Data mining comparativo dell’espressione dei geni della DDR lungo le fasi dello sviluppo in diverse specie di piante

DNA damage response (DDR) is a highly conserved and coordinated network of DNA damage sensors, transducers, mediators, and effectors, evolved with the purpose to maintain genome integrity. DDR pathway is triggered by a wide variety of endogenous and exogenous factors such as errors introduced during DNA replication, DNA strand breaks, reactive oxygen species (ROS), ultraviolet light and chemical agents. In plants, activation of DDR acts as an integrative signaling hub that coordinates genome integrity surveillance with abiotic and biotic stress response pathways, primarily through ATM/ATR-mediated phosphorylation cascades that modulate transcriptional reprogramming, cell cycle arrest, and programmed cell death under genotoxic conditions. However, in the absence of stress, DDR is still functioning as a relevant quality-control regulator for plant development; for instance, it ensures that rapid cell division occurring in meristems do not propagate spontaneous errors that naturally occur during DNA replication. Although DDR has been extensively investigated in the context of stress signaling, comparatively few studies have addressed its roles in regulating plant growth and developmental processes under non-stress conditions. The aim of this work of thesis was to investigate how DDR activity is modulated during different developmental stages. To do this, a comparative approach based on transcriptomic analysis of genes that play relevant roles in DDR (including sensors, transducers, and effectors) has been carried out in multiple plant species. A data mining approach was performed to collect information regarding DDR-related gene expression using platforms where RNA-seq and microarray data are deposited. The Bio-Analytic Recourses for Plant Biology (BAR, https://bar.utoronto.ca/), a designated Global Core Biodata Resource (GCBR), provides open access to high-quality, comprehensive transcriptomics data. The data mining analysis revealed enhanced expression of DDR genes during the first phases of plant life while a gradual decrease in expression level across species was observed to later stages, although not all tissues/organs follow the same trend. In parallel, to validate the data collected from the transcriptomics platform, a qRT-PCR approach was also conducted using Oryza sativa plants grown under controlled conditions in the greenhouse. Samples were collected at multiple developmental stages, including mature seed, germination, tillering, panicle initiation, milky grain, dough stage, mature stage. The obtained data confirmed the trend from transcriptomics observation, where DDR related genes are more expressed in younger tissues. The findings of this thesis indicate a relation between developmental maturity and the expression of DDR related genes in plants. This may suggest that plants prioritize genomic integrity during periods of rapid cell division and early establishment, likely as a strategy to prevent the accumulation of mutations that could impact fitness and reproductive success.

La risposta al danno al DNA (DDR) è una rete altamente conservata e coordinata di sensori, trasduttori, mediatori ed effettori del danno al DNA, evolutasi con lo scopo di mantenere l'integrità del genoma. Il pathway DDR viene attivato da un'ampia varietà di fattori endogeni ed esogeni, come errori introdotti durante la replicazione del DNA, rotture del filamento di DNA, specie reattive dell'ossigeno (ROS), luce ultravioletta e agenti chimici. Nelle piante, l'attivazione della DDR agisce come un centro di segnalazione integrativo che coordina la sorveglianza dell'integrità del genoma con i pathway di risposta allo stress abiotico e biotico, principalmente attraverso cascate di fosforilazione mediate da ATM/ATR che modulano la riprogrammazione trascrizionale, l'arresto del ciclo cellulare e la morte cellulare programmata in condizioni genotossiche. Tuttavia, in assenza di stress, la DDR continua a funzionare come un importante regolatore del controllo di qualità per lo sviluppo delle piante; ad esempio, garantisce che la rapida divisione cellulare che si verifica nei meristemi non propaghi gli errori spontanei che si verificano naturalmente durante la replicazione del DNA. Sebbene la DDR sia stata ampiamente studiata nel contesto della segnalazione dello stress, relativamente pochi studi ne hanno affrontato il ruolo nella regolazione della crescita e dei processi di sviluppo delle piante in condizioni non stressanti. L'obiettivo di questa tesi era di indagare come l'attività della DDR venga modulata durante le diverse fasi di sviluppo. A tal fine, è stato condotto un approccio comparativo basato sull'analisi trascrittomica dei geni che svolgono ruoli rilevanti nella DDR (inclusi sensori, trasduttori ed effettori) in diverse specie vegetali. È stato utilizzato un approccio di data mining per raccogliere informazioni sull'espressione genica correlata alla DDR utilizzando piattaforme in cui sono depositati dati RNA-seq e microarray. Il Bio-Analytic Resources for Plant Biology (BAR, https://bar.utoronto.ca/), designato come Global Core Biodata Resource (GCBR), fornisce accesso aperto a dati trascrittomici completi e di alta qualità. L'analisi di data mining ha rivelato un'espressione potenziata dei geni DDR durante le prime fasi di vita della pianta, mentre è stata osservata una graduale diminuzione del livello di espressione nelle diverse specie nelle fasi successive, sebbene non tutti i tessuti/organi seguano lo stesso andamento. Parallelamente, per convalidare i dati raccolti dalla piattaforma di trascrittomica, è stato condotto anche un approccio qRT-PCR utilizzando piante di Oryza sativa coltivate in condizioni controllate in serra. I campioni sono stati raccolti in diverse fasi di sviluppo, tra cui seme maturo, germinazione, accestimento, inizio della pannocchia, chicco lattiginoso, stadio pastoso e stadio di maturazione. I dati ottenuti hanno confermato l'andamento osservato con la trascrittomica, in cui i geni correlati al DDR sono maggiormente espressi nei tessuti più giovani. I risultati di questa tesi indicano una relazione tra la maturità dello sviluppo e l'espressione dei geni correlati al DDR nelle piante. Ciò potrebbe suggerire che le piante diano priorità all'integrità genomica durante i periodi di rapida divisione cellulare e di primo insediamento, probabilmente come strategia per prevenire l'accumulo di mutazioni che potrebbero compromettere la vitalità e il successo riproduttivo.