Study of flower induction and fructification mechanisms in Castanea sativa Mill

Abstract

The European chestnut (Castanea sativa Mill.) is a species from the Fagaceae family that constitutes the basis of an important agroforestry system in several Mediterranean countries, being a pivotal economic resource due to its seed production. However, information regarding the molecular mechanisms underlying the life cycle of this plant is limited. Crucial events for a successful fructification, such as dormancy induction and break, flowering induction and development of unisexual male catkins and bisexual catkins (presenting male and female flowers), have not been yet molecularly characterised. Thus, the main goal of this thesis is to gather information and trace a molecular profile of the mechanisms that regulate the different stages of the life cycle of the chestnut trees. This work has provided, as far as we know, the first de novo transcriptome for C. sativa, which might be used as a platform for future studies regarding this species. As floral development is pivotal for fruit production, the molecular mechanisms that lead to development of inflorescences of separate sexes in this species were studied. Differential gene expression analysis of the homologs of homeotic genes of the ABCDE model, as well as identification of novel protein-protein interactions, suggests that the development of separate flowers in chestnut might be due to alterations in the dynamics of the ABCDE model. The mechanisms that lead to flowering induction were studied by determining the expression of putative flowering inducers during several consecutive years, in two orchards with contrasting altitudes. It was possible to determine that flowering induction occurs in summer, in the year prior to flowering, promoted by expression of CsaFLOWERING LOCUS T (CsaFT). An extensive transcriptomic analysis from buds from one growth cycle allowed the identification of genetic hubs that may be involved in the regulation of flowering, as well as the different dormancy stages and their transitions. The data obtained in this thesis constitute an advance in the comprehension of the molecular mechanisms involved in the development of unisexual flowers and the dormancy cycle of C. sativa, and may complement future studies in this species and in other Fagaceae with similar reproductive characteristics.

O castanheiro europeu (Castanea sativa Mill.) é uma espécie da família Fagaceae que constitui a base de um importante sistema agroflorestal em vários países do Mediterrâneo, sendo um importante recurso económico graças à produção das suas sementes. No entanto, a informação relativa aos mecanismos genéticos envolvidos no ciclo de vida desta planta é escassa. Eventos fundamentais para uma frutificação bem-sucedida, como indução e quebra de dormência, indução de floração e desenvolvimento de amentilhos masculinos unissexuais e amentilhos bissexuais (que apresentam flores masculinas e femininas), ainda não foram caracterizados molecularmente. Como tal, o principal objetivo desta tese é obter informação e traçar um perfil molecular dos mecanismos que regulam as várias etapas do ciclo de vida do castanheiro. Este trabalho proporcionou, tanto quanto sabemos, o primeiro transcriptoma de novo de C. sativa, que poderá ser utilizado como plataforma para futuros estudos que envolvam esta espécie. Sendo o desenvolvimento floral fundamental para produção de frutos, foram estudados os mecanismos moleculares que levam ao desenvolvimento de inflorescências de diferentes sexos nesta espécie. A análise da expressão diferencial nos diferentes tipos de flores de homólogos de genes homeóticos do modelo ABCDE, aliada à identificação de novas interações proteína-proteína, sugere que o desenvolvimento de flores unissexuais no castanheiro se poderá dever a alterações nas dinâmicas do modelo ABCDE. Os mecanismos que levam à indução de floração em castanheiro foram estudados com recurso à determinação da expressão de putativos indutores florais durante vários anos consecutivos, em dois soutos localizados a diferentes altitudes. Foi possível determinar que o período de indução floral ocorre no verão do ano anterior à floração, promovido pela expressão CsaFLOWERING LOCUS T (CsaFT). Uma extensa análise transcriptómica de gomos de um ciclo de crescimento permitiu a determinação de redes genéticas que poderão estar envolvidas na regulação da floração e das diferentes etapas da dormência e suas transições. Os dados obtidos nesta tese constituem um avanço na compreensão dos mecanismos moleculares envolvidos no desenvolvimento de flores unissexuais e no ciclo de dormência de C. sativa, e poderão complementar estudos futuros nesta espécie e em outras Fagaceae com características reprodutivas semelhantes.