FOOD SECURITY: INNOVATIVE PLANT REPRODUCTIVE STRATEGY IN A CHANGING ENVIRONMENTAL CONDITION

With the climate changing and the population increasing, the global food security issue is currently one of our main concerns. In this framework, the development of advanced plant breeding strategies is essential to ensure population feeding. Apomixis is an asexual reproductive mechanism in which the seeds are produced clonally. In apomictic plants, the female meiosis is altered or bypassed thus generating unreduced spores and consequently gametes that develop in embryos without fertilization. The advantage of this reproduction type is the fixation of highly resistant and productive varieties through generations, without segregation of the traits. However, the introduction of apomixis in crop plants is challenging, because its regulation is still largely unknown. During my PhD, I have characterized this process at the cytological and molecular level, highlighting the main differences with sexual reproduction especially during the first meiotic division. Furthermore, I have used different approaches to unveil the genes potentially involved in apomixis regulation in the natural apomictic species Taraxacum officinale – the common dandelion. I have contributed to characterize the molecular function of VACUOLAR PROTEIN SORTING 13 (VPS13), one putative regulator required for the formation of unreduced and clonal female gametes in dandelion, and ovule development in the model sexual species Arabidopsis thaliana, assessing its downstream pathways. Due to the lack of Taraxacum vps13 loss of function mutants, to understand the mechanism of action of VPS13 I have characterized in detail the Arabidopsis vps13 mutant. By studying ovule development, I have demonstrated that this gene is necessary for the correct specification of the female germline and the progression of megasporogenesis. In particular, I have established VPS13's role in the small RNA pathway and its interaction with meiotic proteins. All in all, my work has contributed to the understanding of the molecular regulation of sexual and apomictic reproduction, and it will contribute to the application of asexual reproduction to agriculture.

Con il cambiamento climatico e l’aumento della popolazione, una delle nostre principali preoccupazioni è garantire la disponibilità alimentare globale. In questo contesto, è essenziale sviluppare strategie innovative per il miglioramento genetico delle piante. L'apomissia è un meccanismo riproduttivo naturale in cui i semi vengono prodotti clonalmente per via asessuata. Nelle piante apomittiche, la meiosi delle cellule riproduttive femminili è alterata o omessa, generando così spore, e di conseguenza gameti, non ridotti che si sviluppano in embrioni senza fecondazione. Il vantaggio di questo tipo di riproduzione consiste nell’evitare la segregazione dei caratteri genetici e fenotipici nella progenie, fissando nelle generazioni varietà di piante altamente resistenti e produttive. Tuttavia, introdurre l’apomissia nelle piante coltivate, che si riproducono per via sessuale, è difficile, perché la sua regolazione a livello molecolare è ancora in gran parte sconosciuta. Durante il mio dottorato di ricerca ho caratterizzato la riproduzione apomittica a livello citologico e molecolare, evidenziando le principali differenze con la riproduzione sessuale, soprattutto durante la prima divisione meiotica. Inoltre, ho utilizzato diversi approcci per identificare i geni potenzialmente coinvolti nella regolazione dell’apomissia nella specie apomittica naturale Taraxacum officinale – il dente di leone. Ho contribuito a caratterizzare la funzione del gene VACUOLAR PROTEIN SORTING 13 (VPS13), presunto regolatore della formazione di gameti femminili non ridotti e clonali nello sviluppo del tarassaco, e dell'ovulo nella specie sessuale modello Arabidopsis thaliana, valutandone i meccanismi a valle. A causa della mancanza di mutanti di tarassaco in cui la funzione di VPS13 è persa, per comprendere il suo meccanismo d'azione ho caratterizzato in dettaglio il mutante vps13 di Arabidopsis. Studiando lo sviluppo dell'ovulo, ho dimostrato che in gene VPS13 è necessario per la corretta specificazione della linea germinale femminile e la progressione della megasporogenesi. In particolare, ho provato il ruolo di VPS13 nell’omeostasi degli small RNA e la sua interazione con le proteine meiotiche. Nel complesso, il mio lavoro ha contribuito alla comprensione della regolazione molecolare della riproduzione sessuale e apomittica, e contribuirà all’introduzione dell’apomissia in piante importanti dal punto di vista agronomico.