Cinética de expresión de genes de tolerancia identificados en la macroalga roja Pyropia columbina bajo el ciclo desecación-re-hidratación natural : comparación funcional con especies sensibles

Abstract

La distribución diferencial de las especies macroalgales que habitan la zona intermareal está influenciada por diversos factores entre los que destaca la desecación. Este factor, que se encuentra asociado a oscilaciones de los niveles de la marea y a condiciones climáticas, puede generar alteraciones fisiológicas, estrés oxidativo e incluso la muerte celular en organismos intermareales sensibles a estrés mediante vías dependientes de especies reactivas de oxígeno (EROs). La macroalga Pyropia columbina habita exitosamente la zona alta del intermareal chileno, por lo cual es considerada un modelo tolerante a desecación. Bajo esta condición de estrés, se ha observado la activación de enzimas antioxidantes y cambios a nivel proteómico y metabolómico. Sin embargo, poco se conoce sobre la tolerancia a desecación a nivel molecular. Con el fin de comprender la modulación génica de esta especie bajo desecación, se analizó mediante qRT-PCR y actividad enzimática la cinética de expresión de genes de tolerancia presentes en P. columbina, bajo el ciclo de desecación y re-hidratación natural. Además, las respuestas de los productos génicos codificados por estos factores de tolerancia se compararon mediante análisis enzimático en las especies sensibles que habitan la zona media y baja del intermareal (i.e. Mazzaella laminarioides, Scytosiphon lomentaria y Lessonia spicata). Los resultados indican que diariamente durante desecación, el nivel relativo de transcritos de genes asociados al metabolismo basal en P. columbina disminuye significativamente. Sin embargo, durante rehidratación el nivel de sus mRNA aumenta alrededor de 4 veces. Contrariamente, genes asociados al metabolismo antioxidante aumentan sus transcritos 15-20 veces durante desecación, retornando a niveles basales hacia el final del período de re-hidratación. Comparativamente, todas las enzimas antioxidantes tuvieron una mayor actividad en P. columbina durante desecación. Las especies que habitan la zona más baja del intermareal (S. lomentaria y L. spicata) mostraron los menores niveles de actividad e incluso inhibición enzimática. Los resultados demuestran que durante el proceso de desecación, existe una expresión génica diferencial de los factores de tolerancia en P. columbina y que las especies sensibles presentan una respuesta ineficiente a ésta condición de estrés. Estos resultados aportan significativamente al conocimiento de las bases funcionales y moleculares que sustentan los patrones ecológicos de distribución diferencial en la zona intermareal rocosa

The differential distribution of macroalgae species on the intertidal rocky zone is influenced by several factors such as desiccation. This stress factor, associated with daily tidal changes and climate conditions, can generate oxidative stress, physiological alterations and cellular death on sensible intertidal organisms by means of oxygen reactive species (ROS). The seaweed Pyropia columbina is considered a model of desiccation tolerance because of its ability to inhabit the upper zone of the intertidal rocky zone. Under this stress condition, activation of antioxidant enzymes and proteomic and metabolic alterations has been observed. However, the behavior at genetic level remains unknown. In order to understand the genetic modulation of this species under desiccation, the kinetics of gene expression of several tolerance factors in P. columbina was analyzed by qRT-PCR and enzymatic assays under the natural desiccationrehydration cycle. In addition, the responses of these gene products were compared by enzymatic analysis in the sensitive species that inhabit the middle and lower part of the intertidal zone (i.e. Mazzaella laminarioides, Scytosiphon lomentaria and Lessonia spicata). The results indicate that during desiccation the relative mRNA levels of genes associated with basal metabolism in P. columbina was down-regulated. However, during rehydration their levels were increased fourfold. On the other hand, transcript levels of genes associated with the antioxidant metabolism increased about 15-20 times during the stress period, returning to basal levels during the final hours of rehydration. All antioxidant enzymes studied showed higher specific activity on P. columbina under desiccation. Species that inhabit the lower parts of the intertidal zone (S. lomentaria and L. spicata) exhibited lower levels and even enzymatic inactivation. These results show that under desiccation Pyropia columbina presents a differential gene expression of tolerance factors and that sensitive species have an inefficient response to this stress condition. The results obtained in this work, significantly contribute to the understanding of the differential distribution patterns of seaweeds on the intertidal rocky zone at a molecular and functional level