Plastids are the cellular organelles where many of the visual, health and flavor-related metabolites are produced and stored in the fruit, and therefore are valuable components for consumers and breeders. The more sugar and flavor the fruit has, the more appreciated is for the consumer and industry. Thus, one of the breeder's goals is to obtain new varieties with fruits improved in these aspects. Paradoxically, fruits with a high content in chloroplasts have been avoided by the breeders because it usually suffers of oxidative stress disorders; such yellow shoulder impairment and fruit cracking when the light intensity increases. For this reason breeding efforts has been focused mainly on avoiding fruit losses and organoleptic characteristics have been neglected. This thesis aims to improve tomato fruit quality by engineering plants to produce fruits with enhanced fruit chloroplast functions and improved tolerance to oxidative stress, using cisgenic/ intragenic approaches. SlGLK1, SlGLK2 and SlAPRR2 transcription factors have been suggested to be involved in chloroplast development. Tomato MoneyMaker plants were engineered to express SlGLKs and SlAPRR2 either singly or in combination early in development. Those lines provide fruits which accumulate more sugars, carotenoids and specific volatiles than WT. The fruit chloroplast enhanced lines were characterized at the structural, metabolic, proteomics and transcriptomics. A novel additive effect in the chloroplast regulation network resulted when both transcription factors were coexpressed and a hypothesis for this effect is presented. In addition, two tomato traditional varieties (Muchamiel and Pera) expressing tomato genes for BMW anthocyanin regulatory complex under the control of the light inducible promoter (PLI) were produced and characterized. Engineered tomato plants showed large accumulation of anthocyanin specifically in the fruit peel and in Type VI trichomes. Characterization of those tissues indicated specific alterations of the flavonoid pathway that were highly dependent on the light conditions. These tomato lines could be of high interest to protect the fruit chloroplast enhancement lines from eventual stresses involving ROS, and also to assess the effect on plant growth under high light stress and in plant-pest interaction studies. / Los plastidos son orgánulos celulares donde se producen y almacenan muchos de los metabolitos relacionados con atributos organolépticos y compuestos beneficiosos para la salud, por lo tanto se consideran componentes de alto valor añadido para consumidores y mejoradores vegetales. Cuanto mayor contenido en azúcares solubles y sabor presente el fruto más se valoran por los consumidores y la industria. Por lo tanto uno de los objetivos actuales de los mejoradores de tomate es mejorar el fruto en estos aspectos. Paradójicamente, se ha seleccionado en contra de frutos con alto contenido en cloroplastos porque este carácter, bajo alta intensidad lumínica, suele estar asociado a daños en el fruto por estrés oxidativo; como los hombros amarillos del tomate o el agrietado del fruto. Por este motivo los esfuerzos en mejora se han orientado principalmente a evitar pérdidas y consecuentemente la calidad organoléptica se ha visto reducida. El objetivo de esta tesis es mejorar la calidad del fruto de tomate mediante el empleo de técnicas de ingeniería genética orientadas a incrementar los cloroplastos en fruto y mejorar la tolerancia al estrés oxidativo con una aproximación cis/ intragenica. Los factores de transcripción SlGLK1, SlGLK2 y SlAPRR2 han sido estudiados por influir en el desarrollo del cloroplasto. Plantas de tomate de variedad MoneyMaker fueron mejoradas genéticamente para expresar de forma individual o conjunta SlGLKs y SlAPRR2 en estadios tempranos de desarrollo. Estas líneas proveen frutos con mayor acumulo de azúcares, carotenos y volátiles que el control MoneyMaker. Las líneas potenciadas en desarrollo de cloroplastos se caracterizaron a nivel estructural, metabólico, proteómico y transcriptómico. Se descubrió un novedoso efecto aditivo en la regulación génica del cloroplasto cuando ambos factores de transcripción se expresan simultáneamente y se presentó una hipótesis para dicho efecto. Además se caracterizaron dos variedades tradicionales de tomate (Muchamiel and Pera) diseñadas para expresar genes pertenecientes al complejo de regulación de antocianinas BMW, bajo el control del promotor inducible por luz (PLI). Las plantas mejoradas genéticamente presentan una gran acumulación de antocianos, especialmente en piel de fruto y en tricomas tipo VI. Caracterización de estos tejidos indican alteraciones específicas en la ruta de flavonoides y una alta dependencia a condiciones de luz. Estas plantas podrían ser de gran interés para proteger frutos con altos niveles de cloroplastos frente al estrés oxidativo generado por ROS, para evaluar el efecto en el crecimiento de la planta bajo condiciones de alta luz y en futuros estudios de interacción planta-patógenos / Els plastidis són orgànuls cel.lulars on es produeixen i emmagatzemen molts dels metabòlits relacionats amb atributs organolèptics i composts beneficiosos per a la salut, per tant es consideren components d'alt valor afegit per a consumidors i milloradors vegetals. Quant major contingut en sucres solubles i sabor presenta el fruït, més serà valorat per part dels consumidors i la industria. Paradoxalment, s'ha seleccionat en contra dels fruïts amb alt contingut en cloroplasts perquè aquest caràcter, davall alta intensitat lumínica, sol estar associat amb danys en el fruït per estrés oxidatiu; com muscles groguencs de la tomata o clevitjament del fruït. Per aquest motiu, l'esforç en millora s'ha orientat principalment a evitar pèrdues de manera que la qualitat organolèptica s'ha vist reduïda. L'objectiu d'aquesta tesi es millorar la qualitat del fruït de tomata mitjançant l'ús de tècniques d'enginyeria genètica orientades a incrementar els cloroplasts al fruït i millorar la tolerància a l'estrès oxidatiu amb una aproximació cis/intragènica. Plantes de tomata de la varietat MoneyMaker foren millorades genèticament per expressar de manera individual o conjunta SlGLK1, SlGLK2 y SlAPRR2 als moments inicials del desenvolupament. Aquestes línies donen fruïts amb major acumulació de sucres, carotens i volàtils que el control MoneyMaker. Les línies potenciades amb el desenvolupament de cloroplasts es caracteritzaren a nivell estructural, metabòlic, proteòmic i transcriptòmic. Es va descobrir un nou efecte additiu en la regulació gènica del cloroplast quan ambdós factors de transcripció s'expressen de manera simultània i es va presentar una hipòtesi per a dit efecte. A més, es van caracteritzar dos varietats tradicionals de tomata (Muchamiel i Pera) dissenyades per a expressar gens que pertanyen al complex de regulació d'antocians BMW, davall el control del promotor induïble per llum (PLI). Les plantes millorades genèticament presentaren una gran acumulació d'antocians, especialment a la pell del fruït i en tricomes de tipus VI. La caracterització d'aquest teixit indica alteracions específiques en la ruta dels flavonoides i una altra dependència a condicions de llum. Aquestes plantes podrien ser de gran interès per a protegir els fruïts d'alts nivells de cloroplasts front a l'estrès oxidatiu generat pels ROS, i per a avaluar l'efecte en el creixement de la planta davall condicions d'alta llum i en futurs estudis d'interacció planta-patògen. / Cocaliadis Caisson, MF. (2017). A multilevel, developmentally controlled gene engineering strategy for tomato fortification and protection [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90401

[ES] Los virus de plantas son los agentes causales de un gran número de enfermedades en plantas que ocasionan grandes pérdidas económicas. El virus de las manchas necróticas del melón (MNSV), es un pequeño virus de RNA monocatenario de polaridad positiva, perteneciente al género Gammacarmovirus, cuyo genoma codifica cinco proteínas. La proteína de cubierta (CP), está formada por tres dominios distintos. El descubrimiento de un péptido de transito dual en la región amino-terminal de la CP fue el punto de partida de esta tesis. Al inicio de una infección por MNSV, la CP nuevamente sintetizada es transportada al interior de cloroplastos y mitocondrias mientras que, una parte mucho menor se mantiene en el citoplasma aumentando a medida que avanza la infección. La inhibición de este transporte dual conlleva un aumento de la actividad supresora del silenciamiento del RNA de la CP. Sin embargo, la infección sistémica se ve particularmente afectada. Por tanto, la acumulación de la CP en el citoplasma puede provocar un aumento de la replicación viral pero a su vez una sobreexpresión de la p29, puede provocar una explosión oxidativa y una necrosis que restringe el movimiento viral. De este modo, el transporte de la CP a los orgánulos podría evitar una replicación viral excesiva mediante la modulación de la actividad supresora para gestionar el equilibrio entre la defensa de la planta y la contradefensa viral favoreciendo una interacción compatible entre ambos. Desafortunadamente, Arabidopsis thaliana no es huésped para el MNSV. Por tanto, para entender mejor el transporte de la CP a estos orgánulos, se identificaron los receptores y los poros de los translocones de las membranas externas de las mitocondrias y los cloroplastos en Nicotiana benthamiana. Esta caracterización funcional se realizó principalmente mediante VIGS y RT-qPCR, que mostró una redundancia funcional mayor que la observada entre los homólogos de Arabidopsis. Además, esta herramienta también se utilizó para evaluar la relevancia de cada componente bajo la infección por MNSV, y junto con los estudios de interacción CP-receptor realizados mediante BiFC y Y2H, nos permitió identificar NbToc159A para cloroplastos y NbOm64 para mitocondrias, como principales receptores. A su vez, el silenciamiento de NbToc34, NbToc75 o NbTom40 resultó en una resistencia generalizada no solo a MNSV sino también al virus del arrugamiento del nabo (TCV) y al virus del moteado del clavel (CarMV), lo que respalda la idea actualmente aceptada y que involucra el estado fisiológico del cloroplasto y la mitocondria en la señalización temprana de la respuesta defensiva. Finalmente, se realizó una búsqueda de factores del huésped que interaccionasen con la CP mediante con TurboID, una ligasa de biotina, que permite la detección de interacciones tanto directas e indirectas como transitorias y estables. Así, se obtuvo un gran número de proteínas candidatas utilizando la CP de MNSV y su mutante de localización citoplásmica, ∆NtCP. Tres de ellas, NbSIK1, NbSMU2 y NbMAP3K mostraron un efecto perjudicial constante y repetitivo sobre la acumulación del RNA viral. Después de la validación de las interacciones mediante otro método, y el análisis de la localización subcelular de la CP bajo el silenciamiento del interactor correspondiente, se establecieron dos hipótesis principales. En primer lugar, dado que la función principal de NbSMU2 está relacionada con el procesamiento y regulación del RNA mensajero, esta proteína podría ser secuestrada por la CP provocando la expresión de genes provirales. Por otro lado, NbSIK1 y NbMAP3K, actúan como reguladores positivo y negativo de la respuesta PTI a la infección, respectivamente. Además, ambas proteínas interaccionan entre sí y forman parte de la cascada de MAP quinasas, por lo que en nuestra segunda hipótesis, la CP interaccionaría con este complejo, promoviendo una regulación negativa de la PTI que facilitaría el desarrollo de la infección. / [CA] Els virus de plantes són els principals causants de la major part de malalties en plantes i les consegüents pèrdues econòmiques. El virus de les taques necròtiques del meló (MNSV) és un virus menut d'RNA monocatenari de polaritat positiva, pertanyent al gènere Gammacarmovirus, el genoma del qual codifica cinc proteïnes. La proteïna de coberta (CP) està formada per tres dominis diferents. El descobriment d'un pèptid de trànsit dual a la part aminoterminal de la CP va ser el punt de partida d'aquesta tesi. A l'inici d'una infecció per MNSV, la CP novament sintetitzada és transportada a l'interior dels cloroplasts i mitocondris mentre que, una part molt menor es manté al citoplasma augmentant a mesura que avança la infecció. La inhibició d'aquest transport dual comporta un augment de l'activitat supressora del silenciament de l'RNA de la CP. No obstant això, la infecció sistèmica es va frenar. Per tant, l'acumulació de la CP al citoplasma pot provocar un augment de la replicació viral però alhora una sobreexpressió de la p29, una replicasa auxiliar que ocasiona alteracions morfològiques als mitocondris, una explosió oxidativa i necrosi que restringeix el moviment viral. D'aquesta manera, el transport de la CP als orgànuls podria evitar una replicació viral excessiva mitjançant la modulació de l'activitat supressora per gestionar l'equilibri entre defensa de la planta i contradefensa viral que condueixen a una interacció compatible entre tots dos. Per entendre millor el mecanisme molecular que regeix el transport de la CP a aquests orgànuls, es van identificar els receptors i els porus dels translocon de les membranes externes dels mitocondris i els cloroplasts a Nicotiana benthamiana. Aquesta caracterització funcional es va realitzar principalment mitjançant VIGS i RT-qPCR, que va mostrar una redundància funcional més gran que l'observada entre els homòlegs d'Arabidopsis. A més, aquesta eina també es va utilitzar per avaluar la rellevància de cada component sota la infecció per MNSV, i juntament amb els estudis d'interacció CP-receptor realitzats mitjançant BiFC i Y2H, ens va permetre identificar a NbToc159A per a cloroplasts i NbOm64 per a mitocondris, com els principals receptors implicats en el transport de la CP a aquests orgànuls. Alhora, el silenciament de NbToc34, NbToc75 o NbTom40 va resultar en una resistència generalitzada a MNSV, TCV i CarMV, la qual cosa recolza la idea que circula actualment i que involucra l'estat fisiològic del cloroplast i el mitocondri en la senyalització primerenca de la resposta defensiva. Finalment, es va fer una cerca de factors de l'hoste que interaccionessin amb la CP mitjançant la innovadora tècnica de marcatge de proximitat amb TurboID, una lligasa de biotina, que permet la detecció d'interaccions tant directes i indirectes com transitòries i estables. Així, es va obtenir un gran nombre de proteïnes candidates utilitzant la CP de MNSV i el seu mutant de localització citoplàsmica, ∆NtCP. Tres de elles, NbSIK1, NbSMU2 i NbMAP3K van mostrar un efecte perjudicial constant i repetitiu sobre l'acumulació de l'RNA viral. Després de la validació de les interaccions mitjançant un altre mètode, i l'examen de la localització subcel·lular de la CP sota el silenciament de cada interactor, es van establir dues hipòtesis principals. En primer lloc, atès que la funció principal de NbSMU2 està relacionada amb el processament i la regulació de l'RNA missatger, aquesta proteïna podria ser segrestada per la CP provocant l'expressió de gens provirals. D'altra banda, NbSIK1 i NbMAP3K actuen com a reguladors positiu i negatiu de la resposta PTI a la infecció, respectivament. A més, les dos proteïnes interaccionen entre si i formen part de la cascada de MAP quinases, per la qual cosa en la nostra segona hipòtesi, la CP interaccionaria amb aquest complex, promovent una regulació negativa de la PTI que facilitaria el desenvolupament de la infecció. / [EN] Plant viruses are the causal agents of many plant diseases and the subsequent economic losses, estimated to be US$60 billion worldwide each year. The melon necrotic spot virus (MNSV) is a small, single-stranded, positive-sense RNA virus that belongs to the genus Gammacarmovirus and encodes five proteins. The coat protein (CP) is composed of three distinct domains. The discovery of a dual transit peptide in the amino-terminal part of the CP was the starting point of this thesis. Early in MNSV infection, the new synthesized CP is imported into chloroplasts and mitochondria, while the cytoplasmic pool increases as the infection progresses. Inhibiting this dual transport leads to an increase in the RNA silencing suppressor activity of the CP. However, far from resulting in an enhanced infection development, systemic spread was impaired. Therefore, the accumulation of cytoplasmic CP may cause an increase in viral replication and overexpression of p29, an auxiliary replicase that causes morphological alterations, ROS, and necrosis that may restrict viral movement. Thus, a new role for CP targeting would be to avoid excessive viral replication by modulating the suppressor activity to manage the balance between plant defense and viral counter-defense, leading to a compatible interaction. Unfortunately, Arabidopsis thaliana is not a host for MNSV. Thus, to better understand the molecular mechanism behind the CP dual targeting, the receptors and pores of the Nicotiana benthamiana mitochondrial and chloroplast outer membrane translocons were genome identified, and some functional characterization was carried out. We assigned the following names NbToc75-III, NbToc34, NbToc90, NbToc120, NbToc159A, NbToc159B, NbTic22-III for chloroplast translocon components, and NbTom40, NbTom20-1, NbTom20-2, NbOm64 for mitochondrion translocon components. The functional characterization was mainly carried out by virus-induced gene silencing (VIGS) and RT-qPCR, revealing a functional redundancy higher than that reported for Arabidopsis homologs. Additionally, VIGS was also used to evaluate the relevance of each translocon component in MNSV infection, and together with CP-receptor interaction studies performed by BiFC and Y2H, allowed us to identify NbToc159A for chloroplasts and NbOm64 for mitochondria as the main receptors involved in the CP organelle import. Moreover, silencing of NbToc34, NbToc75, or NbTom40 resulted in a generalized resistance not only to MNSV but also to turnip crinkle virus (TCV), and carnation mottle virus (CarMV), supporting the current idea that involves the chloroplast and mitochondrion physiological state in early defense response signaling. Finally, a search for host factors interacting with the CP was performed by the innovative TurboID proximity labeling tool, which allows the detection of both direct/indirect and transient/stable interactions. Thus, a large number of candidate proteins were obtained that interacted either with the MNSV CP or with ∆NtCP, a cytoplasm-localized mutant. Three of them, NbSIK1, NbSMU2, and NbMAP3K, showed a consistent and repetitive detrimental effect on MNSV RNA accumulation. After the validation of the interactions using another method and the analysis of the subcellular localization of the MNSV CP under each interactor silencing, two main hypotheses were proposed. Firstly, since the main function of NbSMU2 is related to messenger RNA regulation by splicing, this protein could be sequestered by the CP, causing the expression of proviral genes. On the other hand, NbSIK1 and NbMAP3K act as positive and negative regulators of the PTI response to infection, respectively. Moreover, both proteins interact with each other and are part of the MAP kinase cascade, so in our second hypothesis, CP would interact with this complex, promoting a negative regulation of PTI that would facilitate viral infection. / La autora ha disfrutado de un contrato predoctoral de formación de personal investigador (FPI) (PRE-2018-84130) otorgado por el Ministerio de Ciencia e Innovación asociado al proyecto BIO2017-88321-R. Este trabajo de tesis doctoral ha sido realizado con el apoyo económico de los proyectos de investigación del Ministerio de Ciencia e Innovación, BIO2017-88321-R y PID2020-115571RB- I00. / Sáiz Bonilla, M. (2023). Deciphering the intracellular dual targeting of the melon necrotic spot virus coat protein, its interaction with host factors and their roles in plant defense [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/195836