A systems biology approach to shed light on apple fruit development

Le ricerche illustrate nella presente tesi di dottorato si collocano nell’ambito del progetto “TranscrApple” (www.transcrapple.com), finanziato dalla Provincia Autonoma di Trento (PAT) nell’ambito del bando Grandi Progetti 2012. Gli obiettivi generali del progetto, che in larga parte si accomunano a quelli della presente tesi, prevedono di caratterizzare, nella maniera più ampia possibile con le tecnologie attualmente disponibili, gli eventi transcrizionali, compresi quelli relativi agli small RNA (non affrontati nella presente tesi), metabolici, su un subset di metaboliti primari e secondari, e ormonali, tramite un approccio di hormone profiling, che si verificano durante lo sviluppo della mela. La presente tesi è organizzata in diversi capitoli, riflettendo la logica sperimentale e temporale effettivamente seguita per sviluppare le ricerche. Lo scopo principale del lavoro qui presentato è quello non solo di fornire una panoramica di informazioni su trascritti, ormoni e metaboliti e le loro variazioni durante lo sviluppo del frutto, ma anche di proporre delle soluzioni tecniche e sperimentali per poter collocare le informazioni acquisite in una piattaforma integrativa, secondo la logica della systems biology. Nelle specie modello, tutto ciò è fortemente facilitato dall’ampia disponibilità di tool bioinformatici pronti all’uso ma non sufficientemente flessibili per poter essere adattati ad altre specie. Tuttavia, soprattutto per quanto riguarda soprattutto le specie arboree da frutto, questo tipo di approccio è ancora lontano dell’essere definito e standardizzato. Il Capitolo 1 introduce l’argomento “sviluppo della mela” in relazione all’adozione del melo come specie arborea modello, in misura sempre più crescente soprattutto nell’ultimo decennio grazie anche alla disponibilità della sequenza del genoma. Dopo un excursus sulle principali e più recenti acquisizioni relative allo sviluppo del frutto del melo, vengono discusse alcune delle principali criticità e lacune, sia dal punto di vista tecnologico che scientifico, che impediscono una visione completa degli eventi regolativi che coordinano lo sviluppo e la crescita della mela, anche in relazioni ai principali parametri qualitativi e produttivi. Nel Capitolo 2 si inizia ad entrare nel merito delle ricerche, illustrando la fase preparativa di ricerca e validazione multipla (tra cultivar diverse e annate diverse) di marcatori trascrizionali delle fasi di sviluppo del frutto indirizzate alla corretta selezione di campioni rappresentativi in serie temporali raccolte in annate differenti. Sono stati identificati, validati ed utilizzati diversi marcatori fra quelli proposti in letteratura, consentendo la selezione dei campioni di cv Golden Delicious (qui usata come modello) da utilizzare nelle successive fasi di caratterizzazione trascrizionale e metabolomica condotte nelle tesi. Nel Capitolo 3 si affronta il primo importante studio dei profili ormonali durante lo sviluppo del frutto. I risultati acquisiti hanno consentito non solo di acquisire dati relativi alla maggior parte degli ormoni da poter utilizzare in ricerche future, ma anche di chiarire, confermare e/o ipotizzare delle interazioni ormonali in funzione dello stadio di sviluppo o della transizione tra stadi diversi. La peculiarità di questo studio consiste nell’aver ottenuto, per la prima volta nel melo, dati quantitativi di un set importante di ormoni a partire dagli stessi campioni. Il Capitolo 4 affronta invece la questione relativa ai metaboliti e alle loro variazioni nel corso dell’intero sviluppo del frutto. Viene in questo modo fornita una visione complessiva di come variano le diverse classi di metaboliti (principalmente zuccheri, acidi organici, amminoacidi e polifenoli) durante lo sviluppo. Anche in questo caso i dati sono stati acquisiti dagli stessi campioni utilizzati negli altri capitoli per le altre tipologie di analisi e potranno essere impiegati in ricerche successive, ad esempio, in una logica integrativa, insieme a dati trascrittomici di diversa natura, epigenetici, ecc. Nel Capitolo 5, finalmente, la tesi si addentra fra mille difficoltà tecniche, poi in parte superate, nella giungla della cosiddetta systems biology, fornendo un esempio di come i dati ormonali possono essere valorizzati attraverso la loro integrazione con i dati trascrittomici ottenuti tramite RNAseq a partire dagli stessi campioni.