Apple and strawberry MADS-box genes and their function in plant developmental pathways

The main role of MADS-box transcription factors in plant developmental processes has been well described in the model plant Arabidopsis thaliana. However, little is known about their function in crops of important agricultural and commercial value. Our study aims to investigate their role in two agronomical relevant Rosaceae crops: apple (Malus x domestica Borkh.) and strawberry (Fragaria vesca). Expression studies using qPCR and RNA seq have identified two apple Dormancy Associated MADS-box (DAM) genes. They group with the StMADS11 clade, and were named MdDAM1 and MdDAM2, the last one discovered ex novo. Real time expression studies in dormant buds collected during the chilling period and chromatin immunoprecipitation (ChIP) analyses confirmed that the genes are downregulated by exposure to cold and MdDAM1 is epigenetically repressed, as it has been demonstrated for Arabidopsis FLC and peach DAM genes. In parallel we worked on strawberry MADS-box genes of known function involved in flower development. We chose three MADS-box genes that are homologs of Arabidopsis PISTILLATA and AGAMOUS to perform gene expression and functional analysis using a RNA interference approach to obtain post-transcriptional gene silencing. The positive transgenic lines of each transformation were evaluated at the molecular and phenotypic level. Single gene mutants does not show altered flower phenotype, suggesting a different mechanism of flower development in strawberry, probably due to the peculiar flower structure.

Il ruolo fondamentale svolto dai fattori di trascrizione MADS-box nei diversi processi di sviluppo delle piante è stato descritto in dettaglio nell’organismo modello Arabidopsis thaliana. Tuttavia la loro funzione in colture di maggior valore agricolo e commerciale rimane da indagare. La presente ricerca si propone di comprendere il loro ruolo in due colture agronomicamente importanti appartenenti alle Rosacee: melo (Malus x domestica Borkh.) e fragola (Fragaria vesca). Studi dell’espressione genica attraverso Real time PCR e RNA-seq hanno permesso l’identificazione di due geni di melo appartenenti ai geni DAM (Dormancy Associated MADS-box). I due geni appartengono alla clade StMAD11 e sono stati denominati MdDAM1 e MdDAM2, quest’ultimo scoperto ex novo. Analisi di espressione con Real time PCR in gemme dormienti raccolte durante il periodo invernale e studi di immunoprecipitazione di cromatina (ChIP) hanno confermato che i geni sono silenziati in seguito all’espozione al freddo. Inoltre si è provato che solo MdDAM1 è epigeneticamente represso, come era stato in precedenza dimostrato in Arabidopsis per il gene FLC e in pesca per i geni DAM. In parallelo si è lavorato su alcuni geni MADS-box di fragola, di cui era nota la funzione, coinvolti nello sviluppo del fiore. Tra questi geni ne sono stati scelti tre, i probabili omologhi di PISTILLATA e AGAMOUS in Arabidopsis, per svolgere sia analisi di espressione, sia analisi funzionali che sfruttano l’approccio di RNA interference per ottenere silenziamento genico post-trascrizionale. Le linee transgeniche risultate positive sono state valutate a livello molecolare e fenotipico. Il silenziamento dei singoli geni non ha mostrato alterazioni nello sviluppo del fiore, suggerendo un diverso meccanismo coinvolto nello sviluppo del fiore in fragola, probabilmente a causa della sua particolare struttura.