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Characterization and genome-editing for glufosinate tolerance in micro-tom tomato (Solanum Lycopersicum)

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Resumo

Este estudo desenvolveu uma estratégia abrangente para enfrentar essa limitação por meio de edição genômica precisa, fundamentada em três componentes complementares: caracterização experimental da sensibilidade de Micro-Tom ao glufosinato, identificação bioinformática de genes candidatos à edição e validação experimental da transformação genética.No primeiro capítulo, a sensibilidade de Micro-Tom a aplicações foliares de glufosinato foi caracterizada sistematicamente em condições controladas de casa de vegetação. As plantas foram expostas a cinco concentrações do herbicida (0, 0,5, 1,0, 2,0 e 3,0 g·L⁻¹) e foram avaliadas respostas fenotípicas (sintomas visuais) e fisiológicas (atividade de catalase). Os resultados revelaram uma clara relação dose–resposta, na qual mesmo a dose mais baixa (25% da dose recomendada) levou à mortalidade completa em dez dias, indicando ausência de margem segura de tolerância. A atividade de catalase exibiu um padrão bifásico (indução inicial de 52% seguida de esgotamento), ressaltando a insuficiência dos mecanismos de defesa endógenos do cultivar. No segundo capítulo, análises bioinformáticas integradas (BLASTP recíproco, inferência filogenética e modelagem estrutural com AlphaFold3) identificaram sete candidatos ortólogos em tomate dos genes de arroz OsARF18 e OsSPL10, que atuam como repressores transcricionais dos genes de glutamina sintetase (GS1 e GS2), modulando assim a resistência ao glufosinato. A avaliação multifatorial classificou Solyc11g069500 (ortólogo de OsARF18) e Solyc10g018780 (ortólogo de OsSPL10) como os alvos de edição mais promissores, apresentando arquitetura gênica conservada, um conjunto completo de domínios funcionais essenciais e padrões densos de sítios de ligação nos promotores.No terceiro capítulo, a transformação genética foi validada experimentalmente via Agrobacterium tumefaciens, alcançando uma eficiência de transformação de 13,3% com vetores CRISPR–Cas9 montados por Golden Gate (60% de eficiência de clonagem), e o protocolo de regeneração foi otimizado mediante substituição da citocinina, resultando na regeneração bem-sucedida de aproximadamente 20 explantes.Coletivamente, esses achados posicionam Solyc11g069500 e Solyc10g018780 como candidatos viáveis para estratégias futuras de edição genômica destinadas a conferir resistência ao glufosinato no tomate, contornando as limitações dos enfoques transgênicos convencionais e contribuindo de forma relevante para a segurança alimentar global e a agricultura sustentável.

Abstract

This study developed a comprehensive strategy to address this limitation through precise genome editing, grounded in three complementary components: experimental characterization of Micro-Tom sensitivity to glufosinate, bioinformatic identification of candidate genes for editing, and experimental validation of genetic transformation. In the first chapter, Micro-Tom sensitivity to foliar glufosinate applications was systematically characterized under controlled greenhouse conditions. Plants were exposed to five herbicide concentrations (0, 0.5, 1.0, 2.0, and 3.0 g L⁻¹), and phenotypic (visual symptoms) and physiological (catalase activity) responses were evaluated. Results revealed a pronounced dose–response relationship, in which even the lowest dose (25% of the recommended rate) led to complete mortality by ten days, indicating the absence of any safety margin of tolerance. Catalase activity displayed a biphasic pattern (an initial 52% induction followed by depletion), highlighting the insufficiency of the cultivar’s endogenous defense mechanisms. In the second chapter, integrated bioinformatic analyses (reciprocal BLASTP, phylogenetic analyses, and structural modeling with AlphaFold 3) identified seven tomato ortholog candidates of rice genes (OsARF18 and OsSPL10) that act as transcriptional repressors of glutamine synthetase genes (GS1 and GS2), thereby modulating glufosinate resistance. Multifactorial evaluation ranked Solyc11g069500 (OsARF18 ortholog) and Solyc10g018780 (OsSPL10 ortholog) as the most promising editing targets, exhibiting conserved gene architecture, a full complement of essential functional domains, and dense patterns of promoter binding sites. In the third chapter, genetic transformation was experimentally validated via Agrobacterium tumefaciens, achieving a transformation efficiency of 13.3% with Golden Gate–assembled CRISPR–Cas9 vectors (60% cloning efficiency) and optimizing the regeneration protocol through cytokinin replacement, yielding successful regeneration of approximately 20 explants. Collectively, these findings position Solyc11g069500 and Solyc10g018780 as viable genes for future genome-editing strategies aimed at conferring glufosinate resistance in tomato, circumventing the limitations of conventional transgenic approaches and contributing meaningfully to global food security and sustainable agriculture.

Descrição

Área de concentração

Biologia molecular

Linha de pesquisa

Transformação genética e clonagem

Agência de desenvolvimento

Palavra chave

Marca

Objetivo

Procedência

Impacto da pesquisa

Resumen

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DOI

Citação

PEÑA, Samanda López. Characterization and genome-editing for glufosinate tolerance in micro-tom tomato (Solanum Lycopersicum). 2026. 131 p. Tese (Doutorado em Biotecnologia Vegetal) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.

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