fisicamente le introgressioni lungo il cromosoma, costruendo infine una nuova mappa fisica. Inoltre, IL 7-4-1 ha mostrato un’introgressione sorprendentemente estesa, di circa 59Mb. L'analisi fenotipica ha fornito una conferma quantitativa della maggiore biomassa e capacità di ritenzione idrica di questo genotipo, rispetto al parentale M82. L’ analisi trascrittomica, attraverso i confronti intragenotipici, ha confermato una minore sensibilità allo stress salino di IL 7-4-1 rispetto a M82, mentre attraverso il confronto di IL 7-4-1 e M82 in condizioni di controllo è stato possibile identificare diversi DEGs (Geni Differenzialmente Espressi) associati alla biosintesi ormonale e alla morfologia cellulare. Inoltre, due geni candidati, ARF6b e CHY1, sono stati identificati nel confronto tra IL 7-4-1 e M82 in condizioni di controllo. L'analisi dei metaboliti e dei lipidi ha mostrato una clusterizzazione dei composti in base al trattamento di sale, ma non al genotipo. Secondo questo è possibile ipotizzare che la resilienza di IL 7-4-1 derivi dalla sua capacità di crescita migliorata, indipendentemente dalle condizioni di stress. Infine, sono stati progettati e prodotti tre costrutti per l'analisi funzionale dei geni candidati, due per la sovraespressione dei geni candidati e uno per il knockout del gene ARF6b. Infine, circa 59Mb del genoma di S. pennellii è presente sul cromosoma 7 di IL 7-4-1, aumentando la crescita e il vigore della pianta, in linea con la letteratura già esistente sulla sua resistenza allo stress. Tuttavia, la grandezza dell’introgressione di IL 7-4-1 rappresenta una sfida, poiché rende più complesso lo svolgimento delle analisi necessarie per identificare singoli geni o QTL candidati, utili per il miglioramento genetico del pomodoro. Questo limite può essere superato producendo un insieme di sub-ILs usando IL 7-4-1 e M82 come parentali.