Estudio de la funcionalidad del gen DcPSY1 y su rol en la tolerancia a estrés abiótico mediante sobreexpresión en plantas de Daucus carota

Abstract

Los carotenoides son compuestos isoprenoides sintetizados por todos los organismos fotosintéticos y algunos no fotosintéticos. En plantas cumplen variadas funciones al participar durante el proceso de fotosíntesis como pigmentos accesorios, como agentes protectores contra el estrés fotooxidativo y como precursores del ácido abscísico. Los animales son incapaces de sintetizarlos y deben ingerirlos mediante la dieta. En ellos cumplen un rol fundamental para la formación de vitamina A y como agentes antioxidantes. Debido a esto es que la manipulación del contenido de carotenoides de diversas especies vegetales, se presenta como una atractiva herramienta para mejorar la calidad de los cultivos y/o aumentar su valor nutricional. La zanahoria (Daucus carota) destaca como candidata para estos estudios, ya que acumula enormes cantidades de carotenoides en su raíz de reserva que se desarrolla en oscuridad, además de no requerir de condiciones muy estrictas para su cultivo. La biosíntesis del primer carotenoide (y precursor de todos los demás), el fitoeno, es catalizada por la enzima fitoeno sintasa (PSY). Este paso, se considera un punto clave dentro de la ruta de síntesis y está altamente regulado. En algunas plantas, se ha descrito como la expresión del gen PSY promueve un aumento en la acumulación de carotenoides totales en hojas y frutos. En Daucus carota se han descrito 2 genes parálogos de la enzima PSY, DcPSY1 y DcPSY2, asociados principalmente a la carotenogénesis de hojas y raíces respectivamente. También en otras especies vegetales se han descrito más de un gen PSY, atribuyéndoles propiedades órgano específicas en cuanto a su función y la regulación de su expresión. En este trabajo, se analizaron plantas de zanahoria transformadas con un vector binario para sobreexpresar uno de estos genes parálogos, el gen DcPSY1. Se observó que en plantas transgénicas de DcPSY1, los niveles de expresión del gen se correlacionan con un aumento en la acumulación de carotenoides totales en hojas y raíces de reserva. A pesar de esto, se observaron diferentes patrones en la composición de carotenoides específicos en estos dos órganos. Las hojas de plantas transgénicas que presentaron mayor acumulación de luteína y β-caroteno no mostraron una variación en los niveles de clorofilas, ni una correlación directa con la expresión de otros genes carotenogénicos. En cambio, las raíces que vieron aumentados sus niveles de α y β-caroteno, presentaron un notorio incremento en la expresión de los genes carotenogénicos DcPSY2, DcLCYB1, DcLCYB2, DcLCYE y DcNCED1. Por último, los ensayos de resistencia a estrés abiótico no mostraron una mayor tolerancia a daños generados por elevadas concentraciones de sal en las líneas transgénicas. Estos resultados sugieren un rol diferencial para el gen DcPSY1 respecto al tejido fotosintético rico en cloroplastos y las raíces, donde priman los cromoplastos, lo que ayudaría a comprender mejor la función de este gen en zanahorias

Carotenoids are isoprenoid compounds synthesized by all photosynthetic and some non photosynthetic organisms. In plants, they fulfill a wide variety of functions by participating as accessory pigments during the photosynthetic process, protecting against photooxidative stress and as abscisic acid precursor. Animals are incapable of synthesizing them so they have to be incorporated through the diet, where they have a fundamental role in vitamin A formation and as antioxidant agents. These are some of the reasons why the carotenoid content manipulation of a variety of vegetal species presents as an attractive tool for the improvement of crop quality and increasing their nutritional value. Carrot stands out as a good candidate for these studies because its particular capability of accumulating huge amounts of carotenoids in its reservoir root, which is developed in darkness, and due to not requiring too demanding conditions for its cultivation. The biosynthesis of the first carotenoid (and precursor of the rest of them), phytoene, is catalyzed by the enzyme phytoene synthase (PSY). This step is considered as a key point in the synthetic pathway and is highly regulated. In some plants, it has been described how PSY gene expression promotes an increase in total carotenoid accumulation in fruits and leaves. In Daucus carota 2 paralogous genes of PSY enzyme have been described, DcPSY1 and DcPSY2, mainly associated with carotenogenesis in leaves and roots respectively. More than one PSY gene has been described for other vegetal species too, conferring organ specific properties to their function and their expression regulation. In this study, carrot plants transformed to overexpress one of these paralogous genes, DcPSY1, will be analyzed. DcPSY1 gene expression levels correlate with an increase in total carotenoid accumulation in leaves and roots of transgenic plants. Nevertheless, different patterns in specific carotenoid composition were observed, which are altered between these organs. Leaves, that exhibited higher accumulation of lutein and β-carotene, didn’t show any difference in their chlorophyll levels, nor a direct correlation with the expression of other carotenogenic genes. However, roots that had an increase in α and β-carotene levels showed an evident increase in the expression of their genes DcPSY2, DcLCYB1, DcLCYB2, DcLCYE y DcNCED1. Finally, abiotic stress resistance essays showed no increase in tolerance to damage generated by elevated salt concentrations in transgenic plants. These results suggest a differential role for DcPSY1 gene in regards to photosynthetic tissue and roots, which helps to better understand the function of this gene in carrots