Efecto del genotipo, tejido y estado de madurez en la composición de la fracción volátil del pimiento y especies relacionadas (Capsicum spp.): implicaciones en la mejora de la calidad organoléptica

Abstract

Los pimientos, chiles y ajíes (Capsicum spp.), especialmente los pertenecientes a la especie más extendida C. annuum L., son unos de los vegetales y especias más importantes del mundo y sus frutos se utilizan en una gran variedad de platos, para proporcionar aroma y sabor. España es el principal productor y exportador de pimiento de Europa, así como centro de diversidad de gran relevancia para el pimiento común (C. annuum L.), destacando los tipos morrones o gruesos (incluyendo cuatrocantos como Valenciano, Largo de Reus o Trompa de Vaca) así como numerosos tipos varietales y ecotipos locales como guindillas, riojanos, cornicabra, padrón, bola, piquillos, jalapeños, serranos, etc. En los últimos años, se ha incrementado la demanda de frutas y hortalizas con mayor calidad interna, tanto nutricional como organoléptica. En este sentido, los principales factores responsables de la calidad organoléptica o flavor en pimiento son los capsaicinoides (responsables de la pungencia en frutos picantes) y los volátiles responsables del aroma. Los capsaicinoides han sido los componentes de sabor más estudiados, mientras que los trabajos sobre la fracción volátil han sido más recientes y escasos, especialmente desde el punto de vista de la diversidad genética y la mejora vegetal. Si bien, los estudios más recientes han revelado una considerable diversidad interespecífica e intraespecífica en términos de composición volátil. Sin embargo, el conocimiento sobre la diversidad intravarietal aún es escaso y este hecho podría ser de suma importancia para los mejoradores que buscan mejorar el sabor de cultivares modernos o para recuperar variedades locales basadas en un alto valor añadido. En la presente tesis doctoral se ha estudiado una considerable diversidad varietal entre los pimientos en términos de calidad de aroma y la variación cualitativa y cuantitativa en la fracción volátil, particularmente en frutos completamente maduros, que abarcan las más diversas aplicaciones alimentarias y perfiles de aroma. Con el objetivo de poder establecer, de forma preliminar, el modo de herencia de los compuestos aromáticos se diseñó una primera línea experimental donde se caracterizó cualitativa y cuantitativamente la fracción volátil de 175 muestras de frutos maduros de una colección diversa de 10 variedades de pimientos, que abarcaba diferentes tipos varietales y cualidades aromáticas, así como varios híbridos entre ellos, analizando además por separado el pericarpio y los tejidos placentarios. Adicionalmente, se planteó un segundo objetivo experimental dirigido a determinar la diversidad intravarietal a partir de la caracterización cualitativa y cuantitativa de la fracción volátil de pimientos de un tipo varietal representativo a nivel mundial, i.e. jalapeño, en estado inmaduro, el más importante económicamente en el caso de esta variedad, incluyendo cuatro cultivares ancestrales, dos variedades modernas, una variedad de polinización abierta y el chile serrano como variedad ancestral de los jalapeños. En ambas líneas experimentales las fracción volátil se aisló mediante microextracción en fase sólida en el espacio en cabeza (head space-solid phase microextraction, HS-SPME) y se analizó mediante cromatografía de gasesespectrometría de masas (gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS). En la primera línea experimental se encontró un perfil de volátiles muy diverso entre las accesiones evaluadas y sus híbridos, incluidos terpenoides, ésteres, alcanos y varios aldehídos y alcoholes. En la mayoría de los casos, la hibridación proporcionó mayores cantidades de volátiles totales y una composición más compleja (i.e. mayor número de volátiles que los correspondientes parentales). Además, la fracción volátil se puede heredar de los padres a la descendencia, ya que la mayoría de los volátiles individuales en los híbridos, especialmente los volátiles principales, estaban presentes en al menos uno de los padres, siguiendo modelos de herencia intermedia (niveles entre los de los padres) o herencia transgresiva (niveles superiores al mejor parental). Adicionalmente, se encontraron compuestos de novo (presentes en el híbrido, ausentes en los padres) en muchas muestras, lo que sugiere la existencia de fenómenos de complementación génica y confirma la compleja base genética y metabólica de estos compuestos. Comparativamente, los tejidos placentarios tenían niveles volátiles totales e individuales más altos en comparación con el pericarpio en la mayoría de las accesiones parentales e híbridos. Este hecho es importante a considerar por los mejoradores varietales, especialmente en variedades empleadas en fórmulas culinarias que incluyan esta parte del fruto. En la línea experimental correspondiente al segundo objetivo, los antiguos jalapeños (los espinaltecos) mostraron los niveles más altos de volátiles totales, mientras que los valores más bajos en volátiles totales se encontraron en las variedades modernas F1 (Delicias y Jalapa). Además, tanto la variedad tradicional de polinización abierta Jalapeño M como el ancestro de jalapeños Serrano mostraron niveles intermedios. Este patrón también se encontró dentro de los principales grupos de volátiles, así como en muchos compuestos individuales, en terpenoides (3-careno, α- longipineno, α-coapeno, β-cariofileno, α-himachaleno y β-himachaleno), ésteres (4- metilpentil-3-metilbutanoato, 2-metilbutanoato de hexilo, 4-metilfenil pentanoato), 3- isobutil-2-metoxipirazina y salicilato de metilo. En conclusión, nuestros resultados indican que combinar líneas parentales con fracciones volátiles complementarias mediante hibridación es un método factible para mejorar la composición volátil de los frutos maduros en pimientos Capsicum, al permitir fracciones más abundantes, ricas y complejas que los propios parentales. Además, hemos encontrado que las variedades locales antiguas son muy ricas en la fracción volátil total y en volátiles individuales. Esto ofrece a los mejoradores la oportunidad de mejorar y seleccionar cultivares antiguos por su sabor mejorado, o alternativamente, usarlos para mejorar el aroma y flavor de los cultivares modernos mediante hibridación o alternativamente mediante introgresión y retrocruzamiento.

Peppers and chilies (Capsicum spp.), especially those belonging to the most widespread species C. annuum L., are some of the most important vegetables and spices in the world and their fruits are used in a wide variety of dishes, to provide their particular aroma and flavor. Spain is the main producer and exporter of pepper in Europe, as well as a remarkable center of diversity for the above mentioned common pepper (C. annuum L.), particularly bell peppers or thick-fleshed types (including ”cuatro cantos” types such as Valenciano, Largo de Reus o Trompa de Vaca), as well as a range of varietal types and local ecotypes such as guindillas, riojanos, cornicabra, padrón, bola, piquillos, jalapeños, serranos, etc. In recent years, the demand for fruits and vegetables with higher internal quality, both nutritional and organoleptic, has increased. In this sense, the main factors responsible for the organoleptic quality and flavor of peppers are i) the capsaicinoids (active compounds for pungency in hot genotypes) and ii) the volatiles responsible for the aroma (detected in the nose) and flavor (detected in the retronasal area during mastication). Capsaicinoids have been the most studied flavor components, while works on the volatile fraction has been more recent and scarce, especially from the point of view of genetic diversity and plant breeding and varieties enhancement, although the most recent studies have revealed considerable interspecific and intraspecific diversity in terms of volatile composition. However, the knowledge about intra-varietal diversity is still scarce and this fact could be of utmost importance for breeders looking to improve the taste of modern cultivar or to recover local varieties based on high added value in terms of their fruit quality. In this doctoral thesis, a considerable varietal diversity of Capsicum peppers has been studied in terms of aroma quality and the qualitative and quantitative variation in fully ripe fruits, but also at the unripe stage, encompassing the most diverse food applications and aroma profiles. Aimed to assess the mode of inheritance of volatile compounds, a research line was designed to analyse the volatile fraction of 175 samples of ripe fruits of a diverse collection of 10 varieties of peppers and several hybrids between them was qualitatively and quantitatively characterized, covering different varietal types and aromatic qualities. Alsothe pericarp and placental tissues were analised separately. In addition, a second experimental objective was proposed aimed at determining the intra-varietal diversity of the volatile fraction at boththe qualitative and quantitative levels in the jalapeño type, one of the most well known chiles, at the immature stage, the most economically important in the case of this variety. The evaluated materials in this experiment included four old cultivars (called espinaltecos), two modern F1 hybrid varieties, an open-pollinated variety, and a serrano pepper, considered the ancestor of jalapeños. In both experimental lines, the volatile fraction was isolated by means of headspace-solid-phase microextraction (HS-SPME) and analysed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). In the first experimental line, a very diverse profile of volatiles was found among the evaluated accessions and their hybrids, including a plethora of terpenoids, esters, alkanes, and several aldehydes and alcohols. In most cases, hybridization provided higher amounts of total volatiles and more complex composition (i.e. greater number of volatiles than the corresponding parents). Furthermore, the volatile fraction can be inherited from the parents to the offspring, since most of the individual volatiles in the hybrids, especially the main volatiles, were present in at least one of the parents, following models of intermediate inheritance (levels between those of the parents) or transgressive inheritance (levels higher than the best parent). Additionally, de novo compounds (present in the hybrid, absent in the parents) were found in many samples, which suggests the occurrence of gene complementation phenomena and confirms the complex genetic and metabolic basis of these compounds. Comparatively, placental tissues had higher total and individual volatile levels compared to the pericarp in most parental and hybrid accessions and samples. This fact is important for breeders, especially for those working with varieties whose used in culinary formulas that include this part of fruit. In the second experimental line, the old jalapeños showed the highest levels of total volatiles, while the lowest values in total volatiles were found in the modern F1 varieties (Delicias and Jalapa). Furthermore, both the open-pollinated variety Jalapeño M and the Serrano peppers showed intermediate levels. This pattern was also found within the main groups of volatiles, as well as in most individual compounds: in terpenoids (3-carene, α-longipinene, α-copaene, β-caryophyllene, α- and β- himachalene), esters (4-methylpentyl-3-methylbutanoate, hexyl 2-methylbuatnoate, 4- methylphenyl pentanoate), 3-isobutyl-2-methoxypyrazine and methyl salicylate. In conclusion, our results indicate that combining parental lines with complementary volatile fractions by hybridization is a feasible method to improve the volatile composition of ripe fruits in Capsicum peppers, enabling more abundant, richer and more complex fractions than the parents. Furthermore, we have found that the old local varieties can be very rich in the total volatile content and in individual volatiles. This gives the opportunity to breeders the opportunity to improve and select older cultivars for their improved flavor, or alternatively, use them to enhance the aroma and flavor of modern cultivars by hybridization or by introgression and backcrossing.