Mutazioni delle metiltrasferasi dell'acido indol-3-acetico influenzano le risposte alla temperatura elevata nel pomodoro

Global climate change is causing extreme temperature variations that threaten food security. Among abiotic stresses, high temperatures pose a significant threat to tomato productivity by compromising pollen vitality and causing tissue necrosis in reproductive organs. Studies on responses to adverse thermal conditions are essential for developing resilient cultivars. Auxins, such as indole-3-acetic acid (IAA), play a key role in plant development. Methylation of IAA by indole-3-acetic acid carboxyl methyltransferases (IAA-MET) regulates auxin homeostasis, as methylated IAA (MeIAA) lacks auxin activity. Studies in Arabidopsis thaliana have shown that mutations in IAMT1 genes confer heat stress tolerance by facilitating ovule fertilization. In the tomato genome, two IAA-MET genes, IAA-MET7 and IAA-MET12, have been identified. Mutations in these genes influence tomato productivity and fertility under heat stress. This study aims to enhance understanding of the functional role of IAA-MET genes in tomato by investigating productivity and fertility under heat stress in mutated lines obtained from a TILLING population (cv. Micro-Tom). Phenotypic analyses revealed that one mutated line (tM7, mutated for IAA-MET7) exhibited increased fertility and productivity under heat stress. The observed phenotypic differences could be attributed to higher concentrations of active auxins in the reproductive organs of the tM7 line, as indicated by DR5-GUS expression analysis (the promoter activates a transcription factor in the presence of auxins) under both temperature conditions, conducted on stamens and pistils of flowers at anthesis. Mutations in IAA-MET positively influence pollen germination in all mutated lines and pollen tube growth in tM7 under heat stress conditions. IAA-MET12 is down-regulated in reproductive organs, demonstrating that under heat stress, S. lycopersicum can naturally alter normal auxin homeostasis in reproductive organs. The elevated levels of active auxins may have promoted better assimilation of photosynthates, mitigating male sterility induced by high temperatures. The results may indicate, in line with Abbas et al. (2018), that the accumulation of active auxins in reproductive organs can prevent ovule non-fertilization and stimulate faster pollen tube growth before it dies due to heat stress. The promising results obtained in this thesis require further characterization studies of IAA-MET to understand their role in auxin homeostasis regulation. In conclusion, mutations in IAA-MET significantly influence tomato productivity and fertility under heat stress, paving the way for the development of more resilient varieties in the context of global climate change. The use of genome editing technologies, such as the CRISPR/Cas system, offers the opportunity to better understand the function of IAA-MET genes that could be pivotal in exploring new avenues to improve heat tolerance.

I cambiamenti climatici globali provocano variazioni estreme di temperatura che minacciano la sicurezza alimentare. Tra gli stress abiotici, le elevate temperature rappresentano una delle principali minacce per la produttività del pomodoro, compromettendo la vitalità del polline e causando necrosi nei tessuti riproduttivi. Gli studi sulle risposte alle condizioni termiche avverse sono essenziali per sviluppare cultivar resilienti. Le auxine, come l'acido indolo-3-acetico (IAA), svolgono un ruolo chiave nello sviluppo delle piante. La metilazione dell'IAA da parte delle IAA carbossil metiltransferasi (IAA-MET) è implicata nella regolazione dell'omeostasi delle auxine poiché l'IAA metilato (MeIAA) non presenta attività auxinica. Studi su Arabidopsis thaliana hanno evidenziato che mutazioni nei geni IAMT1 conferiscono tolleranza allo stress termico, facilitando la fecondazione degli ovuli. Nel genoma del pomodoro, sono stati identificati due geni IAA-MET: IAA-MET7 e IAA-MET12. Mutazioni in tali geni influenzano la produttività e la fertilità del pomodoro in risposta allo stress termico. Il presente lavoro mira a migliorare la comprensione del ruolo funzionale dei geni IAA-MET in pomodoro indagando la produttività e la fertilità in condizioni di stress termico delle linee mutate ottenute da una popolazione TILLING (cv. Micro-Tom). Le analisi fenotipiche hanno rivelato che una delle linee mutate (tM7, mutante per IAA-MET7) ha dimostrato una maggiore fertilità e produttività in condizioni di stress termico. Le differenze fenotipiche osservate potrebbero essere attribuite a una maggiore concentrazione di auxine attive negli organi riproduttivi della linea tM7, come indicato dall'analisi di espressione del costrutto DR5-GUS (il promotore ha un fattore di trascrizione attivato in presenza di auxine) in entrambe le condizioni di temperatura, eseguita su stami e pistilli di fiori in stadio di antesi. Le mutazioni in IAA-MET influenzano positivamente la germinazione del polline di tutte le linee mutate e la crescita del tubo pollinico di tM7 in condizioni di stress termico. IAA-MET12 viene down-regolata negli organi riproduttivi, dimostrando che in presenza di stress da calore S. lycopersicum è in grado di modificare naturalmente la normale omeostasi dell’auxina negli organi riproduttivi. L’elevato livello di auxine attive potrebbe aver favorito una migliore assimilazione di fotosintetati mitigando la sterilità maschile indotta dalle alte temperature. I risultati potrebbero indicare, in linea con l'ipotesi di Abbas et al. (2018), che l'accumulo di auxine attive negli organi riproduttivi possa prevenire la mancata fecondazione degli ovuli e stimolare una crescita più rapida del tubo pollinico prima che muoia a causa dello stress termico. I promettenti risultati ottenuti in questa tesi necessitano di ulteriori studi di caratterizzazione delle IAA-MET al fine di comprendere il loro ruolo nella regolazione dell’omeostasi delle auxine. In conclusione, le mutazioni nelle IAA-MET possono influenzare significativamente la produttività e la fertilità del pomodoro in risposta allo stress termico, aprendo la strada allo sviluppo di varietà più resilienti in un contesto di cambiamenti climatici globali. L'utilizzo di tecnologie di editing del genoma, come il sistema CRISPR/Cas, offre l'opportunità di comprendere meglio la funzione dei geni IAA-MET che potrebbero rivelarsi risolutivi nell’esplorazione di nuove vie per migliorare la tolleranza al calore.