Hormonal interations during fruit and seed development in tomato

Lo sviluppo del frutto e del seme sono processi fortemente coordinati tra di loro, e soggetti a controllo ormonale. Nonostante che diverse evidenze sperimentali dimostrino il coinvolgimento degli ormoni nello sviluppo partenocarpico del frutto, tuttavia, gli eventi molecolari che regolano l’allegagione, le fasi successive della crescita del frutto e il sistema endogeno di regolazione ormonale di questi processi, sono ancora poco conosciuti. Sono stati quantificati i livelli endogeni di gibberelline (GAs), acido indolacetico (IAA), citochinine (CK) e etilene; successivamente è stata analizzata l’espressione genica di alcuni geni chiave della biosintesi delle GAs nei frutti impollinati e partenocarpici ottenuti con l’acido clorofenossi acetico. Nei giorni successivi all’impollinazione/trattamento le concentrazioni di GA1, GA3 e GA8 sono più elevate nei frutti partenocarpici; al contrario negli stadi di sviluppo più avanzati le concentrazioni di GA1 e GA8 sono costantemente più elevate nei frutti impollinati, nei quali i livelli più elevati, in particolare GA1, si osservano nei semi e nel tessuto loculare. L’analisi dell’espressione dei geni (GA20 ossidasi e GA3 osidasi) indica che entrambi i geni della GA3 ossidasi (GA3ox-1 e 2) sono espressi a basso livello sia nei frutti impollinati sia in quelli trattati. Dei tre geni della GA20 ossidasi (GA20ox-1, -2, -3) nel frutto di pomodoro sono espressi principalmente la GA20ox-1 e GA20ox-3. Per entrambi i geni il livello di espressione relativa è significativamente maggiore nei frutti trattati rispetto ai frutti impollinati e l’espressione risulta prevalentemente a carico del tessuto loculare mantenendosi sempre bassa nel pericarpo. Prima dell’antesi il livello endogeno di IAA e la produzione di etilene negli ovari sono elevati. Dopo l’impollinazione/trattamento con auxina il livello di entrambi gli ormoni diminuisce rapidamente, ma in modo decisamente più rapido nei frutti trattati. Successivamente, il livello endogeno di IAA rimane sempre basso nei frutti trattati mentre nei frutti impollinati aumenta di nuovo; al contrario, la produzione di etilene rimane bassa in entrambi i frutti, fino allo stadio di maturazione verde. L’analisi dei livelli endogeni di IAA nelle diverse parti del frutto dopo i primi 10 giorni di sviluppo mostra che l’ormone è principalmente localizzato nei semi e nel tessuto loculare dei frutti impollinati mentre il livello di IAA nel pericarpo rimane sempre molto basso. Le CK sono costituite essenzialmente da basi libere, mentre le forme ribosilate rappresentano una frazione molto ridotta. Un picco nei livelli endogeni di CK libere è ben riconoscibile allo stadio 3 DAP/T, seguito da un calo abbastanza consistente. Il confronto tra frutti impollinati e frutti trattati evidenzia la presenza di un livello più ridotto di CK nei frutti partenocarpici, nei quali il picco a 3 DAT appare appena accennato. L’insieme dei dati ottenuti indica che lo sviluppo partenocarpico del frutto ottenibile con applicazioni ormonali è il risultato di una diversa interazione ormonale rispetto a quella conseguente ad impollinazione e fecondazione, piuttosto che la diretta conseguenza dell’aumentato livello endogeno dell’ormone utilizzato per stimolare lo sviluppo partenocarpico. Lo studio delle interazioni ormonali durante lo sviluppo del frutto di pomodoro, pur confermando il cross-talking tra auxine e GAs, evidenzia variazioni significative rispetto al modello di riferimento del Pisum. In pomodoro, in particolare, la sede della sintesi di GAs non è localizzata nel pericarpo ma nei semi e nei tessuti loculari. Inoltre l’auxina stimola l’accumulo di GAs biologicamente attive (GA1) attraverso la regolazione dell’espressione della GA-20 ossidasi ma non della GA-3 ossidasi. Nello sviluppo partenocarpico del frutto, indotto dal trattamento auxinico, le GAs e l’IAA, forse prodotte dagli pseudoembrioni, sembrano svolgere un ruolo significativo soltanto nella prima fase di crescita coincidente con la fase di più intensa divisione cellulare. L’analisi di alcuni parametri qualitativi del frutto non ha rilevato differenze statisticamente significative tra frutti ottenuti a seguito di trattamento auxinico e frutti ottenuti tramite impollinazione/fecondazione, né alla raccolta né alcuni giorni dopo. La differenza più significativa tra i frutti prodotti con le due modalità è il peso significativamente superiore dei frutti ottenuti tramite applicazione di auxine esogene.Fruit and seed development are well coordinated processes, subjected to hormone control. Several experimental evidences support the involvement of hormones in the control of parthenocarpic fruit development; however the molecular events that regulate fruit-set, the successive phases of fruit growth and the endogenous system of hormonal regulation are poorly known. The endogenous levels of gibberellins (GAs), indoleacetic acid (IAA), cytokinins (CK) and ethylene were determinated; successively, the expression of some key-genes of the gibberellins biosynthesis was analysed in normal fruits and parthenocarpic fruits obtained with chlorophenoxy-acetic acid. During the first ten days following pollination/treatment the concentration of GA1, GA3 and GA8 is higher in parthenocarpic than pollinated fruits. In the following development stages, on the contrary, the concentration GA1 and GA8, which is mainly localised in seeds and locular tissues, is constantly higher in pollinated fruits. Analysis of genes expression (GA20 oxidases and GA3 oxidases), indicate that both GA3 oxidase genes (GA3ox-1 and 2), are expressed at a low level either in pollinated fruits or treated fruits, GA20 oxidase genes are, instead, much more expressed in both fruits. The relative expression level of the GA20 oxidase genes principally expressed in the tomato fruit (GA20ox-1 and GA20ox-3) is higher in treated than in pollinated fruits and it is localised predominantly in locular tissues, being always low in the pericarp. Before anthesis endogenous level IAA and ethylene production in the ovary are high. After pollination/treatment the level of both hormones falls drastically in both fruits, but faster in treated ones. Successively, the endogenous level of IAA in treated fruits keeps low while increasing again in pollinated fruits. Ethylene production is maintained low until green maturation, in both fruit. The analysis of IAA levels in fruit tissues shows that in pollinated fruit after 10 days of development, the hormone is principally located in seeds and locular tissues being always low in the pericarp. The endogenous levels of CK show that free bases are predominant CK forms, while ribosilated CK represent a small fraction. A clear peak of free CK was observed at stage 3 DAP. In parthenocarpic fruit the endogenous level of CK is reduced respect to pollinated fruits and the peak at 3 DAT barely detect. Our datas show that parthenocarpic fruit development, obtained by auxin application, is the result of different hormonal interactions, rather than the results of the general increase of hormone level. While confirming the cross-talking between auxin and GAs, the hormone dynamic during tomato fruit development, suggest significant variations respect to the most described model of Pisum. In tomato, the site of GA synthesis is localized in seeds and locular tissues and not in the pericarp. Moreover auxin stimulates the increase of bioactive GAs (GA1) through the regulation of GA20 oxidases expression and not GA3 oxidases. In the parthenocarpic fruit development, stimulated by auxin treatment, GAs and IAA, perhaps produced by pseudoembryos, seem to play an important role only in the control of the first growth phase coinciding with high cellular division. The analysis of several parameters of fruit quality at harvest and a few days after did not show significant differences between fruits obtain by auxin application and fruit deriving from pollination. The main difference was the higher weight of parthenocarpic fruits respect pollinated fruits.Dottorato di ricerca in Ortoflorofrutticoltur