Biotechnology and Plant Breeding
of Cultivated Species

The research group Defensive Responses and Trophic Interactions in Crops operates in one of the most critical areas for contemporary agriculture. In a global context marked by climate change, increasing international trade, and the urgent need to reduce the use of chemical pesticides, farmers face unprecedented challenges in maintaining crop productivity and ensuring global food security. Climate change is intensifying the pressure from pests and diseases, while restrictions on the use of conventional pesticides require more sustainable and eco-friendly solutions. In this framework, our group is dedicated to developing innovative strategies that enhance crop resilience and reduce the impact of pests, thus contributing to more sustainable and environmentally-friendly agriculture.

Our group has established strong national and international collaborations, working with various research institutions to share knowledge and advance the development of applied solutions for crop protection. Currently, our work focuses on four key areas:

1. Inducing plant defenses against pests and diseases through the use of volatiles and biological agents. We are working on methods to enhance plant resistance to both biotic and abiotic stresses by activating their natural defenses.
2. Exploring new tools to reduce plant stress, integrating strategies that address both biotic and abiotic factors. We investigate the use of zoophytophagous predators, essential oils, and volatile compounds to increase plant resilience to various types of stress.
3. Discovering and developing biopesticides, utilizing natural compounds such as essential oils and applying nanotechnology to improve their efficacy. These advances offer innovative solutions for pest control in various crops, contributing to safer and more sustainable agriculture.
4. Using RNAi technology for pest control, advancing gene silencing techniques to reduce the impact of key insect pests. We are working on the implementation of this technology to facilitate its practical application in the field.

Our interdisciplinary approach, supported by national and international collaborations, aims to promote more sustainable agriculture capable of facing the challenges posed by climate change and contributing to efficient and environmentally-friendly food production.

In most eukaryotes, gene expression can be suppressed through the sequence-specific degradation of target RNA by complementary small RNAs (sRNAs), a process termed RNA interference (RNAi). Recent RNAi tools are based on sRNAs that are designed to silence specific plant genes and pathogens. Such sRNAs are named artificial sRNAs (art-sRNAs) which are typically 21-nt long and computationally designed to silence target RNA with high efficacy and specificity.

Our lab seeks to develop next-generation art-sRNAi tools for controlling gene expression and inducing antiviral resistance in plants.

We have the following specific goals:

(i)    Optimizing art-sRNAi efficacy, fine-tunability and systemicity for absolute control of plant gene expression.

(ii)   Developing efficient GMO-free art-sRNAi through the cost-efficient production and topical delivery of art-sRNA precursors to plants, and to use viral vectors or by editing endogenous sRNA precursors to express art-sRNAs.

(iii)  Applying these optimized methodologies to improve real crops.

Nuestra investigación orbita alrededor de dos temáticas fundamentales. Una de ellas hace referencia al entendimiento de los mecanismos moleculares y la identificación de genes que median en el establecimiento de respuestas adaptativas de las plantas a los cambios del entorno en el que crecen. Constituye un eje fundamental dentro de esta temática el entender los mecanismos de resistencia y susceptibilidad de las plantas a las agresiones patogénicas. Para tal fin utilizamos el sistema modelo de Arabidopsis como sistema experimental, con el consiguiente traslado y aplicación del conocimiento científico obtenido a otras especies vegetales de mayor relevancia agronómica y también industrial. Para apoyar estos estudios hemos creado una plataforma de genética química que pretendemos instrumentalizar para identificar moléculas agonistas y antagonistas de procesos relacionados con la respuestas adaptativas de las plantas.

La otra temática a la que también estamos dirigiendo recursos y esfuerzos de investigación está relacionada con la realización de aproximaciones genómicas y genéticas de alto calado en cultivos energéticos de referencia. Con ello pretendemos maximizar la producción de moléculas de alto valor añadido para el sector de las energías renovables, en particular en el de la Bioenergía, con el fin de contribuir a la producción de biocombustibles de segunda y tercera generación a partir de materia prima vegetal. En particular estamos desarrollando una aproximación de mejora genética acelerada del cultivo de Euphrobia lathyris L. así como una aproximación genético molecular para el mejor entendiendo las bases moleculares y celulares de la diferenciación de células laticíferas que actúan como despensa energética de esta especie y son las portadora de los “energy carriers” de esta especie.

LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN

• Mecanismos de Adaptación de las Plantas a Cambios Medioambientales.
• Biotecnología de Cultivos Energéticos.

Our research group is interested in the design of innovative agricultural goods using genomics, biotechnology and synthetic biology tools

Our main experimental system is the tomato fruit, and our aim is to increase its added value with new shapes, colors, aromas and healthy properties. For this, we browse the natural variability of tomato-related wild species in order to identify loci conferring fruit quality traits. Once those loci are identified, we use marker-assisted breeding to transfer them to modern tomato cultivars. Moving beyond the limits imposed by sexual hybridization and natural variability, we also make use of biotechnology tools as multigene engineering and genetic transformation to bring new quality traits into the tomato genome.

In a second line of research, we employ Synthetic Biology tools and principles for engineering plant biofactories of added-value products. In our lab, we have learnt how to build increasingly complex genetic instructions at the DNA level. By introducing these instructions into the genome of solanaceae species as tomato, tobacco and especially Nicotiana benthamiana (a tobacco relative), our goal is to re-direct the genetic program of the plant towards the synthesis of added-value products. Assisted by Agrobacterium tumefaciens and sometimes by viral vectors, we learn how to produce high levels of fine chemicals as antibodies, lectins, or snake anti-venoms in a short period of time.

For more information, visit our group webpage at http://pgb.ibmcp.csic.es

RESEARCH INTERESTS

• Molecular Breeding
• Genetic Engineering and Synthetic Biology
• Fruit Metabolomics
• Molecular farming

Origen y Antecedentes

El grupo de Genómica en Mejora Vegetal se fundó en 2008 con la incorporación de Antonio J. Monforte al IBMCP como Científico Titular CSIC, quien realizó previamente sus Tesis Doctoral en el IVIA, posteriormente una estancia postdoctoral en la Universidad de Cornell y fue investigador durante más de 8 años en el IRTA (ahora fusionado con el CRAG). Se inicia entonces una línea de trabajo sobre la aplicación de herramientas genómicas en mejora genética que no existía previamente en el IBMCP. Las primeras personas en trabajar en el grupo fueron los doctorandos Gerardo Sánchez y Walter Barrantes, la investigadora postdoctoral Aurora Díaz y la técnico de laboratorio Soledad Casal que asientan la línea de investigación. En 2014 se incorpora Carlos Romero como Científico Titular CSIC. Carlos había realizado su Tesis Doctoral en el IBMCP, integrándose posteriormente en el Dpto. de investigación de la empresa de semillas Rijk Zwaan S. A. y más tarde en el IVIA donde fue investigador durante más de 12 años. El grupo se encuentra actualmente consolidado con las incorporaciones de las investigadoras posdoctorales Clara Pons y Maria José Gonzalo.

Intereses científicos

Nuestro rincipal objetivo es la aplicación de la genómica para la identificación implicados en caracteres de interés agronómico, fundamentalmente hortícolas. Nuestro cuerpo teórico se entronca en la genética de poblaciones, genética cuantitativa, evolución y teoría de la mejora que integramos con la agronomía, biología molecular y genómica. Generamos conocimiento y herramientas útiles para el desarrollo de nuevos cultivares que respondan a las necesidades actuales del sector, así como básico para comprender mejor las bases genéticas y moleculares, de la variación fenotípica. Tenemos un especial interés es descubrir variabilidad genética “oculta” en especies silvestres para mejorar productividad, resistencia a enfermedades y estreses abióticos, calidad de fruto.

Las herramientas básicas que utilizamos son los marcadores moleculares, empezamos con RFLPs, seguimos con SSRs, SNPs y actualmente genotipado de alto rendimiento y secuenciación masiva. Nuestras estrategias incluyen el desarrollo de mapas genéticos, análisis de QTLs y desarrollo de líneas de introgresión o QTL-NILs.

Los intereses concretos en los que estamos trabajando son:

– Bases genéticas de la morfología del fruto en melón

– Control genético de la domesticación en melón

– Barreras reproductivas interespecíficas en el género Cucumis

– Sistema de autoincompatibilidad gametofítica en Prunus

– Caracterización y valorización de las variedades de tomate tradicionales europeas (TRADITOM)

– Tolerancia a altas temperaturas en tomate (TOMGEN y HARNESTOM)

Bibliografía destacada

DIAZ, A., FERGANY, M., FORMISANO, G., ZIARSOLO, P., BLANCA, J., FEI, Z.J., STAUB, J.E., ZALAPA, J.E., CUEVAS, H.E., DACE, G., OLIVER, M., BOISSOT, N., DOGIMONT, C., PITRAT, M., HOFSTEDE, R., VAN KOERT, P., HAREL-BEJA, R., TZURI, G., PORTNOY, V., COHEN, S., SCHAFFER, A., KATZIR, N., XU, Y., ZHANG, H.Y., FUKINO, N., MATSUMOTO, S., GARCIA-MAS, J., & MONFORTE, A.J. (2011). A consensus linkage map for molecular markers and Quantitative Trait Loci associated with economically important traits in melon (Cucumis melo L.). BMC Plant Biology 11.

MONFORTE, A.J., DIAZ, A., CANO-DELGADO, A., & VAN DER KNAAP, E. (2014) The genetic basis of fruit morphology in horticultural crops: lessons from tomato and melon. Journal of Experimental Botany 65:4625-4637.

TIEMAN, D., ZHU, G.T., RESENDE, M.F.R., LIN, T., TAYLOR, M., ZHANG, B., IKEDA, H., LIU, Z.Y., FISHER, J., ZEMACH, I., MONFORTE, A., ZAMIR, D., GRANELL, A., KIRST, M., HUANG, S., KLEE, H., NGUYEN, C., BIES, D., RAMBLA, J.L., & BELTRAN, K.S.O. (2017) A chemical genetic roadmap to improved tomato flavor. Science 355:391-394.

ZURIAGA E, MOLINA L, BADENES ML & ROMERO C (2012) Physical mapping of a pollen modifier locus controlling self-incompatibility in apricot and synteny analysis within the Rosaceae. Plant Molecular Biology 79:229–242.

ZURIAGA E, MUÑOZ-SANZ JV, MOLINA L, GISBERT AD, BADENES ML & ROMERO C (2013) An S-locus independent pollen factor confers self-compatibility in “Katy” apricot. PLoS One 8:e53947.

MUÑOZ-SANZ JV, ZURIAGA E, LÓPEZ I, BADENES ML & ROMERO C (2017) Self-(in)compatibility in apricot germplasm is controlled by two major loci, S and M. BMC Plant Biology 17: 82.

El principal objetivo es desarrollar y aplicar distintas alternativas biotecnológicas para la mejora genética de especies hortícolas (melón, sandía, pepino y tomate) y plantas ornamentales. Las técnicas que manejamos para ello son:

• Transformación genética de hortícolas para conseguir aumentar la tolerancia a la salinidad y estrés hídrico, la resistencia a enfermedades, la modificación genética de caracteres del desarrollo y la mejora de la calidad
• Transformación genética de especies ornamentales para conseguir el retraso de la senescencia y la modificación genética de caracteres del desarrollo
• Genómica funcional mediante mutagénesis insercional, trapping, PTGS,…
• Fusión de protoplastos para la obtención de nuevos aloploides y de híbridos asimétricos
• Obtención de haploides y dobles-haploides de especies hortícolas
• Selección somaclonal de plantas ornamentales
• Micropropagación de especies carnívoras y ornamentales

Especies hortícolas: Tomate (Solanum lycopersicum), Melón (Cucumis melo L.), Sandía (Citrullus lanatus Thunb [Matsum & Nakai], Pepino (Cucumis sativus L.).

Especies silvestres relacionadas de los géneros: Solanum sp., Cucumis sp. y Citrullus sp.

Plantas ornamentales: Ficus benjamina, F. lyrata, F. elastica, Codiaeum variegatum, Kalanchoe blossfeldiana, Begonia sp., Phylodendron sp., Spatiphyllum sp., Syngonium sp., Columnea sp., Schlumbergera sp., Hatiora sp., Pelargonium x hortorum, Pelargonium peltatum y Pelargonium domesticum

Plantas carnívoras: Dionaea muscipula, Drosera aliciae, D. binata, D. capensis tipica, D. capensis alba, D. nidiformis, D. spatulata, D. regia, D. nidiformis, Drosophyllum lusitanicum, Byblis liniflora, Sarracenia x moorei, Darlingtonia californica,…