Biologia riproduttiva degli agrumi: aspetti fisiologici e genetici della sterilità, apirenia e fruttificazione

Citrus exhibit a complex genetic and reproductive biology as high heterozygosity, long juvenile period, parthenocarpy, apomixis and self-incompatibility, that hampers the use of traditional strategies to study and improve citrus traits. Flowering is regulated by different interacting factors, including both environmental and endogenous factors that affect gametes fertility, fruit set and the duration of the juvenile period. This dissertation project investigates on environmental and genetic factors regulating flowering by histological analysis, transcriptomic and biotechnological strategies providing novel insight helpful for planning citrus improvement programs. Histological and in vitro analyses showed that hot temperature stress during male gametophyte development reduced pollen performance by morphological alteration on tapetum and reduction in starch accumulation in clementine mandarin. The citrus FLOWERING LOCUS T (CiFT) gene is the main component of the flower induction together with exposition to cold temperature. Here by the analysis of the expression levels of three CiFT homologs, CiFT1, CiFT2 and CiFT3, it was observed that rootstocks influence flower induction and flowering intensity in the following spring in sweet orange. Finally, CiFT overexpression was induced in citrange to reduce the juvenile period and enable characterization of a gene potentially involved in seedlessness, selected by genome comparison from the seedless mutant Tango against the Clementine mandarin reference genome, through silencing by RNA interference (RNAi). Transgenic plants started to flower five months after the transformation experiments. Despite further analysis is required for pollen, ovary and fruit development, this study proves the usefulness of biotechnological strategy for functional genomics studies in citrus.

Gli agrumi presentano una complessa genetica e biologia riproduttiva (elevata eterozigosi, lunga fase giovanile, partenocarpia, apomissia, auto-incompatibilità) che ostacolano lo studio e il miglioramento dei caratteri di interesse attraverso le tradizionali strategie di miglioramento genetico. La fioritura è regolata da diversi fattori, sia ambientali che endogeni, che influenzano la fertilità dei gameti, la produzione dei frutti e la durata della fase giovanile. Questo progetto di tesi indaga sui fattori ambientali e genetici che regolano la fioritura attraverso analisi istologiche, di trascrittomica e tecniche biotecnologiche allo scopo di fornire informazioni utili nella pianificazione di programmi di miglioramento in agrumi. Analisi istologiche e in vitro hanno mostrato che l’esposizione ad alte temperature durante lo sviluppo del gametofito maschile in Clementine riduce la funzionalità del polline attraverso alterazioni morfologiche del tapetum e la riduzione nel contenuto di amido. Il FLOWERING LOCUS T (CiFT) è il principale componente che controlla l’induzione antogena insieme all’esposizione alle basse temperature. Qui dall’analisi dei livelli di espressione di tre omologhi, CiFT1, CiFT2 and CiFT3, è stato osservato come i portainnesti influenzano l’induzione antogena e l’intensità della fioritura in arancio dolce. Infine, la sovra espressione del gene CiFT è stata indotta in citrange per ridurre il periodo giovanile e favorire la caratterizzazione di un gene candidato coinvolto nell’apirenia, selezionato dal confronto di dati di sequenziamento del mandarino-simile apireno Tango e il genoma di riferimento di Clementine attraverso silenziamento da RNA ad interferenza (RNAi). Le piante transgeniche hanno mostrato una precoce fioritura dopo cinque mesi dall’esperimento dimostrando l’utilità della strategia biotecnologica negli studi di genomica funzionale in agrumi.