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Plant Reproduction and Evolution

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We are interested in mechanisms controlling sexual reproduction and early embryogenesis in plants, and how these are impacted by climate change.

We study these processes in the flowering plants Arabidopsis thaliana and Solanum lycopersicum (tomato), as well as in the moss Physcomitrium patens.

Jörg D. Becker
Investigador Principal
PhD 2001 in Biology, University of Bielefeld, Germany

Phone (+351) 214469654 | Extension 1654
Email: jbecker@itqb.unl.pt
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Research Interests

We are interested in mechanisms controlling sexual reproduction and early embryogenesis in plants, and how these are impacted by climate change.

We study these processes in the flowering plants Arabidopsis thaliana and Solanum lycopersicum (tomato), as well as in the moss Physcomitrium patens. In flowering plants, a pollen tube delivers two sperm cells to the embryo sac to ensure fertilization of the egg and central cell, respectively. In mosses on the other hand a free-swimming, flagellated sperm fertilizes an egg cell.

A particular focus of our work lies on (epi)genetic mechanisms acting during male gametogenesis. In Arabidopsis, development of the male gametophyte involves reprogramming events at both genetic and epigenetic level, leading to a very distinct transcriptome in male gametes, accompanied by alterations in their epigenetic landscape. The PRE lab studies what changes are triggered when a pollen tube growth through the transmitting tissue of the pistil - the progamic phase - and how this phase is influenced by heat stress.

Mosses were among the first colonizers of land and they occupy an important phylogenetic position for the elucidation of the development of seed plants, due to their separation from the vascular plant lineage about 450 Ma ago. The moss Physcomitrium patens serves as our model to study the evolution of (epi)genetic mechanisms governing male gametogenesis. This is based on the expectation that some key components have been conserved during the evolution of plants on land, e.g. irrespective of male gametes being free swimming in extant early land plants or being delivered passively within a pollen tube in angiosperms.

In the long run our projects will contribute to a better understanding of sexual reproduction in higher plants, a knowledge gain crucial to overcome fertilization barriers, adapt crops to climate change, and to enhance their productivity.

 

Group Members

  • María Flores-Tornero, Post-Doc

  • Helena Sapeta, Post-Doc

  • Diogo Lucas, PhD student (Co-supervision)

  • Mariana Vendeirinho, MSc student

  • Amadeus Pendl, MSc student (Co-supervision)

  • Miguel Sordo, MSc student

 

Selected Publications

  1. Misra, C. S., Sousa, A. G. G., Barros, P. M., Kermanov, A., & Becker, J. D. (2023). Cell-type-specific alternative splicing in the Arabidopsis germline. Plant Physiology 192 (1): 85-101. https://doi.org/10.1093/plphys/kiac574

  2. Flores-Tornero, M., & Becker, J. D. (2023). 50 years of sperm cell isolations: from structural to omic studies. Journal of Experimental Botany. https://doi.org/10.1093/jxb/erad117

  3. Julca, I., Ferrari, C., Flores-Tornero, M., Proost, S., Lindner, A.-C., Hackenberg, D., Steinbachová, L., Michaelidis, C., Pereira, S. G., Misra, C. S., Kawashima, T., Borg, M., Berger, F., Goldberg, J., Johnson, M., Honys, D., Twell, D., Sprunck, S., Dresselhaus, T., Becker, J. D., & Mutwil, M. (2021). Comparative transcriptomic analysis reveals conserved programmes underpinning organogenesis and reproduction in land plants. Nature Plants, 7: 1143–1159. https://doi.org/10.1038/s41477-021-00958-2

  4. Gomes Pereira, S., Sousa, A. L., Nabais, C., Paixão, T., Holmes, A. J., Schorb, M., Goshima, G., Tranfield, E. M., Becker, J. D., & Bettencourt-Dias, M. (2021). The 3D architecture and molecular foundations of de novo centriole assembly via bicentrioles. Current Biology, 31:1-14. https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.07.063

  5. Pereira, P. A., Boavida, L. C., Santos, M. R., & Becker, J. D. (2020). AtNOT1 is required for gametophyte development in Arabidopsis. The Plant Journal, 103(4), 1289–1303. https://doi.org/10.1111/tpj.14801

  6. Borg, M., Jacob, Y., Susaki, D., LeBlanc, C., Buendía, D., Axelsson, E., Kawashima, T., Voigt, P., Boavida, L., Becker, J., Higashiyama, T., Martienssen, R., & Berger, F. (2020). Targeted reprogramming of H3K27me3 resets epigenetic memory in plant paternal chromatin. Nature Cell Biology, 22(6), 621–629. https://doi.org/10.1038/s41556-020-0515-y

  7. Misra, C. S., Santos, M. R., Rafael-Fernandes, M., Martins, N. P., Monteiro, M., & Becker, J. D. (2019). Transcriptomics of Arabidopsis sperm cells at single-cell resolution. Plant Reproduction, 32(1), 29–38. https://doi.org/10.1007/s00497-018-00355-4

  8. Ortiz-Ramírez, C., Michard, E., Simon, A. A., Damineli, D. S. C., Hernández-Coronado, M., Becker, J. D., & Feijó, J. A. (2017). GLUTAMATE RECEPTOR-LIKE channels are essential for chemotaxis and reproduction in mosses. Nature, 549(7670), 91–95. https://doi.org/10.1038/nature23478

  9. Ortiz-Ramírez, C., Hernandez-Coronado, M., Thamm, A., Catarino, B., Wang, M., Dolan, L., Feijó, J. A., & Becker, J.D. (2016). A transcriptome atlas of Physcomitrella patens provides Insights into the evolution and development of land plants. Molecular Plant, 9(2), 205–220. https://doi.org/10.1016/j.molp.2015.12.002

 

Laboratory's Website

For further information please visit the laboratory's website. (under construction)
 

Reprodução e evolução de plantas (PT) (PT)

Estamos interessados em estudar os mecanismos que controlam a reprodução sexual e embriogénese inicial das plantas, e como estes são afetados pelas alterações climáticas.

Estudamos estes processos nas plantas de flor Arabidopsis thaliana e Solanum lycopersicum (tomate), assim como no musgo Physcomitrium patens. Em plantas de flor, o tubo polínico entrega duas células espermáticas ao saco embrionário para assegurar a fertilização do ovo e da célula central, respetivamente. Nos musgos, por outro lado, o esperma flagelado e móvel fertiliza o óvulo.

Um dos principais focos do nosso trabalho debruça-se sobre os mecanismos (epi)genéticos que atuam durante a gametogénese masculina. Em Arabidopsis, o desenvolvimento dos gametófitos masculinos envolve eventos de reprogramação tanto ao nível genético como epigenético, levando a um transcriptoma altamente específico nos gâmetas masculinos, acompanhados por alterações no panorama epigenético. O laboratório PRE estuda que alterações são despontadas quando o tubo polínico cresce através do tecido transmissor do pistilo – a fase de programação – e como é que esta fase é afetada pelo calor.

Os musgos foram dos primeiros colonizadores da terra e ocupam uma posição filogenética importante para a elucidação do desenvolvimento de plantas com semente, devido à sua separação da linhagem de plantas vasculares há 450 milhões de anos. O musgo Physcomitrium patens serve como modelo para o estudo da evolução dos mecanismos (epi)genéticos que governam a gametogénese masculina. Isto é baseado na expectativa de que alguns componentes chave foram conservados durante a evolução das plantas na terra, por exemplo independentemente de os gâmetas masculinos nadarem livremente nas primeiras plantas terrestres existentes ou serem entregues passivamente dentro de um tubo polínico em angiospermas

A longo prazo, os nossos projetos irão contribuir para uma melhor compreensão da reprodução sexual em plantas superiores, um ganho de conhecimento que é essencial para ultrapassar barreiras de fertilização, adaptar culturas às alterações climáticas e melhorar a sua produtividade.

 

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