Innovative tools to predict and improve seed physiological quality: case studies in tomato and soybean - Petronilio, Ana Carolina Picinini [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
The seed quality is made up of physical, sanitary, genetic, and physiological attributes. Seed physiological quality refers to factors that allow rapid and uniform germination and emergence under broad climatic conditions, which ensures vigorous initial plant establishment and produces an increased yield. This research sought to elucidate how the physiological quality of seeds can be predicted and improved. To this end, this research used soybean and tomato species as models. 1 – the physiological quality of soybean seeds produced under water and heat stress during the maturation phase was determined, and seed multispectral images were acquired. Machine learning models associated with multispectral imaging technology were developed to verify the possibility of separating seed groups autonomously. The quality of stressed seeds was lower compared to non-stressed ones. The multispectral images produced markers that made it possible the segmentation between seed groups. The ML models showed high performance in recognizing stressed seeds. This work opens up the possibility of using this technology as a results manager, as it provides information about the environment of seed production and its consequences on the physiological quality of the seeds. 2 – we performed soybean genetic transformations for further study of the molecular factors involved in seed chlorophyll degrading/retention. For this, the GmABI5 gene was overexpressed and silenced (RNAi) using the glycinin promoter in a hygromycin-resistant expression cassette. Somatic embryos were induced from the cotyledons of immature seeds and when they reached the globular stage they were transformed via bioballistics. Transformed embryos were selected for resistance to hygromycin. The presence of the expression cassette in the resistant embryos was confirmed via PCR and they were regenerated into seedlings. This work will allow the functional study of the ABI5 gene and also the investigation into the possibility of reproducing a genotype tolerant to chlorophyll retention in soybean seeds. 3 – we performed gene expression studies in tomato seeds during osmo-priming to investigate mechanisms involved in the reduction of longevity. For this, we collected a total of seven samples: four samples during the 60 hours of priming, one control group (without priming), one sample after post-priming drying, and one after post-priming thermal shock and drying. We investigated transcripts associated with stress response. The seed vigor and longevity after treatment were also determined. Primed seeds had their longevity impaired compared to unprimed ones. Genes from the heat-shock protein family were down-regulated during the priming process. This research brings new insights into the mechanisms involved in the reduction of longevity of primed seeds and allows the use of these transcripts to monitor longevity in primed tomato seeds.

A qualidade de sementes é composta por atributos físicos, sanitários, genéticos e fisiológicos. A qualidade fisiológica de sementes refere-se a fatores que permitem que a germinação e a emergência ocorram de forma rápida e uniforme sob amplas condições climáticas, o que garante um estabelecimento inicial vigoroso das plantas e resulta em aumento de produtividade. Esta pesquisa buscou investigar como a qualidade fisiológica das sementes pode ser estimada e aprimorada. Para tanto, esta pesquisa teve como modelo as espécies de soja e tomate. 1 – foi determinada a qualidade fisiológica de sementes de soja produzidas sob estresse hídrico e térmico durante a fase de maturação e adquiridas imagens multiespectrais das sementes. Modelos de aprendizado de máquina associados à tecnologia de imagem multiespectral foram desenvolvidos para verificar a possibilidade de separar os grupos de sementes de forma autônoma. A qualidade das sementes estressadas foi inferior em comparação às não estressadas. As imagens multiespectrais produziram marcadores que possibilitaram a segmentação dos grupos de sementes. Os modelos de aprendizado de máquina apresentaram alto desempenho no reconhecimento de sementes estressadas. Este trabalho possibilita a utilização desta tecnologia como gestora de resultados, pois fornece informações sobre o ambiente de produção de sementes e suas consequências na qualidade fisiológica das sementes. 2 – Foram realizadas transformações genéticas em soja para futuramente investigar os fatores moleculares envolvidos na degradação/retenção da clorofila nas sementes. Para isso, o gene GmABI5 foi superexpresso e silenciado (RNAi) utilizando o promotor glicinina em um cassete de expressão resistente à higromicina. Embriões somáticos foram induzidos a partir de cotilédones de sementes imaturas e quando os mesmos atingiram o estágio globular foram transformados via biobalística. Os embriões transformados foram selecionados quanto à resistência à higromicina. A presença do cassete de expressão nos embriões resistentes foi confirmada via PCR e eles foram regenerados em plântulas. Este trabalho permitirá o estudo funcional do gene ABI5 e a investigação da possibilidade de reproduzir um genótipo tolerante à retenção de clorofila em sementes de soja. 3 – foram realizados estudos de expressão gênica em sementes de tomate durante o condicionamento osmótico (osmo-priming) para investigar mecanismos envolvidos na redução da longevidade. Para isso, foram coletados um total de sete amostras: quatro amostras durante as 60 horas de priming, uma amostra do grupo controle (sem priming), uma amostra após secagem pós-priming e uma após choque térmico pós-priming e secagem. Foi investigada a expressão gênica de moléculas associadas à resposta ao estresse. O vigor e a longevidade das sementes após o tratamento também foram determinados. As sementes condicionadas tiveram sua longevidade reduzida em comparação às não condicionadas. Os genes da família das proteínas de choque térmico foram regulados negativamente durante o processo de priming. Esta pesquisa traz novas percepções sobre os mecanismos envolvidos na redução da longevidade de sementes condicionadas e permite o uso destes genes para monitorar a longevidade em sementes de tomate submetidas ao priming.
Tecnologia inovadoras para aprimorar e estimar a qualidade fisiológica de sementes: estudo de caso em tomate e soja
Keywords: Seed quality; Multispectral imaging; Environmental stress; Chlorophyll fluorescence; Primed seeds; Qualidade de sementes; Imagem multiespectral; Estresse ambiental; Fluorescência da clorofila; Sementes condicionadas