The Tick Tock of Biological Clocks on Crop Domestication and Plant Environmental Responses.

Abstract

Timing governs practically all processes documented, and thus since is extremely complex to alter temporal dynamics. Meanwhile, precise mechanisms to monitor the time are fundamental to ensure life on Earth. Organisms naturally develop differential abilities to monitor the time, wherein the biological chronometers regulate spatiotemporal dynamics, ensuring the emergence of new cells and allowing the organism can anticipate unfavorable environmental conditions. In this context, the biological clocks are highlighted due to their ability to timekeeping the circadian rhythms, development, and metabolism. This thesis is largely focused on the investigation of the functions of biological clocks in the context of plant growth and stress response as well as on investigating the functional role of the photoperiod to mediate aluminum (Al) tolerance. To this end, several complementary approaches were undertaken to understand: (i) the significance of biological clocks on crop domestication; (ii) the diel regulation of the Al tolerance in plants; and (iii) the specific behavior of root clock and its implication on plant yield. Firstly, it was demonstrated that tomato domestication apparently synchronized the distinct biological clocks of this species. Notably, the results demonstrate how this synchronization has contributed to the increased yield of cultivated tomatoes yet reduced their ability to tolerate abiotic stresses in comparison with wild tomatoes. In an attempt to demonstrate this, it was investigated the significance of water supply at different periods of the day in tomatoes. To this end, Solanum pennellii and S. lycopersicum (cv. M82) plants were exposed to different watering regimes: at dawn, dawn/dusk, and dusk. I was noted that the dusk watering treatment promoted a significant reduction in the number of leaves only in M82, whereas the other watering treatments did not alter the plant height in both genotypes. By analyzing the height and number of leaves in the different genotypes (MT, SFT ox , and SP5G pen ), it was observed an overall trend, revealing that dusk watering treatment resulted in smaller plants with fewer leaves than dawn and dawn/dusk watered plants. In conclusion, the analyses of the impacts from differentperiods of watering during the day suggested that watering tomatoes near dusk can significantly improve crop yield. Next, and mostly based on recent evidence, it was discussed that modifications of the DNA and metabolic checkpoints can mediate Al tolerance. Accordingly, mitochondrial organic acid metabolism and the genetic manipulation of DNA checkpoints were demonstrated to be not sufficient to promote plant survival under high Al concentrations. Compelling evidence showed that DNA checkpoint alterations are coupled with significant changes in mitochondrial metabolism. Thus, it was suggested that interactions between both mechanisms can occur in plants with elevated Al tolerance, supporting their growth even in soils with excessive Al levels. Following, it was demonstrated that photoperiod is closely associated with Al responses, wherein short-days (SD) favor the Al tolerance and long- days (LD) are related to Al sensitiveness. Genes involved in DNA checkpoints are induced specifically under LD conditions, arresting cell divisions and root elongation. Likewise, it was described how the photoperiodic regulation shapes Al tolerance in plants, which can contribute to developing a stable tolerance to Al in crops. Furthermore, the evidence suggested the occurrence of unique developmental phases for roots, in which these would be uncoupled from shoot phases. Altogether, it was indicated new frontiers to be pursued in plant biology, which have enormous potential to enhance nutrient use efficiency and reduce the use of chemical fertilizers in the next generation of crops. Keywords: Domestication. Biological clocks. Energetic stress. Metabolism.

A temporização governa praticamente todos os processos já documentados, onde é extremamente complexo alterar as dinâmicas temporais, e mecanismos processos para monitorar o tempo são fundamentais para garantir a vida na Terra. Os organismos naturalmente desenvolvem habilidades de monitorar o tempo, em que seus cronômetros regulam as dinâmicas espaço-tempo, garantindo a emergência de novas células, permitindo assim aos que o organismo possa antecipar condições ambientais desfavoráveis. Neste contexto, dentre os relógios biológicos destacam-se os mecanismos de cronometragem associados aos ritmos circadianos, desenvolviemnto e metabolismo. Esta tese está focada amplamente na investigação das funções dos relógios biológicos sobre o crescimento de plantas e respostas a estresses, bem como na investigação de um papel funcional do fotoperíodo em mediar a tolerância ao alumínio (Al). Para este fim, diversas e complementares abordagens foram usadas para entender: (i) a significância de relógios biológicos na domesticação de plantas; (ii) a regulação periódica da tolerância ao Al em plantas; e (iii) o comportamente específico do relógio da raiz e sua implicação do desempenho das plantas. Primeiramente, foi demonstrado que a domesticação do tomateiro aparentemente sincronizou os distintos relógios na espécie emergente. Notavelmente, os resultados demonstraram como essa sincronização pode ter contribuído para aumentar a produtividade do tomateiro cultivado e, ainda, reduzir sua habilidade em tolerar estresses abióticos quando comparado aos parentais silvestres. Na tentativa de demonstrar esse aspecto, tentou se entender a significância do suprimento de água em diferentes períodos do dia para tomateiro. Assim sendo, plantas de Solanum pennellii e S. lycopersicum (cv. M82) foram submetidas a três regimes de rega: pela manhã, manhã/anoitecer ou ao anoitecer. As plantas regadas ao anoitecer apresentaram significativa redução no número de folhas, especificamente M82, não sendo observadas variações na altura das plantas em nenhuma das espécies. Analisando a altura e o número de folhas em diferentes genótipos (MT, SFT ox , eSP5G pen ), foi observado que a rega ao anoitecer resultou em plantas com baixa estatura e com menos folhas que as regadas ao manhã/anoitecer e anoitecer. Em conclusão, as análises do período de rega das plantas revelaram que essa prática ao anoitecer favorece a produtividade da espécie-alvo. Subsequentemente, discutiu-se como modificações em pontos de checagem do DNA e metabólicos podem mediar a tolerância ao Al. Assim sendo, o metabolismo mitocondrial de ácidos orgânicos e manipulações genéticas dos pontos de checagem do DNA foram insuficientes em permitir a sobrevivêencia de plantas sob altas concentrações de Al. Foi sugerido que modificações nos pontos de checagem do DNA podem estar associadas à significativas mudanças no metabolismo mitocondrial. Desta forma, as interações entre esses mecanismos podem resultar em plantas com tolerância ao Al, suportando o crescimento mesmo sob altas concentrações do metal. Na sequência, foi demonstrado que o fotoperíodo é intimamente associado com as respostas ao Al, onde dias curtos (DC) favorecem a tolerância ao Al e dias longos (DL) são associados à sensibilidade ao metal. Desta forma, genes associados aos pontos de checagem do DNA são induzidos especificamente sob condições de DL, bloqueando as divisões celulares e o alongamento radicular. Em conclusão, foi descrito que a regulação fotoperiódica da tolerância ao Al em plantas pode ser fundamental para o desenvolvimento de uma tolerância estável ao Al em plantas cultivadas. Além disso, foi sugerido a ocorrência de fases do desenvolvimento específicas para raízes, as quais são independentes das fases parte área. Com isso, foram indicadas novas fronteiras a serem buscadas no tocante à biologia vegetal, sendo que as mesmas apresentam um enorme potencial para aumentar a eficiência no uso dos nutrientes e reduzir o uso de fertilizantes químicos na próxima geração de plantas cultivadas. Palavras-chave: Metabolismo. Domesticação. Relógios biológicos. Estresse energético.