Genome editing for crop improvement: challenges and opportunities

Abstract

[EN] This doctoral thesis, entitled "Genome Editing for Crop Improvement", explores the potential of genome editing technology to improve crops, particularly those of high economic interest. Four scientific articles were published addressing different aspects of this topic. The first article reviewed genome editing tools, focusing on the advantages of CRISPR/Cas9. The second article emphasized the role of long ncRNAs in gene regulation in plants. After gathering all the information, the RNAi technique was used to analyze the GIP and NPP1 genes in Phytophthora cinnamomi, thus avoiding the risks of genome editing (the destruction associated with CRISPR). Ink disease is one of the most significant causes contributing to the decline of chestnut orchards. The reduction in Castanea sativa Mill yield can be attributed to two main species: Phytophthora cinnamomi and Phytophthora cambivora, the first being the main pathogen responsible for ink disease in Portugal. P. cinnamomi is a highly aggressive and widely distributed plant pathogen, capable of infecting nearly 1,000 host species. This oomycete causes substantial economic losses and is responsible for the decline of numerous plant species in Europe and worldwide. The remaining two articles addressed combating P. cinnamomi using RNAi to silence the NPP1 and GIP genes. Silencing these genes will either make it impossible or reduce the production of the proteins NPP1 and GIP, which are responsible for the onset of ink disease. To silence part of the coding region of the NPP1 and GIP genes, the integrative vector pTH210 was used. The integration of the cassette was confirmed by PCR and sequencing in hygromycin-resistant P. cinnamomi transformants. The transformants obtained with gene silencing were later used to infect Castanea sativa, allowing the effects of gene silencing on the plant's phenotype to be evaluated. The publications collectively demonstrate the potential of gene editing for crop improvement, emphasizing RNAi and CRISPR/Cas9, but also highlighting the importance of ncRNAs in gene regulation and offering strategies to combat pathogens. Combating this type of phytopathogen increases crop yields and, ultimately, benefits global food security and sustainability.

[ES] Esta tesis doctoral, titulada "Edición del genoma para la mejora de cultivos", explora el potencial de la tecnología de edición del genoma para mejorar los cultivos, en particular aquellos de alto interés económico. Se publicaron cuatro artículos científicos que abordan diferentes aspectos de este tema. El primer artículo revisó las herramientas de edición del genoma, centrándose en las ventajas de CRISPR/Cas9. El segundo artículo enfatizó el papel de los ncRNA largos en la regulación genética de las plantas. Tras recopilar toda la información, se utilizó la técnica RNAi para analizar los genes GIP y NPP1 en Phytophthora cinnamomi, evitando así los riesgos de la edición del genoma (la destrucción asociada a CRISPR). La enfermedad de la tinta se considera una de las causas más importantes que contribuyen al declive de los huertos de castaños. La reducción del rendimiento de Castanea sativa Mill se puede atribuir a dos especies principales: Phytophthora cinnamomi y Phytophthora cambivora, siendo la primera el principal patógeno responsable de la enfermedad de la tinta en Portugal. P. cinnamomi es un patógeno vegetal muy agresivo y ampliamente distribuido, capaz de infectar a casi 1.000 especies hospedadoras. Este oomiceto causa importantes pérdidas económicas y es responsable de la disminución de numerosas especies de plantas en Europa y en todo el mundo. Los dos artículos restantes abordaron la lucha contra P. cinnamomi utilizando ARNi para silenciar los genes NPP1 y GIP. Silenciar estos genes imposibilitará o reducirá la producción de las proteínas NPP1 y GIP, responsables de la aparición de la enfermedad de la tinta. Para silenciar parte de la región codificante de los genes NPP1 y GIP se utilizó el vector integrativo pTH210. La integración del casete de silenciamiento se confirmó mediante PCR y secuenciación en transformantes de P. cinnamomi resistentes a higromicina. Los transformantes obtenidos con el silenciamiento génico se utilizaron posteriormente para infectar Castanea sativa, lo que permitió evaluar los efectos del silenciamiento génico sobre el fenotipo de la planta. Las publicaciones demuestran colectivamente el potencial de la edición de genes para la mejora de cultivos, haciendo hincapié en el ARNi y CRISPR/Cas9, pero también destacando la importancia de los ncRNA en la regulación genética y ofreciendo estrategias para combatir los patógenos. Combatir este tipo de fitopatógeno aumenta el rendimiento de los cultivos y, en última instancia, beneficia la seguridad alimentaria y la sostenibilidad mundial.