Chile es uno de los principales países donde se llevan a cabo diversos programas de mejoramiento genético de plantas. En estos, se evalúa, selecciona y multiplica el germoplasma de diversos cultivos para desarrollar nuevos cultivares y/o variedades vegetales. En ese contexto, durante décadas los fitomejoradores se han centrado tradicionalmente en la selección direccional o artificial de las características de las plantas para obtener mayores rendimientos en ambientes o condiciones particulares. De hecho, la selección artificial ha producido cultivares notablemente productivos que son estables en diversos ambientes y/o localidades. Por otro lado, la capacidad de una planta para modificar su fenotipo en respuesta al medio ambiente (es decir, la plasticidad) se ha propuesto como objetivo de mejoramiento para aumentar la productividad agrícola.

Se sabe que la plasticidad del fenotipo corresponde a un rasgo complejo con base hereditaria, y durante la última década varios especialistas han comenzado a estudiarla en diversos cultivos y rasgos. La mayoría de los rasgos incluyen morfología, rendimiento de grano y resistencia a diferentes estreses de tipo abiótico, que son deseables para fines de fitomejoramiento. Específicamente, la plasticidad de los rasgos de la raíz se ha propuesto como un objetivo clave para el desarrollo de cultivos más productivos en ambientes variables, especialmente en condiciones de déficit hídrico.

Para dar continuidad al proyecto Fondecyt iniciación 2018-2022, en la propuesta del fondo puente se plantea generar una población de familias de medios-hermanos de Lagenaria siceraria para su evaluación en experimentos de campo en condiciones de déficit hídrico. En este contexto, los objetivos específicos planteados son:

Evaluar el porcentaje de injertación en una población de familia de medios hermanos de L. siceraria con variedades de sandía mediante tasas de prendimiento-compatibilidad
Caracterizar el sistema de arquitectura de raíces en una población de familia de medios-hermanos de Lagenaria siceraria

Para lograr lo anterior, se plantean las siguientes actividades: 1) ingresar material genético de L. siceraria (en forma de semillas) desde Banco de Germoplasma de Japón, 2) multiplicar semillas y generar una progenie de familias de medios-hermanos, 3) injertar estos portainjertos con variedad(es) comercial(es) de sandía y evaluar las tasas de prendimiento-compatibilidad de la injertación y 4) caracterizar los rasgos de la arquitectura del sistema radical en condiciones de riego deficitario.

En detalle, los aspectos que pretende abordar el proyecto puente se plantean con el propósito de fortalecer y mejorar la competitividad del PI en término de publicaciones. El desarrollo de estas actividades dará continuidad a la investigación del PI y permitiría aumentar el número e impacto de las publicaciones para una próxima postulación a fondos externos, o en su defecto avanzar con la investigación para no afectar los tiempos de desarrollo de la investigación del PI. Por otra parte, este fondo apoyará la investigación del PI, considerando su reciente postulación al concurso Fondecyt Regular.

Finalmente, esta investigación representa una propuesta novedosa que contribuye al estudio de la plasticidad de los rasgos de la raíz y la variación de la arquitectura del sistema radical en una población de familias de medios hermanos de L. siceraria en el contexto de un programa de mejoramiento genético. Además, este trabajo también podrá contribuir con la identificación de genes y alelos que serían relevantes para establecer las diferencias moleculares en las respuestas plásticas de L. siceraria tanto en condiciones de déficit hídrico y normales de riego. De hecho, también se espera que algunas de estas accesiones sean consideradas en futuras investigaciones como portainjertos potenciales para cucurbitáceas en ambientes específicos.

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Chile is one of the principal producer and exporter country of fruit and vegetable crops in the southern
hemisphere. In both fruit and vegetable crops there are an increasing concern about agriculture sustainability
that includes the evaluation and implementation of practices with lower environmental impact. In this
context, and considering the modern vegetable crop production, the use of rootstocks is being considered an
essential component due to their ability to adapt a particular cultivar to diverse environmental conditions
and/or cultural practices.
In agriculture, rootstocks have been used since over 2000 years ago. Specifically, in cucurbits, the most
grafted vegetable crops are watermelon, melon and cucumber. For watermelon, Lagenaria siceraria (bottle
gourd) has been used in different countries as one of the main rootstocks. Considering the recent agricultural
scenario, in which drought represent the major risk that impacts negatively the production of major and
minor crops, the rootstocks development and the understanding of the role of key root traits would help to
assist breeders for drought tolerance landraces selection. In fact, the effects of water regime or deficit on
root system development of bottle gourd is not well understood, in addition, the underlying phenotypic and
genotypic variability of bottle gourd with respect to root system architecture parameters has not been welldocumented.
A crucial component of roots is their architecture, which refers to the spatial-temporal extension of the entire
root system in the soil, the root system architecture (RSA). RSA traits, or phenes, has been shown to be
important in agricultural systems, in fact, it is considered relevant for improve selection in fruit and vegetable
rootstocks breeding programs. Understanding the contribution of specific RSA traits to root system function
is critical, and plays a pivotal role in crop performance because it allows the identification of keys traits that
contribute in desired functions, and consequently could be considered for developing crops with more efficient
roots.
In this proposal it is hypothesized that, landraces of Lagenaria siceraria shows high phenotypic and genotypic
variation for RSA traits like Root Growth Angle (RGA) and Roots System Depth (RSD). In turn, these phenes
are positively correlated with drought tolerance and therefore useful to develop rootstocks with this
characteristic in Lagenaria siceraria. In addition, it is also hypothesized that selected L. siceraria rootstocks
are able to confer to grafted varieties of watermelon (Citrullus lanatus) an enhanced tolerance to drought.
For that, the main goal is to evaluate the root system architecture as parameter of selection for drought
tolerance in different Lagenaria siceraria landraces and in grafted plants of watermelon (Citrullus lanatus).
The specific goals are: 1. To assess the phenotypic and genotypic variation of Lagenaria siceraria landraces
by using root system architecture parameters and genotyping-by-sequencing through SNP markers; 2. To
determine the root system architecture parameters that help into the selection of Lagenaria siceraria under
drought stress condition; 3. To characterize the response to drought stress of watermelon grafted onto
Lagenaria siceraria landraces under field conditions after the selection through the root system architecture
parameters.
To reach this goals it is proposing the phenotypic characterization of root traits (phenes) in Lagenaria siceraria
landraces in a greenhouse under drought stress condition. The genotypic variation of bottle gourd will be
studied by using Genotyping-by-sequencing, principal component analysis and genetic relatedness (identityby-state). A multivariate statistical analysis will be implemented to select key root phenes which will be used
to evaluate the selection of L. siceraria in a rootstock breeding program. These root phenes will be
characterized in grafted plants of watermelon into L. siceraria under field conditions by using the shovelomics
phenotyping method.
This proposal expects to contribute with the knowledge of genotypic and phenotypic variation in bottle gourd
for root system architecture traits, and to identify the possibilities that offers the key root phenes to screen
rootstocks for drought tolerance. These results would be relevant for the selection and breeding of cucurbits
rootstock with better tolerance to drought. It is also expected that some of these Lagenaria siceraria
landraces will be important rootstock for watermelon under semi-arid conditions of Chile.

El cromatógrafo permite evaluar aspectos tan importantes como la calidad de la fruta, cantidad y tipos de azúcares que tiene, o algunos compuestos nutricionales que puedan ser de valor en la investigación y en la valorización de los productos agrícolas

El aumento de los recursos tecnológicos y la automatización de los procesos agrícolas ha contribuido en gran medida al desarrollo de nuevas tecnologías que permiten caracterizar y evaluar el fenotipo de las plantas. Específicamente, las tecnologías de fenotipado de plantas son muy importantes para acelerar los programas de
mejoramiento en cultivos agronómicamente importantes, y contribuyen en el proceso de selección para el desarrollo y posterior lanzamiento al mercado de nuevas variedades y cultivares. Los sistemas de visión unidimensionales (1D) y bidimensionales (2D) han sido una parte integral de la implementación exitosa de la automatización agrícola y la robótica en los procesos agrícolas. Sin embargo, las técnicas basadas en imágenes en 2D son insuficientes para investigar las estructuras espaciales de las plantas. En este sentido, la reconstrucción por medio de imágenes 3D de plantas y la adquisición de su información espacial es una forma alternativa eficaz para resolver estos problemas. En este sentido, el objetivo del presente proyecto es obtener de forma automática la estructura tridimensional del sistema de arquitectura de raíces de una planta e identificar parámetros morfológicos asociados con dicha estructura. Para ello se propone construir un prototipo, a partir de cámaras de bajo costo, para la reconstrucción automatizada de la estructura 3D de plantas, junto con la posterior detección y medición de los rasgos morfológicos de esta misma.

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La sequía representa más del 80% de los daños y pérdidas de los cultivos en todo el mundo. En la zona
Central de Chile se han presentado 9 años de sequía ininterrumpida desde el 2010, con un déficit promedio
de precipitaciones de 20 a 40%. Esto ha generado que el 88% de los agricultores de la zona central reporten
un incremento en la ocurrencia de sequía en sus cultivos, siendo este el principal estrés abiótico asociado a
la pérdida de cosechas y suministro sostenible de alimentos. La adaptación o tolerancia al estrés hídrico en
los cultivos, está asociada con la modificación de diversas respuestas morfológicas y fisiológicas de las
plantas, entre las que se incluyen cambios en el desarrollo del sistema radicular, ajustes en la tasa de
crecimiento, inducción del cierre de estomas, ajuste osmótico, activación de enzimas antioxidantes,
acumulación de fitohormonas y la regulación transcripcional de muchos genes.
La sandía (Citrullus lanatus (Thunb.) Matsum. and Nakai) es una de las especies más cultivadas de la
familia Cucurbitaceae, debido a su importancia económica, alto valor nutricional y beneficios para la salud
(por ejemplo, antioxidantes, carotenoides, citrulina, flavonoides, vitaminas (A, B y C) y minerales). La
producción mundial de sandía para el 2020 fue de 101.62 millones de toneladas aproximadamente, lo que
la sitúa como la segunda fruta fresca más producida a nivel mundial. Particularmente en Chile, en el año
2020, la sandía fue la decimotercera fruta más producida (57,382 mil toneladas), siendo la región de
O’Higgins la principal productora del país. El cultivo de sandía prospera mejor en áreas cálidas, ya que
requiere altas temperaturas (>25°C) para un crecimiento óptimo. Aunque la sandía prefiere un ambiente
cálido y seco, es conocida por su alta susceptibilidad al estrés hídrico, por lo que su rendimiento está asociado
a la disponibilidad hídrica en la región o áreas en que se cultive. En este sentido, una de las principales
estrategias para reducir las pérdidas de producción agrícola en condiciones de estrés hídrico, es el cultivo de
variedades de alto rendimiento injertándolas en portainjertos tolerantes a este tipo de estrés, con un sistema
radicular eficiente en el uso del agua, como por ejemplo, Lagenaria siceraria. Particularmente, L. siceraria es
una especie perteneciente a la familia de las Cucurbitaceae, la cual es utilizada como portainjerto para el
cultivo de la sandía, debido a que presenta resistencia a bajas temperaturas y enfermedades transmitidas a
nivel de suelo (por ejemplo, Fusarium). Se ha informado que L. siceraria es más tolerante a la sequía en
comparación con otras cucurbitáceas, ya que aumenta la absorción de agua y nutrientes del suelo, ayudando
al crecimiento de las plantas. Sin embargo, el uso de L. siceraria como portainjerto de sandía para enfrentar
el estrés hídrico es limitado o nulo, particularmente existe desconocimiento de los mecanismos moleculares
por el cual los portainjertos controlan el crecimiento de las plantas injertadas frente al estrés.
Bajo condiciones de estrés hídrico, las raíces son el primer órgano que percibe la falta de agua en el
suelo, y comunican esta restricción como una señal de estrés a los brotes. En este sentido, se ha reportado
que en injertos de solanáceas y vitáceas el portainjerto induce una reprogramación transcripcional extensa
en los brotes, especialmente de genes que participan en la transducción de señales de fitohormonas.
Particularmente, el Ácido Abscísico (ABA) desempeña un papel fundamental en la regulación del crecimiento
y la defensa de las plantas en situaciones de estrés hídrico, ya que se ha descrito como un integrador central
que vincula y reprograma las complejas cascadas de señalización adaptativa en respuesta al estrés hídrico.
Sin embargo, ABA no es la única fitohormona involucrada en la respuesta al estrés hídrico, ya que se ha
descrito que otras fitohormonas, tales como, ácido salicílico, ácido jasmónico y auxinas, están asociadas a la
regulación del crecimiento en condiciones de estrés hídrico, interactuando entre ellos mismos y/o con otros
factores. Por lo tanto, considerando lo señalado anteriormente, se plantea la hipótesis de que la tolerancia
al estrés hídrico en sandía injertada sobre L. siceraria está relacionada con el aumento en la expresión de
genes relacionados con la biosíntesis, metabolismo y señalización de ABA y otras fitohormonas en las hojas
del injerto C. lanatus y las raíces del portainjerto L. siceraria, lo cual confiere tolerancia al estrés hídrico en
C. lanatus. Cabe destacar que, los resultados generados en este estudio, contribuirán a la comprensión de
las respuestas a la sequía en las plantas, asociadas a diferentes fitohormonas, y servirán como un recurso
público disponible para futuros estudios de expresión génica, genómicos y funcionales de C. lanatus y L.
siceraria.