Caracterización de los oligosacáridos de la familia rafinosa (RFO) en variedades locales de Phaseolus vulgaris

Abstract

Phaseolus vulgaris, o poroto común, es una legumbre de gran importancia a nivel mundial; nutricionalmente, debido a su alto contenido de fibra y proteínas, bajos niveles de grasas y colesterol además de ser económicamente accesibles; y medioambientalmente, por su contribución al enriquecimiento y fertilidad de los suelos. Sumado a ello, es una especie ampliamente diversa a lo largo de América, donde solo en Chile se encuentran más de 200 variedades distintas que no han sido estudiadas en detalle. Actualmente hay una creciente necesidad de reemplazar (como mínimo de forma parcial) la proteína de origen animal por la de origen vegetal, en favor de la salud tanto humana como medioambiental. P. vulgaris constituye una buena fuente de proteína vegetal, fibra y minerales, a la vez que su producción presenta un mayor índice de conversión proteico, y menor huella hídrica y de carbono que la producción de alimentos de origen animal. Sin embargo, su consumo a nivel nacional ha ido en declive con el paso de los años, por razones tanto culturales como fisiológicas asociadas a su ingesta, esto último a causa de los llamados factores anti-nutricionales. Entre los mencionados se encuentran los factores asociados a flatulencia, que corresponden a oligosacáridos de la familia rafinosa (RFOs). La vía de biosíntesis de los RFOs en P. vulgaris no se encuentra descrita en detalle en la literatura. Por estas razones P. vulgaris constituye un blanco interesante para un análisis de diversidad genética, así como también para una caracterización del contenido de RFOs por variedad local. Dentro del marco de este seminario de título se analizó la diversidad genética y cuantificó los niveles de RFOs de variedades locales de P. vulgaris pertenecientes al banco de germoplasma de la Facultad de Ciencias Agronómicas de la Universidad de Chile. Se caracterizó la diversidad genética de 18 variedades locales mediante el uso de marcadores moleculares, y se cuantificó el contenido de RFOs de sus granos utilizando un método de cuantificación colorimétrico. Los resultados indicaron que hay poca diversidad genética en esta colección de P. vulgaris (Ho=0,1). Con respecto al contenido de RFOs, cuatro de 18 variedades locales escapan de los valores agrupados dentro de la desviación estándar. Por un lado, se encuentra Cranberry (6,353 mmol/100g), por el extremo superior de los datos; mientras que Juanita (4,421 mmol/100g), Bio Bio (4,145 mmol/100g) y Orfeo (3,31 mmol/100g) están por el extremo inferior. Mediante BLASTs bidireccionales realizados en contra del genoma de Arabidopsis y de distintas fabáceas, se identificaron en total siete posibles genes ortólogos en el genoma de P. vulgaris que codifican para las enzimas de la vía de biosíntesis de RFOs. Los códigos de acceso de estos genes son los siguientes: PHAVU_001G215300g, PHAVU_001G223700g, y PHAVU_007G203400g en el caso de GolS; PHAVU_009G175400g, PHAVU_004G007100g y PHAVU_008G282600g para RafS; y PHAVU_001G214300g para StS. Los resultados obtenidos en este estudio dan cuenta de la diversidad a nivel tanto genotípico como fenotípico de las variedades trabajadas. Esta información en conjunto con lo que se obtuvo sobre los genes de la vía, abren las puertas para estudios sobre cómo es regulada la biosíntesis de RFOs en la especie P. vulgaris, y como la diversidad génica afecta la acumulación de RFOs en las variedades chilenas de poroto.

Phaseolus vulgaris, also known as the common bean, it a pulse of great importance worldwide; nutritionally, due to its high fiber and protein content, low fat and low cholesterol levels as well as it being economic accessible; and environmentally, since it contributes to the enrichment and fertility of soils. In addition to this, it is a very diverse species throughout the Americas, where there are more than 200 landraces just in Chile that have not been studied in detail. Currently there is a growing need to replace (at least partially) animal protein to plant protein, in favor of both human and environmental health. P. vulgaris is a good source of plant protein, fiber, and minerals, while its production has a higher protein conversion rate, and a lower water and carbon footprint than the production of foods of animal origin. However, bean consumption at a national level has declined over the years, for both cultural and gastrointestinal reasons, the latter due to the so-called anti-nutritional factors. Among these are flatulence factors, which is associate with the levels of raffinose-family oligosaccharides (RFOs). The biosynthetic pathway of RFOs in P. vulgaris is still poorly described in the literature. For this reasons, P. vulgaris constitutes and interesting target for a genetic diversity analysis, as well as for a characterization of the RFOs content by landrace. Within the framework of this thesis 18 P. vulgaris landraces were analyzed, characterizing their genetic variability through SSR molecular markers, and determining each landrace RFO content through a colorimetric quantification method. Results indicated that there is little genetic diversity in this collection of P. vulgaris (Ho=0,1). Regarding the RFO content, four out of 18 landraces fall outside the grouped values within the standard deviation. These are Cranberry (6,353 mmol/100g) on the upper end of the data; and Juanita (4,421 mmol/100g), Bio Bio (4,145 mmol/100g) and Orfeo (3,31 mmol/100g) on the lower end. Through bidirectional BLASTs performed between P. vulgaris genome against A. thaliana as well as several Fabaceae family species genomes, a total of seven putative orthologous genes were identified in P. vulgaris genome that encode for the enzymes of the RFO biosynthesis pathway. The accession IDs of these genes are the following: PHAVU_001G215300g, PHAVU_001G223700g, and PHAVU_007G203400g for Galactinol Synthase (GolS); PHAVU_009G175400g, PHAVU_004G007100g and PHAVU_008G282600g for Raffinose Synthase (RafS); and PHAVU_001G214300g for Stachyose Synthase (StS). The results obtained in this study account for the diversity at both the genotypic and phenotypic levels of the landraces worked on. This, together with the information obtained about the genes of the pathway, can lead to future studies on how the RFOs biosynthesis pathway is regulated in the P. vulgaris species, and how the genetic diversity affects the RFOs accumulation in Chilean landraces of P. vulgaris.