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Tesis:

Novel mechanisms and strategies to fine-tune seed vigor and stress tolerance

  • Autor: CARRERA CASTAÑO, Gerardo

  • Título: Novel mechanisms and strategies to fine-tune seed vigor and stress tolerance

  • Fecha: 2023

  • Materia: CONFIDENCIAL

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS

  • Departamentos: BIOTECNOLOGIA-BIOLOGIA VEGETAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/74661/

  • Director/a 1º: OÑATE SANCHEZ, LUIS

  • Resumen: The life cycle of a spermatophyte plant ends with the production of seeds and begins with their germination and seedling establishment, being fundamental processes for the survival and dispersal of a species. In a food context, the seed constitutes the major source of nutrients for man and livestock, and as such, must ensure a reliable and successful establishment of crops. Seed quality is determined by vigor, which is the sum of longevity, dormancy, viability, rapid germination, and seedling establishment, especially under suboptimal conditions. All these traits have a complex regulation, presenting a high level of regulatory overlap that complicate the identification of new regulatory components. In this context, gibberellins (GAs) appear as the central hormone in the processes that determine seed vigor and this thesis contribute new regulatory mechanisms linked to GA signaling and apply some of this knowledge to develop a biotechnological tool. Firstly, by germination screening under GA-limited conditions of a library of overexpression mutants in Arabidopsis, the function of the FT1 transcription factor as a component of GA-signaling has been identified. The close link of the transcriptional regulation of FT1 with imbibition and dormancy release together with the germinative behavior of its mutants has allowed us to infer a dual role for FT1. During dormancy, FT1 is capable of directly repressing FT2 transcription in a process promoted by abscisic acid signaling and FT2. The increased sensitivity to GAs uncovered the role of FT1 as part of the redundant activator module of GA-response genes in endosperm and embryo. FT1 is capable of binding and activating the transcription of these genes, and its activity is repressed by DELLA proteins, negative regulators of GA signaling. Secondly, from a previous modeling of the interaction between FT3 and FT4, 3 allelic versions of FT3 have been generated. This strategy arises with the aim of uncoupling the germinative repression function of FT3 through the interaction with the FT4 protein from other functions exerted during plant development. Through yeast two-hybrid screening, the specific effects of the mutations on the FT3 interactome have been analysed. Additionally, the ability of other FTs to interact with such interactome has been analysed. After generating transgenic lines that express the allelic versions and analyzing their germination behaviour, a potential negative effect of the ft3-m1 version on germination has been identified. Thirdly, through the exogenous application of GAs and the analysis of della mutants, the role of the DELLA GAI and RGA proteins in regulating the response to nutritional imbalance between carbon and nitrogen during seedling establishment has been identified (C/N response). The C/N response produces an increase in the stability of the DELLAs in response to reduced GA levels and, under these conditions, the membrane E3 ligase protein ATL31 mediates their degradation independently of the GA signaling to avoid excessive accumulation. This implies the existence of a new non-nuclear mechanism to control DELLA stability associated with membranes. Taken together, all these results contribute new components, mechanisms and functions related to GA signaling to the knowledge about the processes that shape seed vigour. RESUMEN El ciclo de vida de una planta espermatofita termina con la producción de semillas y comienza con su germinación y el establecimiento de la plántula, procesos fundamentales para la supervivencia y la dispersión de una especie. En un contexto alimentario, la semilla constituye la mayor fuente de nutrientes para el hombre y el ganado, y como tal debe asegurar un establecimiento fiable y exitoso de los cultivos. La calidad de una semilla está determinada por el vigor, que es la suma de la longevidad, la dormición, la viabilidad, la rápida germinación y el establecimiento de la plántula, especialmente en condiciones subóptimas. Todos estos caracteres poseen una regulación compleja, presentando en ocasiones un alto nivel de solapamiento regulatorio, que en ocasiones dificulta los procesos específicos de mejora, o un alto nivel de redundancia que dificulta la identificación de nuevos componentes de su regulación. En este contexto, las giberelinas (GAs) aparecen como la hormona central en los procesos que determinan el vigor de la semilla, y la presente tesis orbita en torno a la identificación, caracterización y uso como herramienta de su señalización en dichos procesos. En primer lugar, mediante el cribado germinativo en condiciones limitantes de GAs de una genoteca de mutantes de sobreexpresión en Arabidopsis se ha identificado la función del factor de transcripción FT1 como componente de la señalización hormonal. El estrecho vínculo de la regulación transcripcional de FT1 con la imbibición y la salida de la dormición unido al comportamiento germinativo de sus mutantes ha permitido inferir un papel dual de FT1. Durante la dormición, FT1 es capaz de reprimir directamente la transcripción de FT2 en un proceso promovido por la señalización por ácido abscísico y el propio FT2. El aumento de la sensibilidad a GAs destapa el papel de FT1 como parte del redundante módulo activador de genes de respuesta a GAs en endospermo y embrión. FT1 es capaz de unir y activar la transcripción de dichos genes y su actividad es reprimida por las proteínas DELLA, reguladores negativos de la señalización por GAs. En segundo lugar, a partir de un modelado previo de la interacción entre FT3 y FT4, se han generado 3 versiones alélicas de FT3. Esta estrategia surge con el objeto de desacoplar la función represora de la germinación de FT3 a través de la interacción con la proteína FT4 de otras funciones que ejerce durante el desarrollo de la planta. A través de cribados de doble híbrido en levadura se han analizado los efectos específicos de las mutaciones sobre el interactoma de FT3. Adicionalmente, se ha analizado la capacidad de interacción de otros FTs con dicho interactoma. Tras generar líneas transgénicas que expresan las versiones alélicas y analizar su comportamiento germinativo, se ha identificado un potencial efecto negativo de la versión ft3-m1 sobre la germinación. En tercer lugar, mediante la aplicación exógena de GAs y el análisis de mutantes della se ha identificado el papel de las proteínas DELLA GAI y RGA en la regulación de la respuesta a desbalance nutricional entre el carbono y el nitrógeno durante el establecimiento de la plántula (respuesta C/N). La respuesta C/N produce un aumento de la estabilidad de las DELLAs en detrimento de la abundancia de GAs, y, en estas condiciones, la proteína E3 ligasa de membrana ATL31 media la degradación de DELLAs independientemente de la señalización por GAs con el fin de evitar una acumulación excesiva. Esto supone la existencia de un nuevo mecanismo de control de DELLAs asociado a membranas, además de poner el foco en la presencia de las DELLAs fuera del núcleo. En conjunto, todos estos resultados aportan nuevos componentes, mecanismos y funciones relacionados con la señalización por GAs al conocimiento sobre los procesos que conforman el vigor.