Lázaro Eustáquio Pereira Peres.

Current plant breeding approaches have failed to harness the full potential of tolerance to abiotic stress available in wild crop relative species by genetic introgression to crop varieties. This difficulty is due to the highly complex polygenic traits involved in these stresses. Nevertheless, highly-tolerant crops are urgently needed in the face of scarcity of arable land and fresh water, and the fast-paced growth of the global population. Here, we propose a novel approach to tackle this problem by domesticating de novo the tomato by using its close relative S. cheesmaniae, a hardy species native to the Galapagos Islands and highly adapted to abiotic stresses, especially salinity. We will test a molecular design approach using new genome editing technology (CRISPR-Cas9) as a proof-of-concept that can be extended to other major crops. We will also produce a viable commercial, non-transgenic tomato variety that can be cultivated hydroponically with seawater or in saline fields. This project will also leverage the pursuit of additional funding in the U.S. to further explore biotechnological tools to enhance the physiology and development of the tomato plant with the intent of maximizing yield under diverse abiotic duress.

Securing and advancing the yields of sustainable agriculture and food production for the human population faces enormous challenges resulting from climate change, population growth and world-wide increasing meat consumption. Stabilizing yields of crops against adverse biotic and abiotic environmental cues represents a central aim of plant breeding and plant biotechnology and represents an important facet of this Bio-GeSP program. Salt, drought and temperature stresses dramatically impact on potentially achievable yields of currently available crop varieties. In particular for tomato (Solanum lycopersicum), a major vegetable for healthy human nutrition, salinization, as a result of natural conditions or irrigation activity, diminishes yields and results in dramatic economic damages. 
The generation of tomato crop varieties with enhanced salt tolerance represents the major goal of this proposal. To this end, we have combined the complementary expertises of two scientific groups from Brazil and Germany. The Brazilian partner at the University of São Paulo (USP) is an internationally leading expert in tomato genetics and transformation. Over the last 17 years, the USP group has developed genetic resources (Carvalho et al., 2011) that are now fostering the elucidation of the genetic and physiological basis of tomato productivity, with emphasis in fruit development (Serrani et al., 2010; Carrera et al., 2012; Silva et al., 2014) and resistance to biotic (Campos et al., 2009; Deganello et al., 2014) and abiotic stresses (Monteiro et al., 2011; Zsögön et al., 2015). Importantly, this group has recently provided proof-of-concept for the approach of using wild alleles to improve domesticated tomato or even domesticating wild species tomato into crop tomato varieties. In this regard, the USP group succeeded in creating non-transgenic deep purple tomatoes with enriched nutritional value (Sestari et al., 2014) and tomatoes with enhanced water use efficiency (Vicente et al., 2015) using alleles from a wild relative of tomato (S. pennellii) that evolved in desert regions. The German group at the University of Münster (WWU) is internationally leading the research in Ca2+-mediated establishment of plant stress tolerance. Of special relevance for this project is their recent identification of signaling components of a so far unknown transpiration-dependent pathway for salt tolerance in plants (Jiang et al., 2012; Drerup et al., 2013; Köster, Han and Kudla, unpublished). Based on these complementary expertises and resources, we have designed a project that pursues two complementary strategies to enhance salt tolerance in crop tomato. The combination of both approaches will in the end allow for synergistic and highly efficient enhancement of this important crop trait.

O objetivo deste trabalho é estudar os efeitos regulatórios do ácido abscísico (ABA) e giberelinas (GAs) na síntese de compostos do metabolismo secundário envolvidos em defesa (terpenos e polifenóis) e no acúmulo de fotossintatos em folhas, flores e frutos de tomateiro. Mutantes deficientes na síntese de ABA ou GA introgredidos na cultivar Micro-Tom de tomateiro serão utilizados como material de estudo e comparados com plantas da mesma cultivar como controle. Os genótipos serão cultivados normalmente ou receberão tratamento exógeno com ABA, GA e inibidores da síntese de terpenos. Os seguintes aspectos do metabolismo serão avaliados em folhas e frutos: conteúdo endógeno de ABA e GA; conteúdo de terpenos e de compostos fenólicos; acúmulo e distribuição de fotossintatos. Os estudos serão realizados levando em conta diferentes estádios fenológicos das plantas e, no final dos experimentos, serão avaliados também parâmetros de interesse agronômico tais como comprimento de entrenós, número de folhas, área foliar total, número e peso de frutos e conteúdo de sólidos solúveis totais (Brix) nos frutos.

A presente proposta traz o detalhamento de um projeto que visa estabelecer uma rede de colaboração nacional e internacional envolvendo laboratórios de três unidades da Universidade de São Paulo (FCF, IB, ESALq), da Universidade Federal de Pelotas (UFPel) e da École Nationale Superiéure Agronomique de Toulose, ligada ao Institut National Polytechnique (ENSAT/INP), na França. Um dos principais objetivos é a integração de estudantes de pós-graduação e pesquisadores (pós-doutores e docentes) em uma rede temática de cooperação que visará a produção científica de alto nível em Fisiologia e Bioquímica de frutos. O projeto no qual a proposta se apóia versará sobre as interações entre hormônios vegetais que ocorrem durante o desenvolvimento de frutos. Os hormônios desempenham papel essencial modulando os diversos processos metabólicos durante todo o desenvolvimento de frutos. Seus níveis de produção variam ao longo do ciclo vital dos frutos, de modo que em várias fases mais de um hormônio está atuando na regulação de expressão gênica. Assim, há a necessidade de compreender como os diversos processos que levam ao desenvolvimento dos atributos de qualidade do fruto (aroma, textura, cor, sabor) são regulados pelos ?inputs? de diversos sinais hormonais. Tal conhecimento fornecerá os subsídios para o desenvolvimento de novos métodos e tecnologias para melhorias no manejo pré-colheita e a manutenção de qualidade e conservação pós-colheita de frutos. Do ponto de vista sócio-econômico, a temática tem forte apelo face aos desafios que se colocam à Fruticultura no Brasil que, com algumas exceções, carecem de base científica para inovação e aplicação de tecnologias que visem melhoria de qualidade e aumento de sua competitividade para exportação. Em relação a geração de conhecimento científico, as equipes tem demonstrado, através de sua produção intelectual, fazer frente ao desafio de aprofundar o conhecimento em uma sub-área das Ciências Agrárias que necessita de um salto de qualidade no país. A parceria com o grupo francês visará atender esta demanda, visto que contam com excelente infra-estrutura e pessoal experiente para a pesquisa em genômica, trancriptômica, proteômica e transformação de plantas, tendo o tomateiro como modelo experimental. A complementariedade com a pesquisa dos grupos brasileiros se dá nas áreas de Química e Bioquímica Pós-colheita de frutos (FCF), Genética e controle hormonal (ESALq) e modulação de sinais ambientais e hormonais (IB) no desenvolvimento de frutos, aplicação de técnicas e protocolos de manejo pré e pós-colheita e os efeitos nos atributos de qualidade de frutos (UFPel). Do ponto de vista da pós-graduação e formação de pesquisadores, a proposta aproximará todos os grupos em torno de uma temática comum às suas linhas de pesquisa, de modo que passem a atuar de modo sinérgico o que representará ganho substancial, principalmente para os pós-graduandos em formação, dada a oportunidade que terão em atuar junto a outros grupos no país e na França. O grupo francês já vem desenvolvendo trabalhos em parceria tanto com os grupos da USP, quanto da UFPel, sendo que, com esta última, contribuíram na formação de diversos doutores, que hoje lideram equipes de pesquisa em universidades brasileiras. Assim, a proposta promoverá a aproximação de grupos dos programas de pós-graduação em Ciências dos Alimentos na FCF/USP(conceito 7), Ciências (Botânica) no IB/USP (conceito 6) e Fisiologia e Bioquímica de Plantas na ESALQ/USP (conceito 5), tanto entre si, como com o Programa em Ciências e Tecnologias de Alimentos da UFPel (conceito 4). Neste quesito a proposta visa contribuir para a redução na assimetria entre os programas, principalmente no que tange sua internacionalização, formação de pessoal e produção científica.

Os tricomas podem ser classificados em dois tipos: glandulares e não glandulares e estão relacionados, entre outras coisas, com as estratégias de defesas de uma planta. O gênero Solanum possui uma grande diversidade de tricomas, em especial glandulares (tipos I, IV, VI e VII). Os mecanismos moleculares da formação de tricomas unicelulares em Arabidopsis thaliana e de não glandulares em algodoeiro (Gossypium arboretum) já foram bastante explorados. No entanto, as bases genéticas da formação dos tricomas glandulares são praticamente desconhecidas. A utilização de mutantes para a compreensão de um processo biológico é uma abordagem ao mesmo tempo clássica e bastante atual. Nesse sentido, os mutantes de tomateiro com anomalias no padrão de distribuição de seus tricomas, tais como: hairs absent (h), Wooly (Wo), Lanata (La), hairless (hl) e Galapagos enhanced tricomes (Get), são materiais genéticos interessantes. O presente projeto tem por objetivo caracterizar as bases genéticas responsáveis pelo desenvolvimento de tricomas glandulares do tipo I e IV, com a investigação de um ?locus? contido no cromossomo 3 de Solanum pennellii introgredido na cultivar Micro?Tom (MT). Tal ?locus? rende plantas de MT com alta densidade de tricomas tipo I e possível presença de tricomas tipo IV, sendo esse último normalmente ausente em tomateiro cultivado. Por meio de um mapeamento genético de uma população recombinante para este ?locus?, utilizando-se marcadores morfológicos e moleculares (CAPS), será possível delimitar uma região cromossômica e os genes contidos na mesma que estejam participando da formação de tricomas glandulares. Além disso, serão realizados testes de epistasia com outros mutantes previamente introgredidos em MT, tais como h, Wo, La, h e a variação genética natural Get, o qual foi recentemente descoberta em S. galapagense e condiciona a presença de tricomas tipo IV em tomateiro. Tal estudo será acompanhado também de análises fenotípicas (morfo-anatômicas e químicas) que permitirão visualizar a ação gênica destes ?loci? no fenótipo de S. lycopersicum cv Micro-Tom. Tais informações trarão bases sólidas para o conhecimento do desenvolvimento de tricomas no tomateiro, as quais auxiliarão em processos de melhoramento para resistência a artrópodes.

Apesar da extensa utilização da regeneração in vitro em processos biotecnológicos, pouco se conhece, até o momento, sobre os mecanismos envolvidos na aquisição de competência para regeneração. No presente projeto propõe-se a criação de um modelo para o estudo integrado dos fatores genéticos e bioquímicos que determinam a competência para regeneração in vitro. Serão utilizadas linhagens quase isogênicas de tomateiro (Lycopersicon esculentum cv Micro-Tom) contendo genes de regeneração introgredidos de espécies selvagens, bem como mutações e plantas transgênicas apresentando alterações no metabolismo/sensibilidade a diversas classes de hormônios vegetais. Para a obtenção das linhagens quase isogênicas, várias mutações conhecidas serão transferidas para uma única cultivar de porte extremamente reduzido e ciclo de vida curto (cv Micro-Tom) através de retrocruzamentos sucessivos (introgressão). As próprias linhagens isogênicas contendo genes para alta capacidade de regeneração serão utilizadas na obtenção de plantas transgênicas em um protocolo baseado no uso de Agrobacterium. A obtenção de plantas transgênicas contendo os genes ipt, iaaM, iaaH, rolB e rolC, os quais alteram o balanço endógeno e a sensibilidade à auxina e citocininas, se somará às linhagens quase isogênicas contendo mutações em diversas classes hormonais. Após obtenção de tais linhagens, serão realizados testes de regeneração. A somatória dos resultados esperados permitirá um entendimento amplo do papel do metabolismo/sensibilidade hormonal na determinação da competência organogenética. A compreensão dos fatores envolvidos na aquisição de competência para regeneração in vitro, entre outras aplicações, pode tornar menos empírico o desenvolvimento de protocolos de regeneração para várias espécies/cultivares utilizadas em diversos processos biotecnológicos.

O objetivo do presente projeto é criar um modelo em tomateiro para permitir uma abordagem genética inédita no estudo da competência organogenética in vitro. Tal modelo consiste na criação de linhagens quase isogênicas, construídas sob o ¿background¿ da cv Micro-Tom, nas quais se buscará a introgressão dos genes para regeneração vindos de três fontes distintas: L. peruvianum, L. hirsutum. f. hirsutum e L. pimpinellifolium WV700. Mutações em tomateiro relacionadas ao metabolismo e/ou sensibilidade a diversas classes de hormônios vegetais, tais como auxinas, ácido abscísico, giberelinas, etileno e brassinoesteróides, também serão colocados no mesmo ¿background¿ Micro-Tom. Além da introgressão de mutações conhecidas, também se buscará polimorfismo, entre o tomateiro e as espécies selvagens regenerantes, nas seqüências correspondentes aos genes que codificam enzimas de biossíntese, inativação e receptores de citocininas. Finalmente, linhagens transgênicas expressando genes de origem bacteriana que alteram o metabolismo/sensibilidade hormonal também serão produzidas. De posse das linhagens quase isogênicas, será estudado, através de testes de regeneração e observações histológicas tanto o efeito isolado quanto a combinação da presença/ausência de genes regulatórios que alteram rotas de desenvolvimento, alterações no metabolismo hormonal e alterações na sensibilidade a hormônios vegetais.