Multi-gene metabolic engineering of tomato plants results in increased fruit yield up to 23%
Creators
- 1. Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology
- 2. University of Rostock
- 3. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
- 4. University of Buenos Aires
- 5. University of Bern
- 6. University of Oxford
Description
Abstract The capacity to assimilate carbon and nitrogen, to transport the resultant sugars and amino acids to sink tissues, and to convert the incoming sugars and amino acids into storage compounds in the sink tissues, are key determinants of crop yield. Given that all of these processes have the potential to co-limit growth, multiple genetic interventions in source and sink tissues, plus transport processes may be necessary to reach the full yield potential of a crop. We used biolistic combinatorial co-transformation (up to 20 transgenes) for increasing C and N flows with the purpose of increasing tomato fruit yield. We observed an increased fruit yield of up to 23%. To better explore the reconfiguration of metabolic networks in these transformants, we generated a dataset encompassing physiological parameters, gene expression and metabolite profiling on plants grown under glasshouse or polytunnel conditions. A Sparse Partial Least Squares regression model was able to explain the combination of genes that contributed to increased fruit yield. This combinatorial study of multiple transgenes targeting primary metabolism thus offers opportunities to probe the genetic basis of metabolic and phenotypic variation, providing insight into the difficulties in choosing the correct combination of targets for engineering increased fruit yield.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تعد القدرة على استيعاب الكربون والنيتروجين، ونقل السكريات والأحماض الأمينية الناتجة إلى أنسجة الحوض، وتحويل السكريات والأحماض الأمينية الواردة إلى مركبات تخزين في أنسجة الحوض، من المحددات الرئيسية لمحصول المحاصيل. بالنظر إلى أن جميع هذه العمليات لديها القدرة على الحد من النمو بشكل مشترك، فإن التدخلات الجينية المتعددة في أنسجة المصدر والمغسلة، بالإضافة إلى عمليات النقل قد تكون ضرورية للوصول إلى إمكانات الغلة الكاملة للمحصول. استخدمنا التحول التوافقي البيولوجي (ما يصل إلى 20 جينًا متحولًا) لزيادة تدفقات C و N بهدف زيادة محصول ثمار الطماطم. لاحظنا زيادة في محصول الفاكهة بنسبة تصل إلى 23 ٪. لاستكشاف إعادة تشكيل شبكات التمثيل الغذائي في هذه المحولات بشكل أفضل، أنشأنا مجموعة بيانات تشمل المعلمات الفسيولوجية والتعبير الجيني والتنميط الأيضي للنباتات المزروعة في ظل ظروف البيوت الزجاجية أو الأنفاق المتعددة. تمكن نموذج انحدار المربعات الصغرى الجزئية المتناثرة من شرح مجموعة الجينات التي ساهمت في زيادة إنتاجية الفاكهة. وبالتالي، فإن هذه الدراسة التوافقية للجينات المحورة المتعددة التي تستهدف الأيض الأولي توفر فرصًا للتحقيق في الأساس الجيني للاختلاف الأيضي والظاهري، مما يوفر نظرة ثاقبة على الصعوبات في اختيار المزيج الصحيح من الأهداف لهندسة زيادة إنتاجية الفاكهة.Translated Description (French)
Résumé La capacité d'assimiler le carbone et l'azote, de transporter les sucres et les acides aminés résultants vers les tissus du puits et de convertir les sucres et les acides aminés entrants en composés de stockage dans les tissus du puits sont des déterminants clés du rendement des cultures. Étant donné que tous ces processus ont le potentiel de co-limiter la croissance, de multiples interventions génétiques dans les tissus sources et puits, ainsi que des processus de transport peuvent être nécessaires pour atteindre le plein potentiel de rendement d'une culture. Nous avons utilisé la co-transformation combinatoire biolistique (jusqu'à 20 transgènes) pour augmenter les flux de C et N dans le but d'augmenter le rendement en fruits de tomate. Nous avons observé une augmentation du rendement en fruits allant jusqu'à 23 %. Pour mieux explorer la reconfiguration des réseaux métaboliques dans ces transformants, nous avons généré un ensemble de données englobant les paramètres physiologiques, l'expression génique et le profilage des métabolites sur des plantes cultivées en serre ou en polytunnel. Un modèle de régression des moindres carrés partiels a pu expliquer la combinaison de gènes qui a contribué à l'augmentation du rendement en fruits. Cette étude combinatoire de plusieurs transgènes ciblant le métabolisme primaire offre ainsi des opportunités pour sonder la base génétique de la variation métabolique et phénotypique, fournissant un aperçu des difficultés à choisir la bonne combinaison de cibles pour l'ingénierie d'un rendement accru en fruits.Translated Description (Spanish)
Resumen La capacidad de asimilar carbono y nitrógeno, de transportar los azúcares y aminoácidos resultantes a los tejidos de sumidero, y de convertir los azúcares y aminoácidos entrantes en compuestos de almacenamiento en los tejidos de sumidero, son determinantes clave del rendimiento de los cultivos. Dado que todos estos procesos tienen el potencial de co-limitar el crecimiento, pueden ser necesarias múltiples intervenciones genéticas en los tejidos fuente y sumidero, además de procesos de transporte para alcanzar el potencial de rendimiento total de un cultivo. Utilizamos la cotransformación combinatoria biolística (hasta 20 transgenes) para aumentar los flujos de C y N con el fin de aumentar el rendimiento del fruto del tomate. Hemos observado un aumento del rendimiento frutal de hasta el 23%. Para explorar mejor la reconfiguración de las redes metabólicas en estos transformantes, generamos un conjunto de datos que abarca parámetros fisiológicos, expresión génica y perfilado de metabolitos en plantas cultivadas en condiciones de invernadero o politúnel. Un modelo de regresión de mínimos cuadrados parciales dispersos fue capaz de explicar la combinación de genes que contribuyeron al aumento del rendimiento de la fruta. Por lo tanto, este estudio combinatorio de múltiples transgenes dirigidos al metabolismo primario ofrece oportunidades para investigar la base genética de la variación metabólica y fenotípica, proporcionando información sobre las dificultades para elegir la combinación correcta de dianas para diseñar un mayor rendimiento de la fruta.Files
s41598-020-73709-6.pdf.pdf
Files
(6.2 MB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:4ac06514c22097b251790ce8c3ba246b
|
6.2 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تؤدي الهندسة الأيضية متعددة الجينات لنباتات الطماطم إلى زيادة إنتاجية الفاكهة بنسبة تصل إلى 23 ٪
- Translated title (French)
- L'ingénierie métabolique multigénique des plants de tomates entraîne une augmentation du rendement en fruits jusqu'à 23 %
- Translated title (Spanish)
- La ingeniería metabólica multigénica de las plantas de tomate da como resultado un aumento del rendimiento frutal de hasta el 23%
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3092819584
- DOI
- 10.1038/s41598-020-73709-6
References
- https://openalex.org/W1489021348
- https://openalex.org/W1554248652
- https://openalex.org/W1563952600
- https://openalex.org/W1582772527
- https://openalex.org/W1967215284
- https://openalex.org/W1970361620
- https://openalex.org/W1974772335
- https://openalex.org/W1980209344
- https://openalex.org/W1980396438
- https://openalex.org/W1980916292
- https://openalex.org/W1981822383
- https://openalex.org/W1982790202
- https://openalex.org/W1983679513
- https://openalex.org/W1985160905
- https://openalex.org/W1985242370
- https://openalex.org/W1987045262
- https://openalex.org/W1987320767
- https://openalex.org/W1987851798
- https://openalex.org/W1988902793
- https://openalex.org/W1990653574
- https://openalex.org/W1995695956
- https://openalex.org/W1996493030
- https://openalex.org/W1996693145
- https://openalex.org/W1998130840
- https://openalex.org/W1998978397
- https://openalex.org/W2005487443
- https://openalex.org/W2005622747
- https://openalex.org/W2005848936
- https://openalex.org/W2006216406
- https://openalex.org/W2010493568
- https://openalex.org/W2011515944
- https://openalex.org/W2016043094
- https://openalex.org/W2021000677
- https://openalex.org/W2023312084
- https://openalex.org/W2023580281
- https://openalex.org/W2023631441
- https://openalex.org/W2024556021
- https://openalex.org/W2032467781
- https://openalex.org/W2036586152
- https://openalex.org/W2040008890
- https://openalex.org/W2050669688
- https://openalex.org/W2054376171
- https://openalex.org/W2054966751
- https://openalex.org/W2056132056
- https://openalex.org/W2065363355
- https://openalex.org/W2067052591
- https://openalex.org/W2070969294
- https://openalex.org/W2074102891
- https://openalex.org/W2079862672
- https://openalex.org/W2082253757
- https://openalex.org/W2083312584
- https://openalex.org/W2086183427
- https://openalex.org/W2096496607
- https://openalex.org/W2099771349
- https://openalex.org/W2100488313
- https://openalex.org/W2101195019
- https://openalex.org/W2101778601
- https://openalex.org/W2102006623
- https://openalex.org/W2105124321
- https://openalex.org/W2106226450
- https://openalex.org/W2106873009
- https://openalex.org/W2107512306
- https://openalex.org/W2107607699
- https://openalex.org/W2107954823
- https://openalex.org/W2108014542
- https://openalex.org/W2108244474
- https://openalex.org/W2109525691
- https://openalex.org/W2111280273
- https://openalex.org/W2115507180
- https://openalex.org/W2116141474
- https://openalex.org/W2117225984
- https://openalex.org/W2120287165
- https://openalex.org/W2122756862
- https://openalex.org/W2125072921
- https://openalex.org/W2127953869
- https://openalex.org/W2131158448
- https://openalex.org/W2131849298
- https://openalex.org/W2134252620
- https://openalex.org/W2135187340
- https://openalex.org/W2136227275
- https://openalex.org/W2139081888
- https://openalex.org/W2143616846
- https://openalex.org/W2148312158
- https://openalex.org/W2149418621
- https://openalex.org/W2151346683
- https://openalex.org/W2151502748
- https://openalex.org/W2153715794
- https://openalex.org/W2153733135
- https://openalex.org/W2154965090
- https://openalex.org/W2155852476
- https://openalex.org/W2157011531
- https://openalex.org/W2158582895
- https://openalex.org/W2162568070
- https://openalex.org/W2165882326
- https://openalex.org/W2168617775
- https://openalex.org/W2171188988
- https://openalex.org/W2171284258
- https://openalex.org/W2171626892
- https://openalex.org/W2298956290
- https://openalex.org/W2444500095
- https://openalex.org/W2509245130
- https://openalex.org/W2514878164
- https://openalex.org/W2536746086
- https://openalex.org/W2555544367
- https://openalex.org/W2584762646
- https://openalex.org/W2588204686
- https://openalex.org/W2605481726
- https://openalex.org/W2753918340
- https://openalex.org/W2767964101
- https://openalex.org/W2789917067
- https://openalex.org/W2793663545
- https://openalex.org/W2794820198
- https://openalex.org/W2805137430
- https://openalex.org/W2807913088
- https://openalex.org/W2907337795
- https://openalex.org/W2943462671
- https://openalex.org/W2950985821
- https://openalex.org/W2955855812
- https://openalex.org/W2973125932
- https://openalex.org/W2979306779
- https://openalex.org/W2980279777
- https://openalex.org/W2995529104
- https://openalex.org/W2999963765
- https://openalex.org/W3005847427
- https://openalex.org/W4229924407