FUNCTIONAL CHARACTERIZATION OF VPS13 DURING SEXUAL AND APOMICTIC PLANT REPRODUCTION: THE MISSING GENE FOR PLANT BREEDING?

In the near future, food production must increase to ensure food security for the growing world population. One of the methods to improve production is the generation of F1 hybrids, which have increased characteristics compared to their parental lines, including higher yield. Apomixis is an asexual way of reproduction that allows the fixation of any increased characteristics for all subsequent generations by the production of a clonal progeny. Despite that, apomixis is absent from economically important crops; therefore, its introduction into sexually reproducing crops could potentially change the plant breeding field. A candidate gene for apomixis regulation in plants is VPS13, identified in apomictic dandelion. During my Ph.D. project, I studied the possible role of VPS13 in plant reproduction in two species, dandelion and Arabidopsis, model plants for asexual and sexual reproduction, respectively. Here, I show that apomictic dandelion maintains the machinery to perform sexual meiosis, repressed by a yet unknown mechanism. Furthermore, the analysis of a knockout mutant suggested that VPS13 might act in concert with other factors to accomplish diplospory in apomictic dandelion. I also report that VPS13S has a crucial role in female germline development in sexual Arabidopsis, demonstrated by the severe defects observed in vps13 mutant ovules. Several analyses suggested the potential function of VPS13S in modulating the expression of key factors at the protein level by regulating their turnover. The results presented in this thesis indicate that the VPS13S association with the membranes is fundamental to its function in ovule development, and they provide insight into the regulatory networks that control ovule development in plants.

Nei prossimi anni, la produzione agroalimentare dovrà aumentare per assicurare cibo alla popolazione mondiale in continua crescita. La generazione di ibridi è uno dei metodi per incrementare la produttività, poiché questi si contraddistinguono per le migliori caratteristiche rispetto alle linee parentali, incluse maggiori rese. L’apomissia è una forma di riproduzione asessuale che permette di fissare le migliori caratteristiche presenti negli ibridi per tutte le generazioni successive tramite la produzione di una progenie clonale. Nonostante ciò, nessuna coltivazione economicamente rilevante attualmente si riproduce tramite apomissia. La sua introduzione nelle coltivazioni a riproduzione sessuale ha, quindi, la potenzialità di cambiare il mondo del breeding. Uno dei geni candidati per il controllo dell’apomissia in pianta è VPS13, che è stato identificato in tarassaco. Durante il mio progetto di dottorato, ho investigato il possibile ruolo di VPS13 nello sviluppo riproduttivo di due specie, tarassaco e Arabidopsis, rispettivamente piante modello per la riproduzione apomittica e sessuale. I risultati di questa tesi mostrano che il tarassaco apomittico conserva la capacità di riprodursi per via sessuale, via che viene repressa da un meccanismo ancora non chiaro. Inoltre, l’analisi di un mutante knockout suggerisce che VPS13 agisca insieme ad altri fattori per completare la riproduzione apomittica del tarassaco. In questa tesi viene anche presentato il ruolo cruciale di VPS13S nello sviluppo della linea germinale femminile in Arabidopsis, dimostrato dai gravi difetti osservati negli ovuli del mutante vps13. Diverse analisi suggeriscono la possibile funzione di VPS13S nel modulare l’espressione di fattori chiave, agendo sul loro turnover a livello proteico. I risultati di questa tesi di dottorato indicano che l’associazione di VPS13S con le membrane è fondamentale per la sua funzione nello sviluppo dell’ovulo; inoltre, approfondiscono la conoscenza sui network che regolano lo sviluppo dell’ovulo nelle piante.