Estudio funcional de los genes DcPAR1 y DcPIF3 en raíz de zanahoria (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, proteger contra el estrés fotooxidativo y como precursores del ácido abscísico (ABA). La carotenogénesis ocurre en los tejidos fotosintéticos, donde la activación de los fotoreceptores por la luz promueve la degradación de los factores de transcripción (Ft) PIF los cuales tienen un efecto negativo en la fotomorfogénesis y la expresión de genes carotenogénico como el gen PSY. Daucus carota (zanahoria), se caracteriza por acumular grandes cantidades de carotenoides en su raíz de reserva y tener relevancia agronómica en nuestro país. Contrario a lo reportado en otros modelos vegetales, en la raíz de zanahoria, la luz inhibe la síntesis y acumulación de carotenoides. Con el fin de dilucidar los mecanismos moleculares que subyacen a este fenómeno, es que se realizó un transcriptoma de novo (RNA-seq) entre la raíz de reserva de zanahorias crecida en oscuridad y en presencia de luz. Distinto a lo esperado y sorprendentemente, se encontraron sobreexpresados genes regulados por luz en la condición de oscuridad y no en presencia de luz. Entre los que se encontraron a DcPIF3 y DcPAR1. Como ya se mencionó, PIF son una familia de Ft que se han relacionado de manera negativa a la síntesis de carotenoides en otros otras plantas modelo, mientras que el segundo (PAR1) es un co factor transcripcional (cFt) involucrado en el proceso de Shade Avoidance Syndrome (SAS) y que tiene un efecto positivo tanto en la fotomorfogenesis como en la síntesis de carotenoides al bloquear la función de PIFs mediante la unión directa. En este trabajo se determinó que la proteína DcPIF3 se localiza en el núcleo donde homodimeriza y heterodimeriza con DcPAR1. También se evaluaron los niveles de expresión de ambos genes a las 4, 8 y 12 semanas de desarrollo en presencia raíz luz y raíz crecida en oscuridad. Ambos genes presentaron mayores niveles de transcrito en la raíz crecida en oscuridad respecto a la crecida en presencia de luz a las 8 semanas de desarrollo validando los resultados obtenidos en el transcriptoma. Además, se observó que la expresión relativa de DcPAR1 es mayor a las 4 semanas donde no se acumulan carotenoides y luego baja durante el desarrollo en R/O, pero siempre es mayor la expresión relativa que en R/L. Para el gen DcPIF3 se encontró mayor nivel de transcrito en R/O a 4 y 8 semanas donde la acumulación de carotenoides es nula o baja, mientras que a las 12 semanas donde hay una mayor acumulación de carotenoides, la expresión relativa de DcPIF3 es menor que a las 8 semanas, existiendo por tanto una correlación favorable entre la expresión del regulador negativo y la abundancia de carotenoides

Carotenoids are isoprenoid compounds synthesized by all photosynthetic organisms and some that are not photosynthetic. In plants they fulfill various functions by participating during the process of photosynthesis as accessory pigments, protecting against photooxidative stress and as precursors of abscisic acid (ABA). Carotenogenesis occurs in photosynthetic tissues, where the activation of photoreceptors by light promotes the degradation of transcription factors (Ft) PIF which have a negative effect on photomorphogenesis and the expression of carotenogenic genes such as the PSY gene. Daucus carota (carrot) is characterized by accumulating large amounts of carotenoids in its reserve root and having agronomic relevance in our country. Contrary to that reported in other vegetable models, in carrot root, light inhibits the synthesis and accumulation of carotenoids. In order to elucidate the molecular mechanisms underlying this phenomenon, a de novo transcriptome (RNA-seq) was performed between the reserve root of carrots grown in darkness and in the presence of light. Unexpected and surprisingly, genes regulated by light were found to be overexpressed in the dark condition and not in light. Among those overexpressed in the dark were found DcPIF3 and DcPAR1. As already mentioned, PIF are Ft that have been negatively related to the synthesis of carotenoids in other model plants, while the second (PAR1) is a co-transcriptional factor (cFt) involved in the process of Shade Avoidance Syndrome (SAS) and which has a positive effect both in photomorphogenesis and in the synthesis of carotenoid by blocking the function of PIFs through direct binding. In this work it was determined that the protein DcPIF3 is located in the nucleus where it homodimerizes and heterodimerizes with DcPAR1. The expression levels of both genes at 4, 8 and 12 weeks of development root growth in light and dark condition were also evaluated. Both genes presented higher transcript levels of in the root grown in darkness compared to the flood in the presence of light at 8 weeks of development validating the results obtained in the transcriptome. In addition, it was observed that the relative expression of DcPAR1 is higher at 4 weeks where carotenoids do not accumulate and then decreases during development in R/O, but relative expression is always higher than in R/L. For the DcPIF3 gene, a higher level of transcript was found in R/O at 4 and 8 weeks where the accumulation of carotenoids is zero or low, while at 12 weeks where there is a greater accumulation of carotenoids, the relative expression of DcPIF3 is lower than at 8 weeks, there is therefore a favorable correlation between the expression of the negative regulator and the abundance of carotenoids