The functions of gibberellin in different tissues of the tomato plant (Solanum lycopersicum L.)

Abstract

This thesis is largely focused on improving the current understanding about the role played by gibberellins (GAs) levels in different tissues and in the fruit development process. Two well- defined goals were established: (I) to gain more insights into how and to which extent manipulation of GA levels might differently affect plant growth in general; (II) to generate experimental evidences for the role GAs play during the transition from vegetative to reproductive phase. For this, we firstly reviewed the current evidence of the connection between central energy and GAs metabolism, via the tricarboxylic acid (TCA) cycle. The key point at this process is the 2- oxoglutarate, a TCA cycle intermediate, which has been suggested to play a role in the control of GA biosynthesis. This control is due to the fact that the enzymes responsible, ultimately for the maintenance of the pool of bioactive GAs, are dependent on 2-oxoglutarate as cofactor. Following, different but complementary experiments were carried out using wild type (WT) and mutant tomato (Solanum lycopersicum L.) plants in the GAs biosynthesis (gib3: moderately deficient, gib2: moderately deficient and gib1: extremely deficient). In the first experiment WT plants and the mutants were used to investigate, in details, the metabolic and physiological impacts of the variation of GA levels in shoot and root tissues. The results showed that, in general, depletion in the endogenous GAs levels promoted greater impacts on leaf tissues when compared to root tissues. In both tissues, gib3 mutant plants were very similar to WT. On the other hand, gib2 and gib1 mutant plants presented drastic and gradual reductions in carbohydrate contents in the foliar tissues, with relatively fewer alterations in roots. Similar behavior was also observed for malate and fumarate. It should be noted that these reductions largely follow the pattern of the reduction of the endogenous GAs content. We also observed that, although the total amino acid pool was not strongly impacted, the individual profile of amino acids was significantly altered with the highest variations occurring in the shoots of gib2 and gib1 mutant plants. These results suggest a differential fine-tuning of metabolism as a function of GA content fluctuations in shoot and roots. The second experiment was conducted with the same genotype as described previously, and the impact of GA reduction on flowering and fruit development was evaluated. Reductions in GA levels affected the reproductive process in gib2 and gib1 mutant plants, thus compromising the natural perpetuation of the genotypes, since floral development was restricted at the bud level. Few variations were observed between WT and gib3 mutant plants in relation to the flowering process, production and final fruit morphology. When evaluating fruit development in three different phases during ripening, we observed that both morphology and metabolism were altered in the early stages, with generally lower values in fruits of gib3. However, at the final stage of the ripening the phenotype is completely recovered. Thus, our results indicate that the changes occurred in the transition from semi autotrophic to completely heterotrophic metabolism and that the reduced GAs content verified in gib3 mutant promotes only a delay in fruit development in good agreement with the action of this hormone being only reported in the early stages of fruit development. The effect of impaired GA biosynthesis appears to be fairly specific, particularly on floral establishment and metabolic reprogramming during fruit development.

A presente tese teve como foco ampliar os conhecimentos acerca do papel desempenhado por diferentes níveis de giberelinas em diferentes tecidos e no processo de desenvolvimento de frutos. Dois objetivos bem característicos foram estabelecidos: (I) obtenção de maiores informações sobre como e, em que medida a manipulação dos níveis de GA pode afetar diferencialmente o crescimento das plantas em geral; (II) gerar evidências experimentais do papel fundamental desempenhando pela GAs durante a transição estadio vegetativo-reprodutivo. Para tal, foram realizados diferentes experimentos utilizando plantas tipo selvagem (WT) e mutantes na biossíntese de giberelinas (gib3: moderadamente deficiente, gib2: medianamente deficiente e gib1: extremamente deficiente), juntamente com a elaboração de um review. Neste review foram apresentadas evidências da conecção do metabolismo central, via ciclo dos ácidos tricarboxílicos (TCA), ao metabolismo da GAs. O ponto chave desse processo é o 2-oxoglutarato, um intermediário do ciclo TCA, e que foi sugerido de apresentar um papel no controle da biossíntese de GAs. Esse controle se deve pelo fato de que as enzimas responsáveis, em última instância, pela manutenção do pool de GAs biotivas são dependentes do 2-oxoglutarato como cofator. No primeiro experimento foram utilizadas plantas WT e os mutantes gib3, gib2, e gib1, nas quais foram avaliados os impactos metabólico e fisiológico da variação dos níveis de GAs em tecidos foliares e radiculares. Os resultados mostraram que, de modo geral, a depleção nos níveis endógenos de GAs promoveu maiores impactos nos tecidos foliares quando comparados a tecidos radiculares. Em ambos os tecidos o mutante gib3 foi bem similar ao WT para a maioria das análises. Os mutantes gib2 e gib1 apresentaram drástica e gradativa reduções nos conteúdos de carboidratos nos tecidos foliares, com poucas alterações nas raízes. Semelhante comportamento foi verificado para malato e fumarato. Vale lembrar que essas reduções seguem o padrão da redução do conteúdo endógeno de GAs. Também verificou-se que, embora o pool de aminoácidos tenha apresentado algumas variações, o perfil individual dos aminoácidos mostrou-se bastante alterado, tendo as maiores variações nos tecidos foliares dos mutantes gib2 e gib1. Esses resultados sugerem um ajuste fino do metabolismo em função das flutuações do conteúdo de GAs. O segundo experimento foi conduzido com os mesmos genótipos descritos anteriormente, avaliando-se o efeito da redução das GAs no processo de florescimento e desenvolvimento de frutos. Reduções dos níveis de GAs afetaram drasticamente o processo reprodutivo em plantas gib2 e gib1, comprometendo assim a perpetuação natural dos genótipos, visto que o desenvolvimento floral ficou restrito a nível de botão. Poucas variações foram encontradas entre plantas WT e gib3 no que se refere ao processo de florescimento, produção e morfologia final dos frutos. Quando avaliou-se o desenvolvimento dos frutos em três fases distintas do desenvolvimento, observamos que tanto a morfologia quanto o metabolismo foi alterado nas fases inicias, com valores geralmente menores em frutos gib3. No entanto, durante a fase de amadurecimento o fenótipo é completamente recuperado. Assim, os resultados obtidos indicam que as modificações ocorridas na transição do metabolismo semi autotrófico a completamente heterotrófico é independente das GAs.