Molecular Characterization of the circadian clock in Solanum lycopersicum

Abstract

El rellotge circadià és un mecanisme molecular de mesura del temps que genera ritmes d'aproximadament 24 hores en el metabolisme i la fisiologia, en sincronització amb el cicle de dia i nit. Durant l'última dècada, la nostra comprensió del paper del rellotge circadià en la biologia de les plantes ha guanyat una atenció significativa degut al seu potencial per millorar els trets agronòmics en el context de la sobrepoblació i l'escalfament global. En aquesta Tesi Doctoral, hem aclarit el patró d'expressió dels components principals del rellotge en Solanum lycopersicum. Mitjançant anàlisis temporals per Transcripció Inversa - Reacció en Cadena de la Polimerasa, hem trobat que l'oscil·lació circadiana dels components principals del rellotge es conserva entre Arabidopsis thaliana i Solanum lycopersicum. També hem trobat que l'expressió circadiana rítmica és més feble en els fruits en comparació amb les fulles en condicions de llum constant. La generació i caracterització de línies mutants de tomàquet utilitzant la tecnologia CRISPR-Cas9 ha proporcionat informació important sobre la funció del rellotge en el tomàquet. Hem trobat que la falta de LATE ELONGATED HYPOCOTYL (LHY) provoca una fase avançada circadiana, plantes de mida més gran i fruits de major grandària amb un rendiment superior en comparació amb el tipus salvatge. La falta de PSEUDO RESPONSE REGULATOR 9 (PRR9) resulta en defectes circadians menors en l'expressió gènica, però produeix plantes amb un major nombre de flors i fruits, encara que de mida més petita. La falta de PRR37 provoca un retard de fase circadiana i una taxa de germinació més alta. La falta de TIME OF CAB 1 (TOC1) avança la fase circadiana i mostra una taxa de germinació més alta. En general, els nostres resultats obren el camí per a estudis funcionals posteriors que connectin el rellotge circadià amb la millora dels trets agronòmics.

El reloj circadiano es un mecanismo molecular que genera ritmos biológicos de aproximadamente 24 horas en el metabolismo y la fisiología en sincronización con el ciclo día-noche. Durante la última década, nuestra comprensión del papel del reloj circadiano en la biología de las plantas ha ganado una atención significativa debido a su potencial para mejorar los rasgos agronómicos en el contexto de la superpoblación y el calentamiento global. En esta Tesis Doctoral, hemos dilucidado el patrón de expresión de los principales componentes del reloj en Solanum lycopersicum. Mediante el uso de análisis de series temporales mediante la técnica de Transcripción Inversa - Reacción en Cadena de la Polimerasa, encontramos que la oscilación circadiana de los principales componentes del reloj está conservada entre Arabidopsis thaliana y Solanum lycopersicum. También encontramos que la expresión rítmica circadiana es más débil en los frutos en comparación con las hojas en condiciones de luz constante. La generación y caracterización de líneas mutantes utilizando la tecnología CRISPR-Cas9 ha proporcionado información importante sobre la función del reloj en el tomate. Encontramos que la falta de LATE ELONGATED HYPOCOTYL (LHY) conduce a una fase circadiana avanzada, plantas con mayor tamaño y frutos más grandes, con mayor rendimiento en comparación con el Tipo Salvaje. La falta de PSEUDO RESPONSE REGULATOR 9 (PRR9) resulta en defectos circadianos menores en la expresión génica, pero produce plantas con mayor número de flores y frutos, aunque de menor tamaño. La falta de PRR37 conduce a un retraso de la fase circadiana y a una tasa de germinación más alta. La falta de TIME OF CAB 1 (TOC1) adelanta la fase circadiana y muestra una tasa de germinación más alta. En general, nuestros resultados abren el camino a futuros estudios funcionales que conecten el reloj circadiano con la mejora de los rasgos agronómicos.

The circadian clock is a molecular timekeeping mechanism that generates ~24h rhythms in metabolism and physiology in synchronization with the day and night cycle. During the last decade, our understanding of the circadian clock's role in plant biology has gained significant attention due to its potential to improve agronomical traits in the context of the overpopulation and global warming. In this Doctoral Thesis, we have elucidated the pattern of expression of the main clock components in Solanum lycopersicum. By using time course analyses by Reverse Transcription - Polymerase Chain Reaction, we found that the circadian oscillation of the main clock components is conserved between Arabidopsis thaliana and Solanum lycopersicum. We also found that the rhythmic circadian expression is weaker in fruits compared to leaves under constant light conditions. Generation and characterization of tomato mutant lines using the CRISPR-Cas9 technology has provided important information about the clock function in tomato. We found that the lack of LATE ELONGATED HYPOCOTYL (LHY) leads to a circadian advanced phase, plants with bigger size and bigger fruits with higher yield compared to Wild Type. The lack of PSEUDO RESPONSE REGULATOR 9 (PRR9) results in minor circadian defects of gene expression but renders plants, with higher number of flowers and fruits, albeit with smaller size. The lack of PRR37 leads to a circadian phase delay and a higher germination rate. The lack of TIME OF CAB 1 (TOC1) advances the circadian phase, and show higher germination rate. Overall, our results pave the way for further functional studies connecting the circadian clock with improvement of agronomical traits.