SUMMARY Endoplasmic Reticulum-Plasma Membrane contact sites (ER-PM CS) play fundamental roles in all eukaryotic cells. Arabidopsis mutants lacking the ER-PM protein tether synaptotagmin1 (SYT1) exhibit decreased plasma membrane (PM) integrity under multiple abiotic stresses such as freezing, high salt, osmotic stress and mechanical damage. Here, we show that, together with SYT1 , the stress-induced SYT3 is an ER-PM tether that also functions in maintaining PM integrity. The ER-PM CS localization of SYT1 and SYT3 is dependent on PM phosphatidylinositol-4-phosphate and is regulated by abiotic stress. Lipidomic analysis revealed that cold stress increased the accumulation of diacylglycerol at the PM in a syt1/3 double mutant relative to WT while the levels of most glycerolipid species remain unchanged. Additionally, SYT1-GFP preferentially binds diacylglycerol in vivo with little affinity for polar glycerolipids. Our work uncovers a crucial SYT-dependent mechanism of stress adaptation counteracting the detrimental accumulation of diacylglycerol at the PM produced during episodes of abiotic stress.

ABSTRACT To identify potential strategies for increasing the efficiency of tomato leaf metabolism, with a focus on the links between nitrogen/carbon metabolism, we explored a diel Flux Balance Analysis (FBA) model of a source leaf in which the metabolic output was varied up to the theoretically-achievable maximum. We noticed a potentially interesting switch in the use of glutamine synthetase (GS) isoforms –from the chloroplast isoform to the mitochondrial one- for nitrogen assimilation. To further explore this prediction, we characterized transgenic tomato plants over-expressing two tomato GS genes, GS1 and GS2 , targeted to mitochondria. Both sets of transgenic plants were characterized as displaying faster growth rate, early flowering and increased fruit yield. In leaves, metabolomic profiling and enzyme activity analysis pointed that GS activity in mitochondrial plays a role in increasing the intracellular synthesis and subsequent export of sugar. Consistent with these changes, higher sucrose concentration in leaf exudates and reduced activities of enzymes involved in leaf starch synthesis were observed. Moreover, mitochondrial GS activity affected chloroplast redox status in a manner that modulated photorespiration and nitrogen metabolism. The combined data reveal the influence of mitochondrial GS activity on both foliar carbon/nitrogen balance and regulation of source-sink metabolism in tomato plants.

ABSTRACT Anthocyanins are the principal color-producing compounds synthesized in developing fruits of strawberry ( Fragaria spp.). Substantial natural variation in color have been observed in fruits of diploid and octoploid accessions, resulting from distinct accumulation and distribution of anthocyanins in fruits. Anthocyanin biosynthesis is controlled by a clade of R2R3 MYB transcription factors, among which MYB10 has been shown as the main activator in strawberry fruit. Here, we show that MYB10 mutations cause most of the anthocyanin variation observed in diploid woodland strawberry (F. vesca) and octoploid cultivated strawberry ( F . × ananassa ). Using a mapping-by-sequencing approach, we identified a gypsy -transposon insertion in MYB10 that truncates the protein and knocks out anthocyanin biosynthesis in a white-fruited F. vesca ecotype. Two additional loss-of-function MYB10 mutations were identified among geographically diverse white-fruited F. vesca ecotypes. Genetic and transcriptomic analyses in octoploid Fragaria spp. revealed that FaMYB10-2, one of three MYB10 homoeologs identified, residing in the F. iinumae-derived subgenome, regulates the biosynthesis of anthocyanins in developing fruit. Furthermore, independent mutations in MYB10-2 are the underlying cause of natural variation in fruit skin and flesh color in octoploid strawberry. We identified a CACTA-like transposon (FaEnSpm-2) insertion in the MYB10-2 promoter of red-fleshed accessions that was associated with enhanced expression and anthocyanin accumulation. Our findings suggest that putative cis regulatory elements provided by FaEnSpm-2 are required for high and ectopic MYB10-2 expression and induction of anthocyanin biosynthesis in fruit flesh. We developed MYB10-2 (sub-genome) specific DNA markers for marker-assisted selection that accurately predicted anthocyanin phenotypes in octoploid segregating populations.

ABSTRACT Cell expansion is a significant contributor to organ growth and is driven by the accumulation of osmolytes to increase cell turgor pressure. Metabolic modelling has the potential to provide insights into the processes that underpin osmolyte synthesis and transport, but the main computational approach for predicting metabolic network fluxes, flux balance analysis (FBA), typically uses biomass composition as the main output constraint and ignores potential changes in cell volume. Here we present GrOE-FBA (Growth by Osmotic Expansion-Flux Balance Analysis), a framework that accounts for both the metabolic and ionic contributions to the osmotica that drive cell expansion, as well as the synthesis of protein, cell wall and cell membrane components required for cell enlargement. Using GrOE-FBA, the metabolic fluxes in dividing and expanding cell were analyzed, and the energetic costs for metabolite biosynthesis and accumulation in the two scenarios were found to be surprisingly similar. The expansion phase of tomato fruit growth was also modelled using a multi-phase single optimization GrOE-FBA model and this approach gave accurate predictions of the major metabolite levels throughout fruit development as well as revealing a role for transitory starch accumulation in ensuring optimal fruit development.

Improving yield, nutritional value and tolerance to abiotic stress are major targets of current breeding and biotechnological approaches that aim at increasing crop production and ensuring food security. Metabolic engineering of carotenoids, the precursor of Vitamin-A and plant hormones that regulate plant growth and response to adverse growth conditions, has been mainly focusing on provitamin A biofortification or the production of high-value carotenoids. Here, we show that the introduction of a single gene of the carotenoid biosynthetic pathway in different tomato cultivars simultaneously improved photosynthetic capacity and tolerance to various abiotic stresses (e.g., high light, salt, and drought), caused an up to 77% fruit yield increase and enhanced fruit's provitamin A content and shelf life. Our findings pave the way for developing a new generation of crops that combine high productivity and increased nutritional value with the capability to cope with climate change-related environmental challenges.