Biotechnology and Plant Breeding
of Cultivated Species

This department is made up of researchers who use a multidisciplinary approach to identify and generate knowledge about genes or gene regions that control agronomically important traits in cultivated species.

 

Thanks to this research we can produce a new biological material that can be used in plant breeding to generate varieties with superior agronomic characteristics, including better nutritional/nutraceutical quality, or better adaptation to the environment, which allow us to increase the efficiency of the plants and the volume of the harvests.

Research groups

In plants, small RNA (sRNA)-directed gene silencing pathways control key biological processes such as development, chromatin remodeling, stress responses and antiviral defense. ARGONAUTES (AGOs) are the effector proteins. They interact with other proteins, load sRNAs, and target and silence specific RNAs through sequence-specific interactions conferred by their guide sRNA.

Our group seeks to develop both new basic knowledge and biotechnological tools for crop improvement while addressing major gaps in the plant small RNA/AGO silencing field.

Our group main research interests are:

1. To better understand how silencing information is processed and expressed at the AGO complex level on a genome-wide scale, particularly in response to stress. AGO function is ultimately determined by its selective association with sRNA, target RNA and protein interactors, and this association changes in response to stresses. Extensive analyses by several laboratories have revealed the highly abundant, complex landscape of multiple sRNAs across plant genomes, and how these sRNAs associate with particular AGOs to exert their function. But, once AGO-sRNA complexes form, which are active to target mRNA and non-coding RNA? Are AGO sRNA-loading and/or mRNA targeting processes regulated by other protein bound to AGOs? The identification of the complete repertoire of AGO target RNAs and protein interactors is key to understand RNA-based silencing on a genome-wide scale. Also, to what extent are active complexes dynamic during physiologic responses to stress or environmental change?

2. To develop next-generation artificial sRNA-based RNAi (art-sRNAi) tools to control gene expression and induce antiviral resistance in plants. AGOs can be programmed with highly-specific, computationally-designed artificial sRNAs (art-sRNAs) to silence the desired gene(s) in gene function studies or for crop improvement. We have recently developed a new platform for high-throughput design and generation of art-sRNA constructs. We are using these tools to develop strategies for next-generation art-sRNAi. These strategies include fine-tuning the degree of art-sRNAi, inducing systemic silencing at the whole-plant level, controlling art-sRNAi in a spatio-temporal manner, increasing art-sRNA efficacy by targeting structurally accessible (TAM-including) sites, and developing GMO-free art-sRNAi approaches such as the exogenous application of art-sRNA precursors or their expression using viral vectors, as well as the possibility of using CRISPR to edit endogenous sRNA precursor genes to express art-sRNAs.


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El grupo de Bioinformática y Genómica Evolutiva es un equipo científico interdisciplinario localizado físicamente en el IBMCP. Aunque nuestros intereses se encuentran ampliamente distribuidos en los campos científicos de bioinformática, genómica, evolución, mejora y sistemática, estamos enfocados en dos actividades principales:

1- Desarrollo de herramientas bioinformáticas para procesar, administrar y analizar información genómica. Un buen ejemplo de este tipo de herramientas son: GenoToolBox , una colección de herramientas con distintas funciones como filtrado de archivos FASTA o partición de archivos VCF por secciones; Organelle_PBA, una herramienta para ensamblado de genomas de cloroplastos y mitocondrias usando lecturas largas; o DeepTE, una herramienta para clasificar transposones usando Convolutional Neural Network (CNN).

2- Estudio de la evolución de los genomas durante los procesos de adaptación, domesticación y especiación. En este sentido tenemos varias líneas de investigación tales como la caracterización de cambios genómicos durante los procesos de diversificación en Solanáceas, elucidación de los mecanismos genéticos detrás de la producción de alelos nuevos durante la domesticación de la especie Sinningia speciosa y búsqueda de patrones de selección asociados a la adaptación a climas templados y fríos en poblaciones de Asimina triloba.


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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.

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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

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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 MBMC Plant Biology 17: 82.


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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 benjaminaF. lyrataF. elasticaCodiaeum variegatumKalanchoe blossfeldianaBegonia sp.Phylodendron sp.Spatiphyllum sp.Syngonium sp.Columnea sp.Schlumbergera sp.Hatiora sp.Pelargonium x hortorumPelargonium 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,…


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