Time course gene expression profiling of cassava roots (Manihot esculenta) under physiological postharvest deterioration

Abstract

The economic expansion of tropical root crop cassava is threatened by the rapid physiological postharvest deterioration (PPD) developed within the first 48 hours after harvest. This phenomenon contributes substantially to economic losses for cassava farmers, and limits the production of cassava for industrial purposes. Genetic variation of cassava with potential to solve the problem has been scarce, as well as information about genes involved in PPD. In an effort to increase our understanding about PPD, Puerto Rican cassava germplasm collection was evaluated for its potential for tolerance to PPD testing both visual and digital image analysis methodologies. PPD evaluation identified two cassava accessions (MCol 2215, high PPD, and SM 494-1, low PPD) with contrasting levels of PPD. These accessions were used to study the changes in gene expression of a selection of 21 genes. Selected genes are associated with several biological processes include biosynthesis, plant defense, response to wounding, oxidative stress, program cell death, cyanide detoxification, cell wall, water transport and sulfur metabolism. Expression patterns were evaluated in cortex and pith tissue from roots of contrasting accessions subject to varying times after harvest (0, 1, 24, 72, and 120 hours). Changes in gene expression were evaluated using real time PCR. Prior to the assessment of expression patterns of the target genes, the best reference genes for normalizing were obtained among five candidates. Multivariate analysis tools were used for the analysis of all data obtained, allowing the identification of coordinated gene expression patterns which were tested through a confirmatory statistical analysis. Results obtained suggest a model that explains the tolerance observed based in spatiotemporal changes of gene expression in cortex and pith tissue, these changes would be affecting Reactive Oxigen Species (ROS) activity, wound repair and hormone synthesis.

La expansión económica de la yuca está amenazada por el rápido desarrollo del deterioro fisiológico postcosecha (DFP) en las primeras 48 horas después de la cosecha. Este fenómeno contribuye con pérdidas económicas para los agricultores, limitando la produción de yuca para la industria. La variación genética de la yuca con potencial para resolver este problema, asi como información disponible de los genes involucrados en DFP ha sido escasa. En un esfuerzo para incrementar nuestra comprensión acerca del DFP, el banco de germoplasma puertorriqueño de yuca fue evaluado en su potencial para la tolerancia al deterioro fisiológico postcosecha probando metodologías de análisis visual y análisis de imágenes digitales. La evaluación de PPD permitió la identificación de dos accesiones de yuca (MCol 2215, para alto DFP y SM 494-1, para bajo DFP) con niveles contrastantes de DFP. Estas accesiones fueron utilizadas para estudiar los cambios en la expresión génica de 21 genes. Los genes seleccionados están asociados con varios procesos biológicos, incluidos biosíntesis, defensa, respuesta a daño mecánico, estrés oxidativo, muerte celular programada, detoxificación de cianuro, pared celular, transporte de agua y metabolismo de azufre. Los patrones de expresión fueron evaluados en el tejido cortical y medular en raíces de las accesiones contrastantes al deterioro fisiológico postcosecha, a diferentes tiempos después de la cosecha (0, 1, 24 72 y 120 horas). Los cambios en la expresión génica fueron evaluados usando PCR en tiempo real. Antes de la evaluación de los patrones de expresión de los genes blanco, los mejores genes de referencia fueron obtenidos entre cinco candidatos. Herramientas de análisis multivariado fueron usadas para el análisis de los datos obtenidos permitiendo la identificación de patrones de expresión génica coordinados, los cuales fueron evaluados a través de un análisis estadístico confirmatorio. Los resultados obtenidos sugieren un modelo que explica la tolerancia observada basada en cambios espacio-temporales de la expresión génica en el tejido cortical y medular. Estos cambios podrían estar afectando, las especies reactivas de oxígeno, reparación de daño mecánico y síntesis de hormonas.