Identification of regulatory molecules involved in pollen development and ovary growth in Solanum lycopersicum

[EN] In angiosperms, fruits serve the purpose of protecting developing seeds and facilitating their dispersal. After flower development, pollination and fertilization trigger the growth of the ovary into a fruit. However, fruit set and enlargement can occur independently of these two processes, resulting in seedless (parthenocarpic) fruits. In the domesticated tomato (Solanum lycopersicum), male sterility can induce parthenocarpic fruit development, providing a link between the formation of the male gametophyte and ovary growth. Pollen and anther development are highly coordinated processes that are largely conserved across angiosperms. However, in tomato, the specific network of genes involved in anther development is not fully characterized. The generation and study of parthenocarpic mutants has proven a powerful tool for understanding the mechanisms that connect male gametogenesis and ovary growth in this species, as well as for investigating the origin of parthenocarpy. Furthermore, the male gametophyte is especially sensitive to adverse environmental conditions, and increasing knowledge on pollen development could provide insight into strategies to maintain fertility under rising temperatures. In this work, we have identified SlTPD1 as an essential gene for tapetum formation in the anther and SlTDF1 as a regulator of tapetal function. Transcriptomic and biochemical analysis conducted in Sltpd1 mutants lacking tapetum highlighted the importance of tapetal tissue in maintaining redox homeostasis during male gametogenesis. Both Sltpd1 and Sltdf1 mutants were male-sterile and, subsequently, developed parthenocarpic fruits. However, male-sterile SpTDF1 mutants obtained in the wild relative Solanum pimpinellifolium background did not exhibit parthenocarpy. Bioinformatic analyses identified deletions in the promoters of genes involved in gibberellin biosynthesis, which affect the binding of repressor proteins. These results point to recent changes in regulatory sequences, indicating that parthenocarpy in tomato is a trait that likely originated during domestication. Additionally, a biotechnology approach was developed to enhance pollen thermotolerance. Transcriptomic analyses identified the ascorbate peroxidase SlAPX5 gene as part of a regulatory network controlling redox homeostasis in the anther. A heat-inducible expression of SlAPX5 was introduced in Arabidopsis and tomato by genetic transformation. In vivo and in vitro experiments confirm that ROS detoxification mediated by peroxidase activity conferred heat tolerance to vegetative and reproductive tissues, preserving fertility and securing plant yield.

[ES] En angiospermas, el fruto protege las semillas en desarrollo y facilita su propagación. Tras el desarrollo floral, la polinización y fertilización del ovario activan su crecimiento hasta convertirse en un fruto. Sin embargo, el cuajado y crecimiento del fruto puede ocurrir independientemente de estos procesos, dando lugar a frutos sin semillas (partenocárpicos). En tomate domesticado (Solanum lycopersicum), la esterilidad masculina puede inducir partenocarpia, demostrando un vínculo entre el desarrollo del gameto masculino y el crecimiento del ovario. El desarrollo del polen y la antera son procesos cuidadosamente coordinados muy conservados en angiospermas. Sin embargo, la red de genes involucrados en estos procesos no está caracterizada en tomate. La generación y el estudio de mutantes partenocárpicos ha demostrado ser una buena herramienta para entender los mecanismos que conectan el desarrollo del gameto masculino y el crecimiento del ovario, además del origen de la partenocarpia. Además, el polen es especialmente sensible a las condiciones adversas del clima, de forma que aumentar el conocimiento de su desarrollo podría ofrecer información para el desarrollo de estrategias que ayuden a mantener la fertilidad bajo las temperaturas crecientes. En este trabajo, se ha identificado SlTPD1 como un gen esencial para la formación del tapetum de la antera, y SlTDF1 como un regulador de su función. Análisis transcriptómicos y bioquímicos efectuados en mutantes Sltpd1 sin tapetum demostraron la importancia de este tejido en el mantenimiento de la homeostasis redox durante la gametogénesis masculina. Ambos mutantes (Sltpd1 y Sltdf1) fueron estériles masculinos y desarrollaron frutos partenocárpicos. Sin embargo, mutantes estériles masculinos de Sptdf1 obtenidos en el pariente silvestre Solanum pinpinellifolium no mostraron partenocarpia. Análisis bioinformáticos revelaron deleciones en los promotores de genes de biosíntesis de giberelinas, afectando a la unión de proteínas represoras. Estos resultados señalan la aparición reciente de cambios en secuencias reguladoras, indicando que la partenocarpia en tomate se originó durante la domesticación. Además, se desarrolló una estrategia bitecnológica para aumentar la tolerancia al calor del polen. Análisis transcriptómicos identificaron la ascorbato peroxidasa SlAPX5 como un regulador de la homeostasis redox en la antera. Este gen se introdujo bajo un promotor inducible por calor en Arabidopsis y tomate. Experimentos in vivo e in vitro confirmaron que la detoxificación de las especies reactivas de oxígeno mediada por esta peroxidasa otorgó tolerancia al calor a los tejidos vegetativos y reproductivos, manteniendo la fertilidad.

[CA] En angiospermes, el fruit protegeix les llavors en desenvolupament i en facilita la propagació. Després del desenvolupament floral, la pol·linització i la fecundació de l'ovari activen el seu creixement en un fruit. No obstant això, el quallat i el creixement del fruit pot ocórrer independentment d'aquests processos, donant lloc a fruits sense llavors (partenocàrpics). En la tomaca domesticada (Solanum lycopersicum), l'esterilitat masculina pot induir partenocàrpia, demostrant un vincle entre el desenvolupament del gàmeta masculí i el creixement de l'ovari. El desenvolupament del pol·len i de l'antera són processos acuradament coordinants i molt conservats en angiospermes. No obstant això, la xarxa de gens involucrats en aquests processos no està caracteritzada en tomaca. La generació i l'estudi de mutants partenocàrpics s'ha demostrat com una bona eina per entendre els mecanismes que connecten el desenvolupament del gàmeta masculí i el creixement de l'ovari, a més de l'origen de la partenocàrpia. A més, el pol·len és especialment sensible a les condicions climàtiques adverses, de manera que augmentar el coneixement del seu desenvolupament podria oferir informació per al desenvolupament d'estratègies que ajuden a mantindre la fertilitat davant l'augment de les temperatures. En aquest treball, s'ha identificat SlTPD1 com un gen essencial per a la formació del tapet de l'antera, i SlTDF1 com un regulador de la seua funció. Anàlisis transcriptòmics i bioquímics efectuats en mutants Sltpd1, absents de tapet, demostraren la importància d'aquest teixit en el manteniment de l'homeòstasi redox durant la gametogènesi masculina. Tots dos mutants (Sltpd1 i Sltdf1) foren estèrils masculins i desenvoluparen fruits partenocàrpics. No obstant això, mutants estèrils masculins de Sptdf1 obtinguts en el parent silvestre Solanum pimpinellifolium no mostraren partenocàrpia. Anàlisis bioinformàtics revelaren delecions en els promotors de gens de biosíntesi de gibberel·lines, afectant la unió de proteïnes repressores. Aquests resultats assenyalen l'aparició recent de canvis en seqüències reguladores, indicant que la partenocàrpia en tomaca es va originar durant la domesticació. A més, es va desenvolupar una estratègia biotecnològica per a incrementar la tolerància a la calor del pol·len. Anàlisis transcriptòmics identificaren l'ascorbat peroxidasa SlAPX5 com un regulador de l'homeòstasi redox en l'antera. Este gen s'introduí sota un promotor induïble per calor en Arabidopsis i tomaca. Experiments in vivo i in vitro confirmaren que la detoxificació de les espècies reactives d'oxigen mediada per aquesta peroxidasa va atorgar tolerància a la calor als teixits vegetatius i reproductius, mantenint la fertilitat.

Tesis por compendio