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Chilling requirement (CR) for bud dormancy completion determines the time of bud break in apple (Malus × domestica Borkh.). The molecular control of bud dormancy is highly heritable, suggesting a strong genetic control of the trait. An available Infinium II SNP platform for genotyping containing 8,788 single nucleotide polymorphic markers was employed, and linkage maps were constructed in a F1 cross from the low CR M13/91 and the moderate CR cv. Fred Hough. These maps were used to identify quantitative trait loci (QTL) for bud break date as a trait related to dormancy release. A major QTL for bud break was detected at the beginning of linkage group 9 (LG9). This QTL remained stable during seven seasons in two different growing sites. To increase mapping efficiency in detecting contributing genes underlying this QTL, 182 additional SNP markers located at the locus for bud break were used. Combining linkage mapping and structural characterization of the region, the high proportion of the phenotypic variance in the trait explained by the QTL is related to the coincident positioning of Arabidopsis orthologs for ICE1, FLC, and PRE1 protein-coding genes. The proximity of these genes from the most explanatory markers of this QTL for bud break suggests potential genetic additive effects, reinforcing the hypothesis of inter-dependent mechanisms controlling dormancy induction and release in apple trees.

A macieira (Malus x domestica Borkh.) é uma frutífera de clima temperado de grande importância econômica, e sua produtividade está diretamente relacionada à dormência. Além dos genes responsáveis pelo controle molecular, uma série de proteínas e metabólitos também é recrutada para proteger a integridade da gema dormente, destacando-se as desidrinas (DHN) e as enzimas galactinol sintases (GolS). As DHNs são proteínas que atuam na resposta adaptativa vegetal a estresses abióticos, enquanto que GolS são enzimas responsáveis pela síntese de galactinol, essencial à síntese de oligossacarídeos da família da rafinose (RFOs), os quais se acumulam em resposta a estresses abióticos. O objetivo do presente trabalho foi explorar a adaptação das gemas a condições de estresse a que são submetidas na dormência, visando identificar genes com potencial uso biotecnológico. Para tal, foram identificados e caracterizados os genes codificadores de DHNs e GolS no genoma da macieira por meio da utilização de ferramentas in silico para estudar a evolução, experimentos a campo e sob condições controladas, análises de expressão, localização subcelular, e geração de plantas transgênicas. As análises evolutivas sugerem que eventos de duplicação do genoma inteiro (WGD) foram responsáveis por moldar a evolução e diversificação dos genes GolS em macieira, enquanto que no caso das DHN eventos de duplicação em tandem e WGD nortearam a sua evolução. Nossos resultados sugerem que DHNs, galactinol e rafinose integram uma série de mecanismos que agem em conjunto durante a dormência a fim de proteger a integridade da gema, além dos carboidratos constituírem uma fonte de energia para a brotação. Ao longo da evolução, o aparecimento de novas estruturas e programas de desenvolvimento, tais como a gema e a dormência, necessitaram de adaptação de vias moleculares já estabelecidas, o que ajuda a explicar por que as dormências de gemas e de sementes compartilham rotas moleculares comuns. Finalmente, o gene MdDHN11 foi funcionalmente caracterizado e nossos resultados fornecem evidências de que MdDHN11 desempenha importantes papéis durante o desenvolvimento da semente de maçã, protegendo o embrião e o endosperma de alterações no status da água. Além disso, apenas a planta superexpressando MdDHN11 sobreviveu ao ensaio de simulação de seca, confirmando o potencial uso biotecnológico de DHNs de macieira no aumento da tolerância ao déficit hídrico. Apple tree (Malus x domestica Borkh.) is a temperate fruit crop of great economic importance worldwide and its productivity is related to bud dormancy. Besides genes responsible for the molecular control of the process, a number of proteins and metabolites are also recruited to protect bud integrity, such as dehydrins (DHN) and galactinol synthases (GolS). DHNs are proteins that act on plant adaptive responses to abiotic stresses, while GolS are enzymes that catalyze for the synthesis of galactinol, an essential carbohydrate in the synthesis of raffinose family oligosaccharides (RFOs), which also accumulate in response to abiotic stresses. The objective of this work was to explore bud adaptation to stress conditions that occur during dormancy to identify genes with potential biotechnological applications. DHN and GolS genes were identified and characterized in the apple genome employing in silico tools, experiments under field and controlled conditions, expression analysis, subcellular localization assays, and the generation of transgenic plants. Evolutionary analyses suggest that whole genome duplication (WGD) events were responsible for shaping the evolution and diversification of GolS genes in apple, whereas WGD and tandem duplication events could be held accountable for DHN evolution. Our results suggest that DHNs, galactinol and raffinose integrate a series of mechanisms that act together during dormancy in order to protect bud integrity, besides the carbohydrates being an energy source for budbreak. During evolution, the appearance of new structures and developmental programs, such as buds and dormancy, required the adaptation of already established molecular pathways, partially explaining why bud and seed dormancy share common pathways. Finally, the MdDHN11 gene has been functionally characterized and our results provide evidences that MdDHN11 plays important roles during apple seed development by protecting the embryo and the endosperm from water deficit. Moreover, only the plant overexpressing MdDHN11 survived the water withholding assay, confirming the potential biotechnological use of apple DHNs in increasing tolerance to drought.

A macieira (Malus x domestica Borkh.) é uma frutífera de clima temperado que possui grande importância econômica mundialmente, sendo sua produtividade intimamente relacionada à saída do processo de dormência hibernal. Este processo pode ser definido como a incapacidade da planta iniciar o crescimento meristemático mesmo sob condições favoráveis e os mecanismos de controle molecular da dormência em macieiras ainda são pouco compreendidos. O objetivo do presente trabalho foi investigar o perfil gênico diferencial entre cultivares de macieiras contrastantes para requerimento de frio. As cultivares selecionadas foram Gala e sua mutante espontânea Castel Gala, as quais apresentam alto e baixo requerimento de frio, respectivamente. A técnica de hibridização supressiva subtrativa (SSH) permitiu a identificação de 28 genes candidatos à regulação da dormência. Análises de RT-qPCR foram realizadas visando a validação da expressão diferencial dos genes selecionados, assim como caracterizá-los transcricionalmente em três cultivares distintas durante um ciclo de crescimento e de dormência. Dos 28 genes candidatos, 17 apresentaram o mesmo perfil diferencial identificado por SSH. Um acúmulo sazonal de transcritos durante o inverno foi identificado para alguns genes e as cultivares de maior requerimento de frio apresentaram acúmulo de transcritos por mais tempo. Este perfil permitiu-nos sugerir que estes genes podem estar atuando na regulação dos processos de dormência e de aclimatação ao frio. Dos 17 genes validados, aqueles codificadores de proteínas DAM, desidrinas, GAST1, LTI65, NAC, histonas variantes H2A.Z e RAP2.12 apresentaram os maiores contrastes transcricionais entre as cultivares analisadas durante o inverno e constituem-se como fortes candidatos a participantes do processo de progressão da dormência em macieiras. Finalmente, a família de genes codificadores de desidrinas de macieira teve seus membros identificados e caracterizados transcricionalmente. Análises in silico permitiram a identificação de oito modelos gênicos preditos de desidrinas no genoma de macieira. As cadeias peptídicas deduzidas foram classificadas conforme a presença dos segmentos conservados YnSKn. Um perfil sazonal de regulação da expressão foi identificado, com a presença de um pico de acúmulo de transcritos durante o inverno, o que sugere a presença de um mecanismo similar de regulação entre genes de desidrinas de macieira. Apple tree (Malus x domestica Borkh.) is a temperate fruit crop of great economic importance worldwide and its productivity is related with the release from a bud dormancy process. This process is defined as the plant inability to initiate growth from meristems under favorable conditions and molecular information about dormancy control in apple trees is limited. The aim of the present work was to investigate the differential gene expression profiles between apple tree cultivars contrasting in chilling requirement for breaking dormancy. The selected apple cultivars were Gala and its derived bud sport Castel Gala, which displays high and low chilling requirement, respectively. A suppression subtractive hybridization (SSH) assay yielded 28 candidate genes putatively associated to dormancy cycling. RT-qPCR analyses were performed in order to validate the differential expression profiles and also to transcriptionally characterize the selected genes in three distinct apple tree cultivars during a growth to dormancy cycle. Among the 28 candidate genes, 17 confirmed the differential expression profile predicted by SSH. A seasonal transcript accumulation during the winter was identified to some genes, with high chilling requirement cultivars presenting higher levels of transcripts. This profile allowed us to suggest that these genes may be acting on dormancy regulation and cold acclimation. Out of the 17 candidate genes, those coding for DAM, dehydrins, GAST1, LTI65, NAC, histone variants H2A.Z and RAP2.12 displayed major differences in gene expression between cultivars through the winter and are strong candidates to play key roles on dormancy progression in apple trees. Finally, we identified and transcriptionally characterized the dehydrin gene family in apple trees. In silico analyses allowed us to identify eight predicted gene models for dehydrins in the apple genome. Deduced polypeptides were classified according to the presence of the conserved YnSKn segments. A seasonal regulation of gene expression was observed, with higher transcript accumulation during the winter. This data suggests that a similar mechanism of transcript regulation is acting through the apple dehydrin genes.